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狭义相对论的终结

(2017-01-23 15:16:22)
分类: 理论探索



狭义相对论的终结 

  

摘要:1、本文建立了介质中的狭义相对论,借介质所处的热平衡状态解释了迈克尔孙-莫雷实验和菲索实验,借此否定了爱因斯坦的狭义相对论;给出了多普勒效应的本质。

关键词:光速不变原理、多普勒效应、介质中的狭义相对论。

一、介质中的狭义相对论

1、介质中的狭义相对论的建立

电磁理论等同地适用于真空与介质中,真空中具有光速不变性,介质中也应该具有光速不变性;2被我们忽略的事实是:无论是自然界中还是实验室中的介质都拥有确定的折射率,和确定的光速,但这些介质也在随地球的自转、公转而运动着,因此,介质中的光速也与地球的自转无关,同样违背经典意义下的速度叠加原理。需要建立理论加以解释。

两个基本假设:

1)、广义相对性原理:在含有任何介质的惯性系中,物理定律具有相同的形式。

2)、广义光速不变原理:在含有任何介质的惯性系中光速具有不变性。

在此基础上,把真空中的光速C变为折射率为n的介质中的光速C/n,然后完全不变地按照爱因斯坦推导狭义相对论的方法,就可以推导出介质中的相对论(推到过程较长,见附件)。

结论如下:

广义洛仑兹变换:

狭义相对论的终结 xˊ=(x-vt)/ (1-n²β²)1/2         1  

y=y                        2

z=z                         3

tˊ=[t-n²vx/c²]/(1-n²β²)1/2   4

其中,n为介质的折射率,β=v/c意义不变。

L=L[1-nv/c)²]1/2

m=m/[1-nv/c)²]1/2

t0=t(1-(nv/c)2)1/2

E=T+m0c2/n2E0=m0c2/n2

t2-t1=[t2-t1-vx2-x1)(n2v/c2]/(1-(nv/c)2)1/2

当进入到真空中时,n=1:广义洛仑兹变换、质量及时空的变化、质速关系、质能关系等,狭义相对论完全一样。也就是说,爱因斯坦的狭义相对论是上述理论在真空中的推论。

2、对相对论的新认识:

1)、上中存在1/[1-nv/c)²]1/2项,从数学角度上看会发现v˂c/n因此得出:介质中的光速是物体在介质中运动速度的极限。但在切仑科夫辐射现象中,粒子的运动速度就超过了介质中的光速。可见,介质中的相对论在此是不成立的。

同样,作为其推论的真空中的光速不能超越是不成立的。

物质的运动速度可以是任何数值。这就是实验中出现超光速量子纠缠现象的原因。

2)、由t2-t1=[t2-t1-vx2-x1)(n2v/c2]/(1-(nv/c)2)1/2L=L[1-nv/c)²]1/2及Δt/=Δt(1-(nv/c)2)1/2可知,同样的运动速度,时间和空间的变化及同时性的相对性由介质的折射率决定。

时空本性能由介质的折射率决定吗?

3)、由m=m/[1-nv/c)²]1/2可知,同一个粒子以同样的速度运动,在真空与不同的介质中拥有不同的质量。质量的数值与其运动的速度及介质的折射率有关。

这显然是不可能的。物体的质量没有因进入水中而变小。

n很大时,0.01m/s下也会出现相对论效应?

4)、由E=T+m0c2/n2可知,一对正反粒子在真空及不同的介质中发生湮灭反应时,会因为折射率n的不同,而有不同的能量释放出来?这与能量守恒是不相容的。而且,在n极大时m0c2/n2=0E=T+m0c2/n2= E=T又回到了经典意义下的动能公式,这时,与其静止质量相关的的能量变为零。这与狭义相对论直接矛盾。

5)、在同一种介质中,不同频率的光子有不同的折射率,当我们用不同频率的光子进行观测时,会发现由于折射率的不同,而使得:L=L[1-nv/c)²]1/2m=m/[1-nv/c)²]1/2、Δt/=Δt(1-(nv/c)2)1/2E=T+m0c2/n2E0=m0c2/n2t2-t1=[t2-t1-vx2-x1)(n2v/c2]/(1-(nv/c)2)1/2等拥有不同的数值,这显然是错误的。

6)、相对论不适合观测不变的数值。

a)、用弹簧称拉住一个重1.98牛顿的物体,静止的实验者会认为其质量为2kg。而以速度v运动的实验者就会感到疑惑:一方面,此时该物体质量、地球的质量应按m=m0/(1-(v/c)2)1/2增加 ,又由于引力质量等于其惯性质量,则这时弹簧秤上的物体的重量应远大于1.98牛顿;但他又真实地见到弹簧称上的读数没有发生变化的。这怎么解释?

弹簧秤是靠电磁力工作的,而电荷具有运动不变性。引力场与电荷的库伦力场是不同性质的力场,不可能同步变化,是数值不变。

b)、在一个封闭的长方形容器内放置某种气体,内在的温度计显示其温度T0、气压计显示其气压P0。一个运动的观测者会发现:一方面,由相对论可知,容器的体积发生了变化:V=V0(1-β²)1/2另一方面,其发出的光谱会由于多普勒效应而紫移。因此,首先,按λmaxT=σ其温度计的读数应该增加;另一方面,由于体积减小温度升高,按克拉波龙方程PV=nRT,则其压强计的读数应该增加:P= nRT/V0(1-β²)1/2,但实际上压强计、温度计的读数没有变化。

这怎么解释?

8)、由运动的相对性,在光子看来我们运动速度是光速吗?我们的质量应该发生怎样的变化了?

光是我们认识世界的工具,不该为了工具而改变对世界的认识。

二、对光速不变的解释

M-M实验证明了光速不变性。洛仑兹推出了洛伦兹变换,认为时间与空间的大小应与运动速度同步变化。但没有给出解释。

相反,爱因斯坦把光速不变当成原理,建立了狭义相对论,重新定义了时间与空间,进而解释了光速不变性。实际上,他把逻辑关系搞反了。

下面我们给出解释:

     1、光速问题与多普勒效应本质。

 

1)、介质中光速分析:

光子在穿过介质时会与介质中的电子发生相互作用,从而产生运动速度的变化。介质的折射率与光子的角频率ω及电子的振荡角频率ω0的关系是:

     n2=1+4πNe2/mω022-iγω),

其中,N是介质单位体积内的原子数、m为电子质量、ω为光子震荡角频率、ω0是电子震荡角频率,γ为阻尼衰减系数、i是复数单位。从这里我们可以看出,同样的入射光子ω不变,当电子的能量发生变化时,ω0的变化会造成折射率的变化。当ωω0时出现光子的吸收现象,不是我们要讨论的问题。我们讨论ω˂ω0时的情况。

2)、M-M实验、菲索实验再分析:

     a、介质的两种状态:(a)、介质在容器中做定向运动,这时介质原子或分子不处于热力学平衡态。(b)、介质处于无外力场且被封闭在容器中,容器整体做匀速运动,这时介质原子或分子经历一段时间后进入热力学平衡态。

     bM-M实验、菲索实验再分析。

a、介质在容器中做匀速运动,是热运动与定向运动的叠加。从整体上看,在外力作用下的流动,使介质原子或分子沿外力方向加速,碰撞前面的原子或分子使其加速。这样,沿介质运动方向原子或分子速度大能量高,反方向速度小能量低;从微观上看,轨道电子会环绕原子核做椭圆运动——如下图所示。沿介质运动方向,虽然原子核的力场拖曳电子使其能量减小,但碰撞加速使其总ω0增大,带入上式则折射率减小,光速增加。此时辐射光子频率略大于介质静止时的频率,这就产生了多普勒效应的紫移现象;沿介质运动的反方向,原子核力场反向拖曳电子使其能量减小,且碰撞减速使其总ω0减小,从而折射率增加,光速减小。此时辐射光子频率略小于介质静止时的频率,这就产生了多普勒效应的红移现象。同热致加宽、场致加宽一样,都是轨道电子偏离了量子化能量的结果,是实在的物理过程造成的。对于非中性的介质情况是类似的。

狭义相对论的终结

这就是光子的多普勒效应的本质、及菲索实验产生的原因。在这里我们实现了多普勒效应与介质中光速的变化现象的统一。

热致加宽就是处于热力学平衡态时,各向同性的多普勒效应的叠加。

同一种介质,不同温度下与光子发生相互作用的轨道电子的能量不同,ω0不同,所以折射率不同。

在有外力场存在时,介质分子或原子的轨道电子的能量也会发生同样的变化:光谱拥有不同的数值,这就是场致加宽现象。我认为也会出现折射率的变化。

可做实验验证:

实验1:给介质加电场,测量其折射率、辐射频率的变化。结论应该是折射率同辐射谱线同步变化:沿电场方向折射率增加、谱线红移;沿电场反方向折射率减小、谱线紫移。

若既处于变速运动又处于力场中,则是两种情况的叠加。

b)、介质被封闭在容器中且没有外力场存在,容器整体在外力作用下做匀速直线运动。这时,容器中的介质在最初的加速使运动速度增加后,由于彼此间的碰撞及与容器壁的碰撞,最终会达到热力学平衡态。定向运动的动能一部分在彼此的碰撞过程中转化为体系内能、温度升高。这时介质中的各原子或分子的速度、能量、动量分配具有各向同性。因此,一方面,不同能量的原子或分子辐射的光谱不同,但与容器的运动方向无关,这就是辐射的热致加宽现象;另一方面,由于介质原子或分子的运动具有各向同性,因此,介质拥有与容器的运动方向无关的折射率。由于地球重力场较弱,我们实验室内的介质,尤其是液态或气态的,处于一种近似的热力学平衡态,因此其中的光速、光谱与地球的运动方向无明显关系。

地球大气虽然伴随地球的自转与公转高速运动着,但彼此间的碰撞使其处于近似的热力学平衡态,光速具有近似的各向同性。也没有明显的与地球运动方向相关的多普勒效应。只存在谱线的热致加宽现象。M-M实验中,真空管中稀薄的气体处于热力学平衡态,所以没有明显的光速变化。

可作实验验证:

实验2:在M-M实验中的真空管内注满任何一种介质,再测其中的光速,仍会得到光速不变现象。

其实,我们在实验室中测量介质的折射率与地球运动无关,就已经证明了这一点。

处于热力学平衡态的介质,不存在与运动方向有关的多普勒效应及光速的变化;处于非热力学平衡态的介质,存在与运动方向有关的多普勒效应及光速的变化。

一个鲜明的例证是,在塑料软管中流动的水,对容器壁压强减小在大气压的作用下变扁。而关掉水龙头后,封闭在水管中的水不造成水管变扁。这时我们说水管中的水分子处于热力学平衡态,水分子动量沿不同方向均匀分布,没有压强的变化所以没有变扁。但是要知道这时它仍伴随地球的自转、公转而运动着。

由黑子旋转测得的太阳自转是:赤道25天、极区33天;由多普勒效应测得的太阳自转是:赤道26天、极区37天。这主要是由于热运动的存在,使得其多普勒效应减弱了,由此计算出的自转速度减小造成的。

用相对论的速度叠加原理,解释菲索实验中光速的变化是不成立的。在实验室内,各种介质的折射率与地球自转方向无关。而地球自转的速度是每秒数百米,地球的公转速度是30km/s远大于菲索实验中水流动的速度。

2、光速的参照物

借助上面的分析我们发现,介质中的光速是由介质中原子、分子中的轨道电子的能量决定的。借此,我们给出光速的参照物:光速的参照物就是传播光的介质。当介质处于热力学平衡态时,光速与介质匀速运动的速度的大小、方向没有关系;当介质处于热力学非平衡态时,光速与介质匀速运动的速度的大小、方向有关,沿介质运动的方向光速增加,反方向光速减小。当我们相对于这个体系运动时,光速是可变的。

菲索实验、光性差现象的存在证明了这一点!

3、光速不变是有条件的,解释光速不变的狭义相对论没有存在的必要。

 

参考书:《天体物理学》李宗伟、肖兴华;《电动力学》梁绍荣、王雪君;《光学》母国光、战元龄。


邮箱:dxszlww@126.com


 

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