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物理学家们的数学错误(之九):迷 信 盲 从 错 误 多 多(6)

(2012-02-08 05:41:45)
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文化

杂谈

简介:在求索所谓狭义相对论效应之机制的过程中,笔者发现:牛顿范式研究的是机械能,非牛顿范式研究的是振动能;由物体放出的振动能转化为介质的振动时,由于振源有动、静之别,介质振动的频率就必然不会相同。从而在不经意处参透了多普勒效应的物理机制。

这一发现具有两重意义:首先、依据纵波和横波之分,真正弄通了横向多普勒效应的物理机制;其二、更为重要的是发现了高中《物理》教材中关于“振动能”的部分,只需要做几点必要的修改和补充,围绕当代物理存在的几个重大困惑,就可以彻底消除尽净。

 

 

物理学家们的数学错误(之九)

6

 

新理论的胜利往往不是同辈人改变了自己的看法,而是支持旧理论的一代的死亡和相信新理论的一代的出现。

   

上述这一段话,被有些人戏称为“普朗克原理”;虽然不属于自然科学的范畴,但是也确实说中了一种人文现象的基本规律。有些书中把第二句话译为“而是由于老一代的死去、年轻一代接受了她”。

笔者在深入探寻狭义相对论效应物理机制的过程中发现,在物理学发展的过程中存在一种怪现象:对于研究的物理对象,总是依据隔离法分而又分;而对于物理学理论,则总是想合而又合。在18世纪物理学理论就有牛顿范式和非牛顿范式之分,后来不仅将二者混为一谈,最终还发展到要建立一种“大统一”理论,试图用一组方程描述宇宙中所有物理现象的规律。

【1】. 求索相对论效应的物理学机制

物理学本来就有牛顿范式非牛顿范式之分,围绕所谓“相对论”出现的诸多困惑和悖论,根源就在于将这两种范式混为一谈。

牛顿范式物理学研究的是“能被看到和摸到的感官知觉的对象”(爱因斯坦语),依据“力”可以改变物体运动状态的原理,去描述物体运动的规律;而非牛顿范式物理学所描述的则是由热、光、电、磁作用所导致现象的规律—— 现在已经非常清楚,后者所研究的对象都跟辐射能ε直接相关。

如果立足于两种范式所研究的“能量不同”去考察,就不难发现:

牛顿范式物理学所描述的是物体自身的能量在相互转移时所遵从的规律;而非牛顿范式物理学所描述的则是物体放出的能量,在介质中以振动波形式传递时的规律—— 物体自身的能量~物体放出的能量,二者肯定存在本质差异,也就决定着不会遵从完全相同的规律。

在牛顿力学中,能量转移都是由两个物体通过碰撞实现的,遵从动量守恒定律;而转化则指物体自身的动能与静能(即势能)的相互变化。

多普勒原理所描述的,已经是对牛顿范式物理学的超越,迄今学术界都没有意识到这一点;因为声能就是由物体放出的(不是具有的)能量、转化为振动能凭借分子的碰撞在传递。该原理的物理学机制是:

运动物体自身的动能,对由它放出的、以振动形式在介质中传递的声能,在振动频率上一定有所附加;因为速度是个矢量,这种附加自然就会有正、负之分,具体表现为在频率上有增大或减小之别。

据此可知,《论动体的电动力学》揭示出的则是:

光能从物体中放出时,不但遵从多普勒原理,而且在与速度相垂直的方向上,同样又会出现附加—— 因为声波是纵波,而光波却是横波。

从牛顿范式自身的能量通过碰撞转移;到发声体放出的能量转化为振动能传递时,发声体的动能在振动频率上会有所附加(即多普勒原理的物理机制),已经实现了第一次对经典观念的超越,但是迄今理论界还没有人明确指出过这个问题;再到物体放出光能(即横波)时,物体的动能在垂直于速度的方向上,对频率又会有所附加,就又实现了第二次的超越—— 物理学从描述物体自身的动能,到由它放出的振动能;再到由纵波变为横波,规律不尽相同本来就是天经地义的嘛。

但是,由于人们的认知理念一直“以牛顿力学为典范”,就导致了学界在一百多年间不能正确理解和对待《论动体的电动力学》—— 物理学不注重严格区分“能量”之不同的传统,即是产生观念混乱的最根本原因之一。

【2】. 振源有“动-静”之分

由于笔者具有讲授中学《物理》几十年的经验,很快就发现高中《物理》关于“振动能”的内容存在着缺陷和错误。

高中《物理》课本上写道:

“简谐振动的能量跟振幅A的平方成正比。写成公式即为:

物理学家们的数学错误(之九):迷 <wbr>信 <wbr>盲 <wbr>从 <wbr>错 <wbr>误 <wbr>多 <wbr>多(6)”。

很明显,在振源放出能量转化为振动能时,介质接收到的能量就有两种情况:振源静止时只有物理学家们的数学错误(之九):迷 <wbr>信 <wbr>盲 <wbr>从 <wbr>错 <wbr>误 <wbr>多 <wbr>多(6),振源运动时就应该是物理学家们的数学错误(之九):迷 <wbr>信 <wbr>盲 <wbr>从 <wbr>错 <wbr>误 <wbr>多 <wbr>多(6)+ 物理学家们的数学错误(之九):迷 <wbr>信 <wbr>盲 <wbr>从 <wbr>错 <wbr>误 <wbr>多 <wbr>多(6)的总和。

1842年多普勒发现:声源朝着我们运动时,声调变尖,即声波频率增高;声源离开时,声调变得低沉,即声波频率降低—— 也就是说当声源运动时,我们听到的声音都会“失真”。而书本中讲授的,则全是声源静止是的情况;从而造成百余年过去了,都还不清楚多普勒效应产生于什么样的物理机制。

如果假定M为直接跟音叉碰撞的空气分子,且空气分子间的间隔皆相等;当音叉相对于空气有速度时,M与音叉碰撞的周期就必然会发生变化。

设M到叉股平衡位置的距离为L,振幅为A,周期为T0,且振动速率u=4A/T0,其中L=A;则M与叉股的碰撞周期T=4L/u=T0

如果音叉相对于M有速度为v,二者碰撞的周期将变为T=4L/(u+v);v取正值则得T﹤T,取负值则得T﹥T,分别对应于声源向着或背着观察者运动的两种情况—— 即当声源向着观察者运动时,介质波的频率将大于音叉的固有频率,背着运动方向的空气振动频率将小于固有频率。

即此可知,当声源相对于介质有速度时,介质波的频率与声源频率就已经不再同步。耳鼓接收到的只能是作为介质的自由粒子“随机的固定频率”,此时由空气传播的声音就必然会“失真”。

小结:传统物理学把牛顿范式和非牛顿范式混为一谈是不恰当的;实际上只需要把能量分为“自身的”机械能和“放出的”振动能,承认这两种能量相互转移的过程中,并不遵从与经典力学完全相同的规律—— 即在振源静止振源运动的两种情况下,介质分子的振动频率就必然会不尽相同。

简言之:介质没有确定的振动频率;相对于振源之不同,介质所传递的振动能,在量值上不仅都会存在差异,而且跟速度方向相关。

看来,要想让“新一代”尽快“出现”,摈弃掉旧理论中的错误、而接受新的更加精确的科学理论,就必须从“中学生”开始;迫在眉睫的任务就是,立即着手修订从西方翻译过来的基础物理教材中存在的先天性错误。

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