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光速的参照物

(2017-03-01 10:37:34)
分类: 理论探索

光速的参照物

作者:刘文旺

在我的“狭义相对论的终结”(见《格物》2016.5或我的博客)一文中,给出了光的参照物,但是说的太简单,先补充说明如下。

一、光速与麦克斯韦方程组

电磁理论是人们研究的最成熟的理论,现阶段,人们已经将电磁相互作用与弱相互作用很好地统一了起来,为实现大统一理论GUT或全统一理论EUT奠定了基础,或说指出了方向、提供了模板。

当然。麦克斯韦方程组中的方程,是在经典物理学发展过程中,有过名科学家在不同的时间、地点完成的。但是,这时的电磁学理论相当繁琐,语言描述、数学表达式复杂多样,尤其是,由于对电磁学做出巨大贡献的法拉第的数学很差,他总是用大量的图片来描述其发现的事实,其中场的概念,首先由他发明并以大量的图片来加以描述。麦克斯韦数学比较好,并且善于归纳,就把这些理论用一个方程组的形式表达出来。内容简短,鲜明。尤其是通过其方程可以推导出电磁波的运动速度。

光速的参照物

麦克斯韦

我们简要介绍如下:

在麦克斯韦诞生以前的半个多世纪中,人类对电磁现象的研究取得了巨大的成就:1785年,CA.库仑在扭秤实验结果的基础上,创建了我们熟知的描述电磁相互作用的库仑定律。1820HC.奥斯特在给学生上课时,偶然发现通电导电能使小磁针偏转,从而把电与磁两个现象统一了起来。其后,AM.安培研究了电流之间的相互作用力,给出了安培环路定律。特别值得一书的是M.法拉第,他从一个小图书装订员,通过努力自学,给科学进步带来了巨大的冲击。他的工作在很多方面有杰出贡献,1831年发表的电磁感应定律,使电机,变压器等设备的出现成为可能。

说明: https://imgsa.baidu.com/baike/crop=0,86,500,330;c0=baike80,5,5,80,26/sign=4ef32ee0c095d143ce39be634ec0ae3a/3812b31bb051f8198a4cc1a9d2b44aed2f73e7ec.jpg

法拉第

我们总是说电气时代,电车、电话等极大地方便了我们的生活。但是没有法拉第,这一切都不会出现。法拉第的发现,使我们知道了怎样把机械能等转化为电能。

在牛顿时代,人们就发现,相互作用若没有中间物的存在,就会是一种超距作用,人们一把都反对这种现象。法拉第也是这样。牛顿等人认为是一种被称为以太的物质起着传递力的作用。他认为上述这些相互作用与中间媒质有关,是通过中间媒质的传递而进行的,即主张场传递了相互作用。到了1845年,电磁现象的三个最基本的实验定律:库仑定律1785年),毕奥-萨伐尔定律1820年),法拉第定律1831-1845年)已被总结出来,法拉第电力线磁力线概念已发展成电磁场概念

麦克斯韦继承了法拉第等前人的观点,参照流体力学的模型,应用严谨的数学形式,并提出了位移电流的假说,将电磁场基本定律归结为四个微分方程——麦克斯韦方程组。他对这组方程进行了分析,预见了电磁波的存在。

1887HR.赫兹用实验方法产生和检测到了电磁波,证实了麦克斯韦的预见。

说明: http://h.hiphotos.baidu.com/baike/s=220/sign=f5f6e63ed7ca7bcb797bc02d8e0b6b3f/5882b2b7d0a20cf4b655212276094b36adaf9902.jpg

赫兹

麦克斯韦方程组的积分形式如下:

说明: https://imgsa.baidu.com/baike/s=187/sign=e5d400b158afa40f38c6cad59c65038c/9f2f070828381f307f003a2aab014c086e06f01c.jpg

这是麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个方程,习惯上,被称为麦克斯韦方程组。

人们通过求解麦克斯韦方程可得出光运动的速度:

在介质中:C=1/(με1/2           1

在真空中:C=1/(μ0ε01/2          2

把真空中的μ0ε0带入(2)式可能真空中的光速大约是:2.99792458×108m/s

二、参照物

自从牛顿时代开始,时间与空间逐渐具有了数学特征。描述物体的运动开始有了坐标系。这其中,人为地引入了描述物体运动状态的标准物——参照物:描述物体运动时,认为引入的假定不动的物体。

说明: 说明: 说明: C:\Users\Administrator\Desktop\综述.files\image026.jpg

这是一件很自然的事,我们说行走的车、静止的人、飞行的飞机等,都是无意中以地面作为参照物的。当他们相对于地面有空间位置的变化时,我们就说,他们在运动,否则就说他们处于静止状态。

当然,这样的选择时的运动具有了相对性。比如,在月球上的人会发现,地球在运动,这样在地面静止的物体的静止状态就值得怀疑了。

可见,在描述物体的运动状态时,参照物只是一个标准物。他的引入只是在有限的空间范围内,方便描述物体间的相对运动状态。

在现代物理中,为了方面,空间往往以坐标系的形式存在(坐标系的观点,最早由笛卡尔引入)。参照物往往成为这一坐标系的原点。

参照物的应用非常广泛,一些民用、军用的目标的空间坐标,必须选择参照物建立。在地质学中现代的卫星探测,必须有一个坐标原点做参照物,从而得知板块的运动方向及运动的速度。卫星找矿的坐标也要有一个参照物作为位置的坐标原点。巡航导弹攻击目标前,仙桃在电脑中输入目标的坐标。巡航导弹就按照既有的参照物标识的目标飞行。

说明: C:\Users\Administrator\Desktop\u=3839979160,256870964&fm=21&gp=0.jpg

参照物的具有任意性。上述的军事目标可以是一个小山头、小树林等。

三、光速的参照物

但是,从麦克斯韦方程组推出的光速的攻势本身并没有给出光速的参照物。

其实,这也是必然的,这是因为,麦克斯韦方程组所描述的定律适用于所有的时间与空间,与具体的空间位置没有关系。

那么,光的运动速度等于2.99792458m/s是相对于谁的运动那?

其实这本来不是一个什么问题,在空气中声速是341m/s、在20摄氏度的纯水中的运动速度是,1482.9m/s、在水银重的速度是1451m/s。大家想想这些速度的参参照物是谁?很简单,就是空气、水、水银。

我们知道,机械振动在介质中的传播。因此,波速就是相对于传播机械波的介质而言的。

同样,光进入到介质中时,也是与介质发生相互作用的。这一相互作作用的存在,使得介质中光的折射率为:

n2=1+4πNe2/m(ω02-ω2-iγω),

在我的博文“对光速不变的诠释”一文中,我们具体讨论了在介质中光速的变化情况。从而,解释了为什么在菲索实验中光速与水的运动有关,而在M-M实验中光速与地球的运动没有关系。因此,我们可以得出如下的结论:

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:

1722年,布拉德雷使用焦距达212英尺的航空望远镜测量了水星的直径。不久,他又开始和塞缪尔·莫里纽克斯一起试图观测天龙座γ星的视差。依照理论,视差的存在会导致天龙座γ星呈现一种每年反复的环状运动,计算表明,视差的存在会导致该星应该在十二月位于最南的位置,六月位于最北的位置。而布拉德雷和莫里纽克斯发现该星呈现出另一种完全不同且难以解释的环状运动,在三月位于最南,九月位于最北。

一次,他在泰晤士河上乘船时发现,虽然风向没有发生变化,船上的一面旗子却改变了朝向,船主的解释是:因为船的行进方向和速度发生了变化。布拉德雷马上就来了灵感,他意识到这种环状运动是由光行差造成的。即他们观测到的环状运动可能是因为地球的轨道运动所致。经数学推导,布拉德雷发现光行差的常数是在20秒和20.5秒之间,证明了自己的推测。

说明: https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1488850598&di=c43e175aea50382402fb0bf5fede08dc&imgtype=jpg&er=1&src=http://img155.poco.cn/mypoco/myphoto/20090716/17/5210601120090716172539024.jpg

美丽的泰晤士河

当然,这也是很容易理解的。

下雨的时候,如果没有风的存在我们站立雨中,很自然手中的雨伞要直立握在手中,挡住从天而降的雨点;而当我们行走的时候,我们会改变雨伞的方向,把手中的伞倾向行走的方向。尤其是,我们坐在私家车中观察下落的雨点会发现,雨点在车的玻璃上的痕迹是向后倾斜的,倾斜的角度随车速的增加而增大。

 

完全一样地,由于天文观测者是在地球上,随地球一起运动,这时他所看到的星光方向,就与假设地球不动时所看到的方向不一样,而是倾向于天文观测者或者说是地球运动的方向。地球的公转速度约为30公里/秒,光速30万公里/秒,由此光行差带来的角度变化大约是几十角秒。

光速的参照物

光行差现象

当我们相对于太阳的光有运动时,光想对于我们的运动速度满足经典意义下的速度叠加原理。

这一点,我们本来很明白,只是由于上世纪迈克尔孙-莫雷实验发现,光的运动速度与地球的运动没有关系后,我们一下子陷入了茫然状态。再加上爱因斯坦相对论的诞生,时间与空间概念的变化,使我们对时间与空间产生了陌生感。什么同时性的相对性,弯曲的时间与空间、虫洞等概念的出现。搞乱了我们的正常的思维。

在相对论中,是用速度叠加原理来解释菲索实验的,这其实存在的问题很多。首先,M-M实验得出的光速不变是在真空中进行的,因此,相对论中的光速不变原理只能适用于真空中,因此,在此基础上建立起来的狭义相对论只能在真空中成立,爱因斯坦并没有给出在介质中仍成立的解释(需要说明的是,我建立了介质中的狭义相对论,从这理论可推出爱因斯坦狭义相对论的全部);另一方面,即使相对论适用于真空中,这时,真空中的光速不再是C,而是C/n,因此,出现在速度叠加公式中的光速应该使C而不是c/n。因此,用取代代入速度叠加公式:

ux=(uxˊ+v)/(1+ n²vuxˊ/c²)(公式来源于“狭义相对论的终结”《格物》2016.5或我的博客)

得到的结果是不同的。尤其是在介质拥有很大的折射率时。

还有,把光速带入带狭义相对论的速度叠加公式中,我们会得出光子相对于光子的运动速度是光速C。这是不可能的。从太阳发出的不同颜色的光子,在真空中拥有同样的运动速度,我们并没有见到,光子之间互相出超越的现象,而且这也违背光速是一切物质运动速度的极限的狭义相对论理论。我们更没有见到太阳发出的光是一个个独立传递出来的。那要太阳发出现有的光度,还不把太阳“累死”。

对相对论的否定,使我们对时间与空间的认识重新回到了它的本来状态。经典意义下的时间与空间、运动速度的叠加原理仍是成立的。

邮箱:dxszlww@126.com

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