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时代的错误  历史的遗憾(上)

(2012-03-03 05:15:09)
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文化

物理学创新

杂谈

观念变革

简介:2008年秋,结识了北京相对论联谊会会长吴水清,二人都有“相见恨晚”之慨;尤其是关于对相对论更深层次的探讨,以及如何摆正联谊会会员相互之间交流切磋的态度,所见都很默契。

第二天他就在志杰博客上开辟了一个《论坛世界》栏目,编辑按曰:

我们在报道中曾称赞周吉善的文章风格,认为“周吉善先生的解释,给吴水清会长留下很深的印象。吴水清会长的评价是:(1)深思熟虑;(2)自圆其说;(3)有新东西;(4)指出错误,找出原因,提出办法,这是许多挑战者不能够做到的。而周吉善先生做到了。这是近年来少有的成功介绍和研究新路,值得祝贺,值得肯定,值得提倡。”

同时还说明:没有在学术上下结论,并且把评论我的文章作为“第四季度的安排”,希望会员们能够提出自己的意见,踊跃参加讨论。

我之所以看重这一点的理由是:吴会长“统领联谊会”8、9年,会员有2、3百人;大概方方面面的许多观点他都见过,是肯定不会为了“溢美”而徒托空言的。而我们国家的“科学共同体”,却绝对不会具有这样的大度。

《论坛世界》栏目相继发到四、五百期,足见影响之深、之远;刚开始时,发表的文章基本上跟我、跟相对论都直接相关,实实在在让我获益匪浅。由此让我萌生出“用另类眼光看待相对论”的明确理念,树立起“从新的角度去看问题”的决心,彻底抛开陷在数学推导的怪圈中争论不休的传统,直指“光频移”、“钟效应”两个事件进行剖析。

三年前就写成了“时代的错误 历史的遗憾”上、下篇,为我这三年来工作的进展奠定了基础—— 简洁明快地讲,就是从我把“光频移”、“钟效应”两个事件明确分开之后,隐藏在那两个公式背后的林林总总,立刻就烟消雾散、豁然开朗起来。

现在发表《上篇》,专门讨论“光频移”问题;明天发表《下篇》专门剖析跟“时间”和“钟”相关的问题。

 

 

时代的错误  历史的遗憾(上)

 

在《论动体的电动力学》(下文简称《动体》)中,A·爱因斯坦主要讨论了两个物理事件:一是动体发出的频率会随速度而改变,简称光频移;一是动体携带的,也将会有走时快慢之变化。因为这种新理论跟经典物理学的观念相左,迄今人们对它的态度依旧是毁誉参半。

笔者倾注了二十余年心血探讨的结论是,从19世纪末到现在的百余年间,自然科学属于从“直观真理”向“客观真理”转型的特殊历史时期,爱因斯坦已经完成了对“经典”的超越,而人们的认知理念却没有实现对“经验”的超越。围绕《动体》存在的诸多争议,主要是由于在这个特殊时期内,理论的积累和认知的理念都还没有摆脱经典的桎梏,当属于“时代的错误”,自然科学走这一小段弯路,也只能算是“历史的遗憾”。

围绕光频移效应的错误,可以概括为两句话:使用47年后出现的(2)式解释光现象,而隐含在47年前那个普遍适用公式背后的(1)式却与之直接矛盾;依据惯性系坐标变换把两个式子说成“并不矛盾”,却忘记了(2)式讨论在转动圆盘上的,根本就不属于惯性系范畴。

 

1. 问题的由来

1905年,A·爱因斯坦在《论动体的电动力学》中写道:

时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(上)

但是,在将近半个世纪之后,《狭义与广义相对论浅说》中却出现了:

时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(上)

 近代物理学肇始于牛顿的《自然哲学的数学原理》,400年来的物理学实践留给人们的信念是:科学规律最终必须以数学形式予以表述。

现在我们就先从纯数学的角度对上述两式做如下剖析——

讨论

1)、爱因斯坦用(1)式讨论的是“光”,ν当指频率而无疑;用(2)式讨论的是“钟”,还特意注明ν0为“时率”——仅此就足以能够说明在这两个式子中,ν和ν0所指代的并不是同一的物理量。

2)、如果(1)式中的ν和(2)式中的ν0所指的物理量相同,可以肯定两个式子不会都是正确的!如果两个式子都正确,ν和ν0就应该是两个互为倒数的物理量。

3)、依据爱因斯坦特意注明ν0为“时率”,并不难判定它不同于(1)式中的ν;而跟频率ν呈倒数关系的就只能是周期T

 

2.问题的实质

然而,在当今占统治地位的科学理论中,对光频移现象的诠释却是:

“当θ=π/2=90°,即在光源运动速度的垂直方向去观察,便回到(3.29)式,这种红移纯粹是狭义相对论效应,是(V/C)2级的:时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(上)(3)——很显然,在这里ν0是被当作ν看待的。

这种解释的背后存在两个让人百思不得其解的问题:

1).爱因斯坦明明用(2)式讨论的是,为什么必须用讨论钟的式子去解释光频移现象呢?

2).(2)式出现的时间较(1)式晚了47年,为什么必须使用47年后才出现的式子去解释《动体》中的光频移,而不能使用原著《动体》中的(1)式予以解释呢?

除了这两个既不符合逻辑、又不合乎常情常理的问题之外,我们还可以从物理学的角度、用能量守恒定律证明,如果将ν和ν0都理解成频率f,(2)式根本就不遵从能量守恒律。

无论是从数学、还是物理学的角度,都可以证明用(2)式解释光频移现象是错的!既然占统治地位的物理学理论中,存在这样一个十分严重的错误,难道说还不应该对这种理论进行一次深刻的剖析与反思吗?

 

3. 多普勒原理

近些年又出现了一种说法,认为:

“狭义相对论的光频移效应,有蓝移也有红移”。

因为这是用数理方程推出的结论,完全符合物理学传统要求,一时间不少人都认为这是对爱因斯坦的否定。笔者认为这个结论同样是错误的。

这个问题必须从多普勒原理讲起。经典物理学中的多普勒原理是:

当我们站在静止的空气中,声源朝着我们运动时,声调变尖,即声波频率增高;当声源离开我们运动时,声调变得低沉,即声波频率降低—— 也就是说当“声源运动时”,声波的频率同样也会出现“蓝移”或“红移”的现象,只不过没有使用这两个概念而已。

的相同之处在于都是以振动形式传播能量;不同之处在于声波是以粒子碰撞的形式所传递的纵波,而光波则是由于空间中的最小作用量子h(俗称普朗克常量)的振动所传递的横波

动体发出的声波或光波,较之静体都会因为“动体”所具有的运动能量而产生附加,其物理机制完全相同。但是对纵波而言,这种“附加”就只能出现在沿速度方向的一条直线上;对横波而言这种“附加”能量完全可能会分配到沿速度方向跟与之相垂直的另一个方向上去。

1905年,A·爱因斯坦在《论动体的电动力学》中这样写道:

时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(上)
爱因斯坦在这里明确指出,该式是“任何速度的多普勒原理”,当属于经典物理学的范畴而无疑。即此可以判定,所谓的狭义相对论性效应,并不能用这个(3)式去描述。

A·爱因斯坦在这里只添加了一个“观测方向与运动速度方向有夹角”的条件,基本上还可以算是原汁原味的多普勒原理,跟声波随发声体运动显示出的规律并没有本质差异。

依据(3)式中有一个包含余弦值的项,其值在0°~180°的范围内,将会出现1~0~-1的变化,光频移现象自然就会出现有蓝移也有红移的结果—— 但是,这种变化却根本就不属于狭义相对论性效应的范畴,只要有点物理学常识就都应该懂得这样的道理。

推论一:在《论动体的电动力学》中出现的(3)式,并不属于狭义相对论的内容;其实质仅仅是给出了当观测方向与运动速度方向有夹角时,多普勒效应究竟应该如何计算。依旧属于经典物理学研究的范畴。

那么,真正属于狭义相对论效应的计算式子究竟是怎样的呢?

迄今为止还没有人明确指出过,伴随着这个余弦值而变化的正弦值,在这个物理事件中肯定也要发挥作用的。

很显然,依据(3)式设定的条件,余弦值的方向跟物体运动的方向在一条线上时,其正弦值必然与之相垂直。在夹角从0°到180°的变化过程中,正弦值变化的规律是从0到1再到0,除去两个端点之外,这个正弦值始终都存在,在90°时达到最大值;而这时候的余弦值恰恰为0。

狭义相对论性效应真正的物理内涵,实际上就是这个随夹角而变的正弦值!在传统的物理学理论中,把狭义相对论性效应称为“横向多普勒频移”,就基于这样的一种物理学机制。

推论二:依据正弦值从0°到180°变化的规律可知,与狭义相对论性效应相关的值永远都不会是负数,故而所揭示出的光频移规律就只能是蓝移而决不会出现红移。

包含在《动体》中计算狭义相对论性光频移效应的公式究竟应该是怎样的,我们在文章开头就轻而易举地推导出了(1)式,其结论跟上述理论分析的结果完全一致。即在《动体》这篇文章中,狭义相对论性的光频移效应本来就是蓝移,而不是传统理论中所谓的红移!

1905年就包含在《动体》一文中、真正揭示狭义相对论性光频移效应的(1)式,跟47年之后出现的(2)式,究竟哪一个适用于解释横向多普勒频移效应,难道还需要使用数学方程予以论证吗?

结论:在《论动体的电动力学》中讨论“光”事件的(3)式,依旧属于经典物理学的范畴,仅仅是将多普勒原理在一条直线上的应用,推广到了观测方向与运动速度方向有夹角的更广阔的领域而己。

因为其中的余弦值仅仅是对多普勒效应的“附加”,故而有蓝移也有红移;实际上真正的狭义相对论性效应,仅指随着余弦值而变的正弦值。

由于从0°到180°的正弦值永远不可能出现负数,故而狭义相对论性的光频移效应就只能是蓝移,而绝不是依据47年之后才出现的(2)式得出的红移!

在传统的物理学理论中,学者们依据“(2)式适用于观测者静止、发光体运动,(1)式适用于观测者运动、发光体静止”,得出两式“并不矛盾” (4)的结论是完全错误的!实际上两式“并不矛盾”的必要条件就只能是把ν0理解为周期T ——频率f和周期T互为倒数,两个式子中的 时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(上) 项,一个在分母上、一个在分子上,正好也就决定着(1)、(2)两式中的ν和ν0呈倒数关系

 

 

参 考 书 目

(1)倪光炯等著       近代物理                上海科技出版社  1979年   P89

(2)A·爱因斯坦著 论动体的电动力学 载“影响世界的著名文献”  新华出版社  1997年  P718

(3)爱因斯坦著  杨润殷译  狭义与广义相对论浅说  上海科术出版社 1964年 P106

(4)国防科工委对黄春平院士关于周吉善理论的政协委员函的复函  委办函〔(2006)188〕附件

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