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刘朝建-永恒的活火
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原创:狭义相对论七问(1)

(2012-03-29 15:14:47)
标签:

机械运动

牛顿力学

参照物

光速不变原理

杂谈

狭义相对论七问

刘朝建

重庆金阳骑龙山庄物业公司,重庆南坪西路68号(400060)

E-mail:liuchaojiann@sohu.com

摘要:本文首先通过对光的运动与实物机械运动的对比分析论证,指出光的运动不是实物机械运动,将建立在实物机械运动基础上的力学相对性原理推广到光学中缺乏事实和理论根据,其真实性,合理性令人质疑:其次,从光学角度讲,光速不变原理与伽利略坐标变换之间并不存在不可调和的矛盾,狭义相对论之所以认为光速不变原理与伽利略坐标变换之间存在不可调和的矛盾,是因为狭义相对论把光的运动等同于了实物机械运动,把光速等同于了实物机械运动的惯性速度:第三,牛顿力学的适用范围是实物机械运动,而光学的适用范围是光的运动:第四,对迈克尔逊——莫雷光学实验科学合理的解释是应用经典光学理论,所谓经典物理学万里晴空的一朵乌云并不是经典物理学存在问题,而是把光看成是“以太”为介质的物质机械波并以此为依据验证地球相对于“以太”的速度在实验方法和原理上是错误的:第五,自然存在的空间并不会随着物质运动状态的改变而改变,也不会随着参照物的改变和参照物的运动状态的改变而改变:第六,狭义相对论的洛伦兹变换在现实中是不能自洽的:第七,现有的物理实验不能确证狭义相对论的物理结论。

关键词:力学相对性原理  光速不变原理  迈克尔逊——莫雷光学实验  洛伦兹变换

中图分类号:0412.1

 

人类的大多数制度要求人们的绝对信仰,.而科学的态度则使怀疑成为美德。

                                                         ----默顿

 

1.      光的运动是实物机械运动吗?,将建立在实物机械运动的力学相对性原理推广到光学中有何事实和理论根据?

对任何自然科学理论的认识,不仅要知其然,而且还要知其所以然,不仅要了解自然科学理论讲了什么,而且还要知道自然科学理论的理论前提和依据是什么,是通过什么样的认识方式建立起来的,只有这样对自然科学理论的认识才能是全面和深入的,狭义相对论是建立在光学的光速不变原理与牛顿力学的力学相对性原理的自然推广的基础上的,因此要 理解狭义相对论,就必须全面、正确认识光的运动和实物的机械运动,就必须全面、正确 认识光学和牛顿力学. 

光的运动和实物机械运动无论从运动的主体、运动的形式、运动的规律以及描述、刻画的方式都存在着根本的区别, 光的运动主体是电磁场, 实物机械运动主体是实物, 电磁场和 实物是两种性质、形态不同的物质,从运动形式看,光的运动是波动,而实物的运动是机械运动,波动和机械运动是物质的两种不同的运动形态,从运动规律看:光的运动遵循的是光的直线、独立、反射、折射、干涉、衍射、偏振等光学定律和规律,而实物的机械运动遵循的是牛顿力学三大定律和力学相对性原理;从描述、刻画的方式看:光的运动是以光的几何路程、光程、光速、光的传播时间、光的频率、波长等来描述、刻画的、光速是波速、是光程与传播时间之比,其大小由真空介电常数,真空磁导率决定的,光速C与参照坐 标系的选择运动状态无关,始终为一恒值,光速是标量。而对实物的机械运动是用质点、惯性质量、作用力、位移、惯性速度、惯性加速度等描述、刻画的,惯性速度是位移对时间的导数,其大小与参照系的选择和运动状态有关。而与真空的介电常数与磁导率无关,在不同的惯性系中,同一实物的惯性速度的大小、方向可能是不同的,在非惯性系中,惯性速度的大小、方向是变化的,而且惯性速度的大小、方向的变化也与作用力的大小、方向有关,惯性速度是矢量。实物的机械运动存在相对静止状态,而光不存在相对静止状态,并且光是由实物——光源产生的。因此,从对光的运动和实物机械运动的分析、比较和论证,可以得出:光的运动和实物的机械运动是两种完全不同的运动

      正因为光的运动不同于实物的机械运动,所以伟大的物理学家牛顿才将光学作为与 牛顿力学相独立的理论体系建立的,通过对光的运动和实物机械运动、光学和牛顿力学的对比分析,我们也不难得出:光的运动和实物的机械运动是完全不同的运动,光学和牛顿力学是相互独立的理论体系,因此我们有理由明确:将牛顿力学的力学相对性原理推广到光学的理论和事实依据是什么。

对实物的性质和机械运动规律描述的科学理论是牛顿力学。在牛顿力学中,对实物的机械运动的描述与参照物、参照坐标系的选择和运动状态有关,是以参照物为基准描述的,实物在自然空间中位置变化的描述——位移就是以参照物为基准的,实物的位移就是实物在空间中相对于参照物的位置上的变化. 参照物选择的改变,位移的大小、方向会随之改变,位移对时间的导数——惯性速度的大小、方向也会随之改变。实物的机械运动的描述不仅与参照物、参照坐标系的选择有关,而且与参照物、参照坐标系的运动状态有关。在所选择的参照坐标系中,实物的机械运动遵循牛顿力学定律的参照坐标系称为惯性系,否则,称为非惯性系。因此有:在惯性系中,实物的机械运动都遵循相同的力学规律(即牛顿力学定律),或者说实物的机械运动在惯性系都遵循相同的力学规律(即牛顿力学定律),即在惯性系中是等价的,这就是牛顿力学的伽利略力学相对性原理,因此牛顿力学的力学相对性原理是以实物的机械运动、牛顿力学定律、参照物的选择和运动状态为基础的,因此当我们将牛顿力学的力学相对性原理推广到其它运动形式时,我们应该分析和论证一下其它运动形式与实物的机械运动、牛顿力学定律、参照物的选择和运动状态的关系。

而光的性质和运动规律描述的科学理论是光学,在经典光学理论中,如几何光学、波动光学中,对光的性质和运动规律的描述与参照坐标系的选择和运动状态无关。例如光程是光在透明介质中的几何路程与透明介质的折射率的乗积,而光的几何路程是由光所经过的光学器件在自然空间中的几何距离决定的,它们都与参照物的选择无关,也不以参照物为基准描述的,在光学中,不仅仅是光速与参照物、参照坐标系的选择和运动状态无关,光的几何路程、光程、光速、光的传播时间、光的频率、波长以及光的直线、独立、反射、折射、干涉、衍射、偏振等光学定律和规律都与参照物、参照坐标系的选择和运动状态无关。因为它们都不是以参照物为基准描述的。参照物的改变也自然不会影响到对它们的描述。所以在经典光学理论中,如几何光学、波动光学中对光学现象和实验的计算只需要考虑光学器件在自然空间中的几何距离、几何路程、光学路径、光源特性、介质特性、实验原理等因素,而不需要考虑参照坐标系是否是惯性系,光的性质和运动规律描述 与参照物、参照坐标系的选择和运动状态,与牛顿力学定律无关,而牛顿力学的力学相对性原理与实物的机械运动、牛顿力学定律、参照物的选择和运动状态有关,而且是以此为基础建立的,因此,将牛顿力学的力学相对性原理推广到光学中显然是不合理的,是无视光的性质和运动规律与实物的性质和机械运动规律存在的本质区别,是将牛顿力学的力学相对性原理脱离实际、脱离自然、绝对化、夸大化的结果,这种对自然的认识建立在某些物理学家主观臆测上,而不是建立在客观事实的分析和论证上的,这种认识方式,显然不符合科学客观性、严谨性的要求

2.光速不变原理的认识是应该建立在光学,还是力学上?从光学角度上讲光速不变原理与伽利略变换之间是否存在不可调和的矛盾?

光速不变原理严格上也可称为光速不变定律,其真实物理含义为:光程与光的传播时间成正比,其比值为一恒值,其大小由真空的介电常数与磁导率决定,正因为光程与光的传播时间成正比,所以在经典光学理论中,是利用计算光程来实现光的传播时间的计算,从而实现对光的干涉条纹的计算.光程与光的传播时间成正比也是光的运动与实物机械运动,光速与惯性速度的本质区别之一
     在伽利略坐标变换中,时间和空间的大小保持不变,因此,在伽利略坐标变换下,物体之间的几何位置和距离保持不变,光在物体之间通过的光的几何路程,光程,光的传播时间,光所经过的介质性质(折射率)也将保持不变,自然光程与光的传播时间之比----光速也将保持不变,因此伽利略坐标变换与光速不变原理并不存在不可调和的矛盾,关键在于如何正确认识光的运动. 与光速不变原理矛盾的是伽利略速度变换法则,这并不意味伽利略速度变换法则是错误的,只不过是建立在实物机械运动,惯性速度基础上的伽利略速度变换法则不适用于光的运动

狭义相对论之所以认为光速不变原理与伽利略坐标变换存在矛盾,是因为它把光的运动看成是实物机械的运动,把光程等同于位移,把光速等同于惯性速度。实物的位移、惯性速度都是以参照物为基准描述的,参照物、参照坐标系的改变必然会使实物的位移、惯性速度的大小方向发生改变。因此在伽利略坐标变换中。实物的位移、惯性速度的大小方向是改变的,如果把光程等同于位移、把光速等同于惯性速度,则无疑会得出光速不变原理与伽利略坐标变换存在矛盾的错误结论。事实上,正如前面分析、论证的:光的运动和实物机械运动、光程与位移、光速与惯性速度在物理性质和概念上存在着本质区别。因此将光的运动等同于实物的机械运动,并以此为依据得到的光速不变原理与伽利略坐标变换之间存在矛盾的结论同样是没有事实和理论根据的,不是建立在以客观事实为依据的严谨的分析和论证上,而是主观的,依赖于直觉的认识结果

3.科学理论的适用范围是什么?

任何科学理论和结论都是建立在一定客观事实基础之上,总是在一定范围内适用,超出其适用范围,科学的真理也会变成谬论。在物理学中,经典光学和牛顿力学是两种相互独立的理论体系。经典光学理论是建立在对光的观察、实验所得到的现象、数据的分析、归纳之上,是被实践所反复验证的,是对光的性质和运动规律客观、真实的反映和描述。对光学现象、光学实验只能用光学理论去分析、计算才可能得到正确答案,而用牛顿力学的理论、计算方法不可能得到正确的结果。而牛顿力学是建立在对实物的机械运动观察、实验所得到的现象、数据的分析、归纳之上,也被实践所反复验证的,是对实物的机械运动性质和运动规律客观、真实的反映和描述,对实物的机械运动只有正确使用牛顿力学理论和计算方法才有可能得到正确答案,而用光学的理论和计算方法同样不可能得到正确的结果。然而在狭义相对论中,是用光学实验——迈克尔孙——莫雷光学实验去证明牛顿力学的完备性的。

4. 所谓经典物理学万里晴空的一朵乌云是经典物理学存在问题?还是把光看成是“以太”为介质的物质机械波并以此为依据验证地球相对于“以太”的速度在实验方法和原理上是错误 

对任何自然科学理论的实验论证,实验的方法和原理必须是正确的,实验的结果才具有客观性、真实性,对自然科学理论的论证才具有客观性、严谨性。假定是一种主观的猜测和想象,是一种尚待用客观事实验证的、既可能成立,也可能不成立的、不确定的结论,我们可以用实验验证假定是否成立,但是这并不意味着可以以假定为实验前提和依据去论证自然科学理论,科学的实验只有以确定的客观事实为前提,实验的结果才具有确定性,以不确定的假定为前提的实验其结果也是不确定的,以迈克尔逊——莫雷光学实验为例,迈克尔逊——莫雷光学实验是假定光是“以太”为介质的物质机械波,并以此为前提用迈克尔逊——莫雷光学干涉仪去验证地球相对于“以太”的速度,如果光是“以太”为介质的物质机械波是成立的,则由迈克尔逊——莫雷光学实验得出的地球相对于“以太”的速度为零的结论是成立的,如 果光是“以太”为介质的物质机械波是不成立的,则迈克尔逊——莫雷光学实验以此为根据去验证地球相对于“以太”的速度在实验的方法和原理上是错误的,由此而得的地球相对于“以太”的速度为零的结论是错误的,正因为光是“以太”为介质的物质机械波是不确定的假定,以此为根据得到的地球相对于“以太”的速度为零的结论同样是不确定的,用这种不确定的结论去验证经典物理学理论在认识方法上是不客观的、不严谨的。如果要用迈克尔逊——莫雷光学干涉仪去验证地球相对于“以太”的速度,必须首先证明光是“以太”为介质的物质机械波成立。
    现代物理学普遍认为光是“以太”为介质的物质机械波是不成立的,这实际上等于承认,迈克尔逊——莫雷光学实验以此为根据去验证地球相对于“以太”的速度在实验的方法和原理上是错误的,从迈克尔逊——莫雷光学实验中唯一能够确定的结论是:没有发现干涉条纹的移动。  
     经典物理学理论是建立在对自然观察、实践所得的客观事实的分析和论证上的,牛顿力学是建立在对自然的实物的机械运动的观察、实践所得到的现像、数据的分析和论证上的,而光学是建立在对自然的光的运动的观察、实践所得到的现像、数据的分析和论证上的,而不是建立在某种主观的假定上,不是建立在光是“以太”为介质的物质机械波的假定上的,把光假定为“以太”为介质的物质机械波仅仅是某些物理学家的主观想象,光是“以太”为介质的物质机械波不成立,这只能证明某些物理学家的主观想象、臆测是错误的,而不能证明经典物理学理论存在问题, 对迈克尔逊——莫雷光学实验科学合理的解释是用对自然观察、实践所得的客观事实的分析和论证得到的经典光学理论——波动光学和几何光学,而不是用想象出的理论——光是“以太”为介质的物质机械波或把光等同于实物的机械运动去解释,即便经典光学理论——波动光学和几何光学不能正确解释迈克尔逊——莫雷光学实验,那也只能说明经典光学理论——波动光学和几何光学尚需完善,而不能说明牛顿力学存在问题,因为光的运动和实物的机械运动是两种完全不同的运动。

   在经典光学理论中,光的几何路程是由光所经过的光学器件的几何距离决定的,而光程是由光的几何路程和光所经过的介质特性(折射率)决定的,在迈--莫光学实验中,无论迈--莫干涉仪如何运动,反射镜与半透镜的几何距离始终保持不变,而光所经过的介质特性(折射率)也没有改变,因此,光的几何路程,光程也必然保持不变,自然光程差也将保持不变,光程差不变,又何来干涉条纹的移动 

因此可以得出:迈克尔逊——莫雷光学实验并不能证明经典物理学理论存在问题,所谓现代物理学头上的一朵“乌云”——地球相对于“以太”的速度为零的结论,并不是由经典物理学理论引起的,而是某些物理学家主观假定光是“以太”为介质的物质机械波,并以此为根据验证地球相对于“以太”的速度在实验的方法和原理上是错误的,

对科学实验只有正确利用科学理论才有可能得到符合实验现象和结果的解释,然而在相对论中,不是利用建立在观察和实践基础上的科学理论--经典光学理论去解释迈--莫光学实验,而是把光主观的假定为以以太为介质的物质机械波,并以此为根据去解释迈--莫光学实验,当他们不能够正确得到符合实验现象和结果的解释的时候,他们不是怀疑他们对光的认识是错误的,不是怀疑他们对迈--莫光学实验的解释方法是错误的,而是怀疑经典光学理论,牛顿力学存在理论问题,这种认识和思维方式显然也是不客观,不严谨的。

5. 自然存在的空间是否会随着物质运动状态的改变而改变,是否会随着参照物的改变和参照物的运动状态的改变而改变

自然界中,自然物质的性质和规律是一种客观存在、自然存在和现实存在,自然科学理论只不过是对这种客观存在、自然存在和现实存在的能动反映,自然空间也是一种客观存在、自然存在和现实存在。自然空间的性质是绝对的、第一性的,它不依赖于人的观念的存在而存在。也不会随着人的主观意志的改变而改变,它能被我们感觉所感知,也能被我们所描述、模拟、刻画和反映。对自然空间性质的认识只能建立在对自然空间这种自然存在观察、实验上,而不能建立在主观想象上。

自然空间的大小是不变的,它不会随着物质运动状态的改变而改变,物质运动状态的改变只是改变了物质自身运动状态,而不会改变自然空间的大小。例如,在实验室中,将电子加速到光速,无论是加速器、地球、宇宙,它们的大小都没有发生改变,改变的只是被加速电子的运动状态。因此,认为自然空间会随着物质运动状态的改变而改变是没有现实根据的,也是与现实中对自然空间的观测是不符的。

自然空间无所谓运动或静止。因为运动的主体自然物质,是自然物质在自然空间上的运动。自然空间是运动的客体。如果自然空间是运动或静止,就会得到自然空间在自然空间运动或静止,这在概念上是“自举”的,因此,绝对静止的空间是认识上的错误。

对自然空间的描述、模拟是以人为主观假定为静止的物质——参照物为基准的数学坐标系上的。因此任何惨照坐标系都是人为主观的产物,而不是一种客观存在、自然存在和现实存在,它只存在于人的思维、观念中,它会随着人们的主观需要的改变而改变。例如,人们既可以设定地球为参照物,也可以选择太阳为参照物,这完全取决于人们的主观需要。任何参照系都是相对的、第二性的、它们都是对自然空间的模拟和反映。

参照坐标系在形式上是主观的,但是它反映的内容却是客观的真实的,即是对自然空间性质的真实模拟和反映。自然空间的大小是不变的,因此无论选择何种物质为参照物,数学坐标空间的大小都不应该发生改变,这正是伽利略坐标变换的理论基础。因此伽利略坐标变换并不是建立在某种主观的假定上,而是来自于对现实的、自然存在的自然空间性质的模拟、刻画,来自于对现实的、自然存在的自然空间的观察、实验上。

参照坐标系是三维正实空间,而不是一维、二维空间,其方向为参考方向,同样来自于对现实、自然存在的自然空间性质的模拟、刻画,来自于对现实的、自然存在的自然空间的观察和实验的结果。

狭义相对论认为空间是随物质运动状态的改变而改变的,但是相对论却没有指出是自然空间随着物质运动状态改变而改变,还是认识上的空间——参照坐标空间是随物质运动状态的改变而改变的,自然空间的大小显然是不会变化的,如果参照坐标系的坐标空间是变化的,这与自然空间大小不变是矛盾的,即参照坐标系没有能够客观、真实地反映自然空间的性质。

也有物理学家宣称狭义相对论的的空间的大小随着物质的运动状态的改变而改变结论是指对自然存在的空间的大小的观测随着参照物的改变和参照物的运动状态的改变而改变,人类对自然的观测同样是一种认识---感性认识,如果自然存在的空间的大小不会随着物质的运动状态的改变而改变,也不会随着参照物的改变和参照物的运动状态的改变而改变,而我们对自然存在的空间的大小的观测随着参照物的改变和参照物的运动状态的改变而改变,那只能说明我们对自然存在的空间的大小的观测没有客观、真实地反映自然存在的空间的性质,更何况对自然存在的空间的大小的观测随着参照物的改变和参照物的运动状态的改变而改变的结论并不是建立在业已进行的观测和实践上,其客观性、真实性、合理性本身就应受到质疑,实际上狭义相对论的空间的大小随着物质的运动状态的改变而改变的结论是建立在理论推导----洛伦兹变换的性质上的,某些物理学家宣称狭义相对论的空间的对自然存在的空间的大小的观测随着参照物的改变和参照物的运动状态的改变而改变,,是为了回避自然存在的空间的大小不会随着物质的运动状态的改变而改变,也不会随着参照物的改变和参照物的运动状态的改变而改变与狭义相对论的洛伦兹变换得出的参照坐标系的空间大小随着参照物的改变和参照物的运动状态的改变而改变之间的矛盾而作出的先入为主的解释。

狭义相对论对空间性质的认识并不是来源于对自然空间这种自然存在的观察、实验上。而是建立在主观的产物——为了调和把光速等同于实物机械运动的惯性速度而产生的光速不变原理与伽利略速度变换法则之间的矛盾,而人为“构造”的洛伦兹变换性质上,是将主观的产物——参照坐标系变换的性质客观化、绝对化的结果。正如爱因斯坦所言;“迄今为止,我们的经验证实我们有理由相信,自然是可以想象得到的最简单的数学观念的表现,我坚信我们能够通过纯粹的数学推论的方法来发现概念和那些结合在一起的规律,它是我们理解自然的关键。”这句话无疑是对狭义相对论认识观最好的体现。即自然是数学观念的表现。不是用数学方法、模型模拟、反映自然,而是自然符合数学观念、推论、模型,对自然的认识不是建立在观察、实验上,而是建立在主观的推测上。不是参照坐标系的性质符合自然空间的性质。而是自然空间的性质符合参照坐标系的性质,这无疑是将人的主观产物——数学方法、原理客观化、绝对化的结果,是将人的观念放在第一性的,自然存在放在第二性的唯心主义世界观,如果宗教是神的“创世观”,那么狭义相对论的认识观就是用科学语言——数学语言“构造”自然的人的“创世观”。

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