|
伽利略相對性原理
1、伽利略相對性原理的誕生
哥白尼的日心說，否定了亞里斯多德的地心說這是天文史上一大進步。但受到保守勢力極力反對他，提出了很多質疑——既然我們地球環繞太陽運動、自轉，我們為什麼沒有被甩出地球？為此，伽利略提出了一個觀點：在任意系統內部沒有任何觀察和實驗能證明這個系統是處在靜止狀態還是處於勻速直線運動狀態。這一觀點後來被稱為伽利略相對性原理。
2、伽利略相對性原理分析
伽利略是用一條勻速運動的大船，來闡述為什麼我們並沒有感知到地球的自轉、公轉的存在。
我認為，一方面，伽利略並沒有解釋上面提到質疑問題。我們今天知道，地球自轉的離心力確實存在，它直接造成了重力加速度在赤道地區的減小。在地質板塊的移動中，這一離心力的作用，造成了南、北半球板塊的向赤道方向的運動。我們沒有被地球的旋轉甩出地球，主要是這一離心力小於我們受到的重力。
另一方面，我們前面分析過，在伽利略的大船上放置一個帶電物體，和一個靈敏度很高的小磁鍼，當船做勻速直線運動時，就會由於帶電體產生磁場而使小磁鍼發生偏轉。尤其在這艘船突然停下來時，我們會見到這個電荷撞擊在障礙物上發出的輻射。復旦大學的朱永強等人在2009年做了一個運動電荷產生磁場的實驗：讓一個磁場檢測儀同一個帶電的電容板一同做勻速直線運動，結果是磁場檢測儀檢測出了相對於其靜止的電荷的磁場。這就證明了上述分析的正確性。
尤其是，由迴旋加速器中粒子的品質的變化可知，當船以極高的速度運動時，會由於品質的增加而感知到所扔的物體的品質增加了。
感應場是一種物質存在，觀察者靜止時運動電荷有磁場，觀察者與其同步運動就沒有了。這還是唯物論嗎？與運動電荷同步運動的觀察者，怎樣解釋旁邊小磁鍼的偏轉？！在撞上障礙物而停下來時，同步運動的觀察著怎樣解釋其看到電荷所產生的光輻射。
這裡涉及到一個問題，那就是靜止在運動的慣性系中的電荷是否擁有感應電磁場的問題。這一問題同廣義相對論中伴隨升降機一同下落的升降機中的電荷是否有輻射產生是一樣的，這一問題是廣義相對論是否正確的一個判別標準至今沒有解決。
其實，這是一個很簡單的問題，只是對愛因斯坦的理論迷信，禁錮了我們的思維。我們舉兩個簡單的事實就會明白其中的問題。
A、把品質是m1、m2的兩個物體綁在一起，使其以同樣的速度v運動。這時，我們說兩者擁有的動能、動量是：
Ek=（m1+m2）v2/2=m1v2/2+m2v2/2=Ek1+Ek2
P=（m1+m2）v=m1v+m2v=P1+P2
也就是說，體系的能量、動量是兩者的動能、動量之和；
完全一樣地。
B、把電荷是q1、q2的兩個物體綁在一起，使其以同樣的速度v運動。這時，由電磁理論可知，此時兩者擁有的感應磁場是：
B=μ0(q1+q2)v/4πr2
是兩個電荷單獨運動時擁有的感應磁場的疊加，即：
B=μ0(q1+q2)v/4πr2=μ0q1+v/4πr2+μ0q2v/4πr2
即有：B=B1+B2
也就是說，無論以兩個物體、電荷中的任何一個為參照物，另一個物體、電荷都處於靜止狀態，但是他們都同樣擁有與運動速度一一對應的動能、動量和感應電磁場。
其實，任何一個物體都可以分為無數的小的單獨的彼此處於靜止狀態的個體，因此，動能、動量、感應場都是每一個獨立個體的動能、動量、感應場的疊加。
還有導線中的電流強度，是所有電荷產生的電流之和等。
一個典型的事例就是，同向等速運動的電荷之間雖然處於相對靜止狀態。但是，彼此之間存在洛倫茲力相互作用。而不是相對靜止而不擁有磁場。
這樣我們就證明了前面關於在運動的船上的電荷擁有磁場，會使旁邊的小磁鍼產生偏轉的觀點的正確性。也證明了伴隨升降機一同下落的電荷會有感應電磁場的產生，從而否定了廣義相對論的等效性原理。困惑了關於伴隨升降機一同下落的電荷會不會有輻射的產生的爭論——在加速下落的升降機中的帶電體擁有感應電磁場，借此可知升降機在運動，而不是處於靜止的引力場中。但是，在此加速下落的過程中不會有輻射產生。只有撞擊地面停止下來後才會有輻射的產生。
3、伽利略相對性原理小結。
愛因斯坦的相對論給人們帶來的衝擊，明顯體現在對時間和空間的認識的變化，這一點使很人感覺不爽。牛頓意義下的時間是絕對的，總是不以人的意識為轉移而絕對均勻地流逝，而空間的大小也是與運動無關的。而在相對論中時間和空間、物體運動的速度、品質、動量、能量等我們熟知的物理量都不再具有牛頓意義下的絕對性。而是與觀測者的運動情況而變化的。並且實驗發現運動電荷在迴旋加速器中運動時，品質確實隨運動速度的增加而增大，這是為什麼哪？
關於運動物體的品質、能量隨運動速度的變化而變化，在我隨後要出的書籍“NEUT”中將有解釋，而此事實的存在，正體現了運動的絕對性。這實際上體現的是伽利略的相對性原理的成立是有條件的，一個運動的物體會具有動能與動量，具有輻射能量或做功的能力。因此，一個運動的物體與靜止的物體是有區別的，並且這種區別是能被實驗檢測出來的。在伽利略時代我們做不到這一點，現在則是可以的。
我們分析如在下：
在伽利略的相對性原理中，描述了一艘在水面上勻速運動的大船，船上有我們生活中的一切、飛行的蒼蠅、滴水的水管，水管下接水的水桶等，在其中生活的人不會發現自己在運動。這實際上是不可能的。我們可以通過如下的假想實驗，證明船是否在運動以及運動速度的大小：在這艘勻速運動的船中放置兩個品質相等、電荷量相等的同種電荷小球於光滑的桌面上，兩者由可測相互作用力的彈簧秤隔開。由於運動的存在，任何一個小球都會產生磁場，其磁場強度由比奧——薩伐爾定律決定。這兩個小球之間就會產生磁場相互作用而使彈簧的讀數發生變化，同時在其近旁放置的小磁鍼就會在電荷的磁場的作用下發生偏轉。進一步講，如有必要的話，我們可以經過計算找到小磁鍼的偏轉角度與船運動速度的大小之間的關係，從而在小磁鍼的旁邊放置一個表示運動速度大小的圓盤，這樣就可以有效磁鍼的指向直接讀出船運動的速度的大小。
在此我們不難看出，粒子、物體的運動具有絕對性。
尤其是在航太站中做這一實驗更明顯，這是因為這裡的運動速度很大。通過彈簧秤的讀數或小磁鍼指向的變化，就可以推知這條大船是否在運動以及運動速度的大小：
一個運動的荷電粒子由於電磁轉化的存在，總是伴有與其運動速度一一對應的感應電磁場存在的，不同的運動速度其具有的感應電磁場的強度是不同的。這樣在粒子的運動速度與其具有的感應電磁場之間就有了一個一一對應關係，在經典電磁學裡這一對應關係就是畢奧-薩伐爾定律：B=μoqv×r/4πr3(這裡的×代表向量運算的差積，而此處的B、v、r為向量形式)。這樣看來，由荷電粒子的感應電磁場的強度就可以定出其運動速度的絕對值的大小。因此，伽利略相對性原理所描述的，在一個勻速運動的參照系中沒有任何方法證明該體系是否在運動就不再成立了，我們可以用荷電粒子是否擁有感應電磁場，來證明其所在的體系是否在運動；用該荷電粒子擁有的感應電磁場的強度來確定該體系運動的速度的大小。而且我們還可以定義這樣一個絕對靜止參考系：在一個參考系內放一個荷電粒子，然後改變該體系的運動速度---速度的大小與方向，使荷電粒子的感應電磁場強度為零，這時荷電粒子所在的參照系就可以稱得上是一個絕對靜止的慣性系了。
由上面的分析可知，伽利略的相對性原理是不成立的。我們是有辦法來確定一個參照系是否在運動及運動速度的大小的。愛因斯坦堅信的，沒有絕對的運動與沒有絕對的靜止的觀點是不成立的。好在愛因斯坦在推導狹義相對論的時候，把伽利略相對性原理改為一切物理規律，在不同的慣性中具有不變的形式。這句話是成立的。
這個相對性原理與伽利略的相對性原理不同。
對於帶電粒子可從其產生的磁場強度可確定其運動速度的大小，從而能確定粒子/物體運動的絕對性。在相對論中出現的S系與S'系的運動的相對性是不存在的。我們讓一個電荷振動，則它就會產生無線電波發射——如無線電信號的產生，相反，電荷不動而觀測者同頻率振動，則電荷就不會發射光子，運動不具有絕對性嗎？！
假想讓伽利略和愛因斯坦各拿著一個帶點小球，現在讓愛因斯坦以極高的頻率跳動，則他會產生電磁輻射，伽利略不會，但按照相對論愛因斯坦以自己為參照物則會認為，他沒有產生電磁輻射，而伽利略在跳動時伽利略在產生電磁輻射，那麼旁邊的觀測者實際接收到的輻射從那來哪？假設愛因斯坦先生跳動的頻率很高，其手中的電荷能發出可見光，則這時伽利略、愛因斯坦和旁邊的觀察者很容易觀察到是愛因斯坦在發光，伽利略和愛因斯坦怎樣解釋這一現象？
在靜止的實驗室的桌面上，有品質相等的甲乙兩個小球，甲乙帶等量的電荷，甲高速向乙運動，實驗員會發現，甲擁有感應電磁場，而乙沒有。當加上磁場後，甲開始做迴旋運動並從桌面上落到地上，這時甲怎麼看待這一問題，他認為是乙在向之運動。但怎麼解釋落到地上的是自己？還有當其與乙相撞時，會發出輻射，這時輻射運動的方向與其運動的方向一致，這體現了輻射不是乙發出的。他怎麼解釋輻射來源於自己而不是乙。還有按相對論運動起來後其品質增加，因此，甲的品質會大於乙的品質，甲認為乙在運動，因此，自己的品質小於乙的品質，按碰撞理論，碰撞後自己會改變運動方向，而乙按自己的運動方向運動。但碰撞後我們發現，由於甲在運動其品質大於乙的品質，所以碰撞後兩者同向運動，甲沒有改變運動方向。甲怎樣解釋這一事實？
S系與S'系的運動的相對性看上去成立，實際上從物理量的變化上是不對的。讓不相信運動具有絕對性的人放在高速運動的甲車上，手邊放一個制動閘，相信運動具有絕對性的人坐在靜止的乙車上，手邊也放一個制動閘。當兩者相遇後，按相對論兩者都認為是對方在運動，為了防止相互撞擊都緊急刹閘------這時受到傷害是誰？
下車後問問受害者運動具有相對性還是具有具有絕對性。
可見，在地球這個參照系內，物理意義下的靜止與運動都具有絕對性。
其實，我們讓一個電荷以速度v運動可以產生一定強度的磁場B，之後，我們讓n個電荷以同樣的速度v運動，這時，我們得到的磁場的強度是nB，這是我們熟知的常識。但這時，不同的電荷之間是處於靜止狀態的。
在相對論中否定了絕對的時間和絕對的空間，否定了絕對的運動。這是不正確的。這是因為按相對論一個相對於電荷運動觀測者，其觀測到的電荷的力場會發生變化，而再按照法拉第理論這樣變化的電磁場會產生輻射，但一個震動的物體並沒有引發環境中靜止的電荷產生輻射，這充分說明運動與靜止具有絕對性。
我們前面分析過讓一個電荷相對於我們震動，則會產生電磁輻射。我們正是借助於這一過程產生無線電輻射，從而產生電視信號的。但是電荷不動而讓一個觀測者以同樣的頻率振動則不會產生輻射，如在我們身邊存在聲波，則站在震動面上的細菌以自己為參照物則會發現周圍的電荷在同頻振動，但我們不能因此觀測到電荷的輻射的存在。若聲波的震動能引發電荷同步振動而產生輻射，就不用再通過電磁感應使聲波信號轉化為電磁信號的發射器了，我們只需要接受裝置——收音機、電視機等就可以了，而此不是事實。還有，一個高速運動的電荷擁有磁場——能在我們身邊的磁場中改變運動的方向；若運動只具有相對的意義而不具有絕對性，則在這個運動的電荷看來，靜止在我們身邊的電荷在運動而其處於靜止狀態，則在他看來，我們身邊的處於靜止狀態的電荷應該在我們身邊的磁場中發生運動狀態的變化，這是事實嗎？
為了產生足夠強大的輻射功率，我們採用強電流的方法——更多的電荷參與輻射的產生，這會消耗很多的能量。若運動具有相對性，則我們讓大的帶電體不動，而讓一個小的中性粒子振動。則在這一小品質的電荷的看來，實際震盪的是這一大的帶電體，自己靜止不動，輻射是由大的帶電體產生的。我們能通過這一途徑產生足夠大的輻射功率嗎？
若這是成立的，則能很好地解決人們對電能的需求：讓一個足夠大的發電機組靜止，在旁邊讓一個品質接近零的粒子高速旋轉，在這個品質很小的粒子看來，這時是發電機組在高速旋轉，因此，這時發電機組會產生足夠大的感應電流，從而輸出極大的電能供全球的人類使用。這可能嗎？
這些都與能量守恆、動量守恆相矛盾。
由上面的分析可知，相對性原理是有問題的，運動的相對性只有視覺效應，不具有確切的物理意義。我們是有辦法來確定一個參照系是否在運動及運動速度的大小的。愛因斯坦堅信的，沒有絕對的運動與沒有絕對的靜止的觀點是不成立的。在慣性參照系中，一切物理規律（其實化學規律等亦然），擁有不變的形式是對的。但運動具有相對性就不再具有實際的物理意義了。
我真看不出運動速度的視覺上的相對性，與一切物理規律在不同的慣性系中擁有相同的形式之間有什麼必然的聯繫。
說物理定律的不同的慣性系中擁有不變的形式這是對的，但若否定時間與空間的絕對性，否定運動與靜止的絕對性，那就是錯誤的了。愛因斯坦在相對論中把這兩個內容混在了一起。
這一點在當年的牛頓的水桶試驗中得到充分的解釋。當水桶不動，水在水桶內旋轉時，由於離心力的作用使水沿水桶的邊緣上升，造成水的中心區域凹陷，邊緣隆起的形狀；相反，當水不動而讓水桶旋轉時，則水的形狀沒有發生任何變化仍然處於水準形狀。這體現了絕對運動的存在。當然，從能量的角度更能很好地說明。在水桶不動而讓水旋轉時，我們是對水做了功，使其動能增加而運動起來從而產生離心力，沒有對水桶做功，所以水桶沒有運動起來；而水不動讓水桶旋轉時，我們是對水桶做功使其動能增加而運動起來，由於水沒有動所以不能產生離心力而水面保持水準狀態不變。
兩個完全一樣的汽車，甲車靜止在圓弧形的路面上，乙車從對面開來運動到橋上，橋上有稱量重量的秤。這時，按現有的理論，由於運動具有相對性，因此，甲車認為乙車在運動；乙車則認為甲車在運動。但從效果上看，秤卻給出了絕對的運動者。這是因為，甲車靜止在橋面上，其對橋面的壓力等於其自身的重量；相反，由於乙車的運動產生了離心力，因此，其對路面的壓力小於其自身的重量。這樣，橋上的秤的讀數確定了運動的絕對性。
從上邊的分析我們概括如下：伽利略用大船描述的相對性原理是錯誤的，但是，伽利略變換以及由此產生的速度疊加原理是正確的；愛因斯坦的物理規律在所有參考系中、具有普適性的觀點是正確的。這符合我的《動體物理學》動態原理，但是洛倫茲變換是錯誤的，不同參考系之間方程變換的協變性是沒有必要的。
在這裡需要說明的是：物理規律可以在任意參考系中成立，與這一參考系是否可作為絕對靜止參考系不是一個概念，也與物理規律是否擁有不變的形式不是一個概念。物理規律在任意參考系中都是成立的，但是，在處於熱平衡狀態的參考系中，物理規律擁有相同的形式，而在處於非熱平衡狀態的參考系中，物理規律擁有的形式就需要改變一下。例如，在處於熱平衡狀態的參考系中，庫侖定律擁有相同的形式；而處於非熱平衡狀態的參考系中，由於介質的介電常數、介質中的光速等沿運動方向發生了變化，因此，庫侖定律中的ε不再具有各向同性，需要加入與方向、速度、力場強度、溫度等有關的係數，即：ε=ε（θ、v、E、B、G、T）其擁有的形式變為：F=q1q2/4πε（θ、v、E、B、G、T）。尤其是處於加減速運動狀態、外力場存在時,此時速度v、電場E、磁場B、萬有引力場G等還是時間、空間的函數。
也就是說，參考系不是熱力學平衡態的系統，所有的物理量如速度、加速度等，需要按照相對于處於熱力學平衡態系統的物理量數值進行修正。但物理規律本身仍然成立。這時，這個處於熱平衡狀態的系統起到靜止參考系的作用。
前面我們分析過，在超音速客機上由於其上的空氣處於近似的熱平衡狀態，因此，空氣等介質傳遞聲音的速度、傳播光的速度具有各向同性。與飛機的運動方向、速度的大小無關。因此，飛機的超音速的運動沒有影響我們的交談。更沒有出現由於聲音的速度小於飛機的運動速度，使坐在後邊的乘客說話的聲音無法傳到前邊乘客的現象。
這一點突出地體現在如下的事實中：在遠大於音速的空間站上的宇航員，仍能用語言交談而沒有因為空間站的高速（7.9km/s）運動而發生變化。在空間站上的宇航員的實驗表明，在力學定律在那裡是完全成立的。
愛因斯坦在其《物理學的進化》中指出：“假設力學定律在一個參考系中是成立的，那麼在任何一個相對於其做勻速直線運動的參考系中也是成立的。若兩個參考系相互做變速運動，則力學定律在兩個參考系中不是等效的。”就相對性原理而言，愛因斯坦認為如果相對性原理不正確，我們就應該發現地球運動的方向性，會在我們熟知的自然定律中體現出來。即物理定律應該具有與地球自轉方向的相關性，但事實是，我們從來沒有觀測到物理定律的這種空間各向異性。其實，按我們的理論，這是因為我們實驗室中的各種介質處於近似熱平衡狀態（在實驗室範圍內重力場影響很弱），因此，沒有發現物理定律的這種空間各向異性。而當介質處於非熱力學平衡狀態時，這種物理定律的各向異性就會體現出來。在菲索實驗中，光速沿運動的方向增加，沿反方向減小就證明了這一點。
這實際上體現的就是我們前面分析過的，介質的狀態決定物理規律的存在形式：介質處於熱平衡狀態時，物理規律具有各向同性：庫倫定律、光速、聲速等與其勻速直線運動狀態無關；介質處於非熱平衡狀態時，物理規律不具有各向同性：庫倫定律、麥克斯韋方程組、光速、聲速等與其勻速直線運動狀態有關。
物理規律是客觀世界中物質運動的描述，其具有的普適性是客觀的，但與在不同參考系之間變換需要是否滿足協變性沒有關係。
伽利略的相對性原理，是一種掩耳盜鈴的解釋。物理規律在某一參考系中能否成立，與是否存在某種機制檢測到這一參考系的運動沒有關係。我們樂意通過帶電粒子的感應磁場可以判斷伽利略船是否在運動，但這絲毫沒有影響物理規律在這樣的參考系中的普適性。相反，我們的牛頓定律、畢奧-薩伐爾定律等經典物理知識幾乎都是在這樣的環境下發現的，而不是杜撰出來的。是實驗的結果，是不容置疑的。
一個熱力學體系，由於一方面，粒子間存在自發的、永不停息的碰撞；另一方面，與所在的容器壁發生碰撞而逐漸改變其擁有的能量。因此，在這種頻繁的、永不停息的碰撞過程中，不斷自發調整著粒子相對於容器壁的能量分佈。在有外力場等因素的作用時，會在這一方向發生能量的轉移、轉化——熱傳遞的產生、熱能與其他形式能得轉化、隧道效應的產生等；而在沒有外在的力場存在時，體系會進入到一種平衡狀態。這時，系統內的粒子的能量的分佈滿足確定的統計規律。由於這一過程是不斷與容器壁發生相互作用產生的。因此，體系內的粒子的運動速度相對於這個體系而言具有絕對的數值，這樣的體系，可以作為標準靜止參考系。
這樣體系中粒子運動的速度、動量、能量是相對於這個體系而言的，是具有絕對的意義的。而此是通過自發的、永不停息的、無序碰撞趨於滿足具體的統計規律過程實現的。
任何一個體系，只要不存在外在的力場，或外在的力場較弱時，相應的物理規律具有不變的形式。在有外在的力場存在，當體系進入近似的熱平衡狀態時，這樣的體系仍可以近似作為絕對靜止參考系。
前面分析過，我們的地球就是這樣一個體系。
值得指出的是，上千年間，我們人類積累的知識體系：實驗定律及在此基礎上提出的假設、公理、原理及定理等，都是在以地球為參照物的實驗室中發現或得到驗證的。我們沒有發現與地球的自轉、公轉相關性，就證明了這一點。
閱讀: 14688
|
