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时代的错误  历史的遗憾(下)

(2012-03-04 06:08:34)
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文化

观念变革

物理学创新

杂谈

每秒钟

简介:围绕《论动体的电动力学》出现的跨世纪错误,根源就在于把“光频移”、“钟效应”混为一谈,误认为“频率和周期没有不同”—— 亚里士多德认为数学物理学不是完整的物理学,这种观念是对的;但是,现代的物理学家们则认为“数学万能”,没有数学模型他们就不愿意跟你讨论问题。

围绕“钟”和“时间”的百年争议,问题就出在把tT混为一谈。

经典物理学理论中使用的t,是从事件开始到终结钟上所记录的秒数

t’=t时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下) 是洛仑兹推导出的经验式子,早在《论动体的电动力学》问世之前,“动钟变慢”的说法就已经存在。很显然,洛仑兹变换中的t,指钟所记录的数值而无疑。这个式子的意思即是:当运动物体的速度变大时,该物体所携带的钟记录的t’就变小——这里的t是用于计量“时间数值”的数学量,其单位是表示“时间间隔”长度的“”。

对于《论动体的电动力学》中的τ=t 时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下) ,爱因斯坦本人的解释是: “这只钟所指示的时间(在静系中看来)每秒钟要慢1- 时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下) 秒”。

仔细推敲爱因斯坦这句话,并不难发现他在这里不是讲“钟…要慢”,而是指“时间……每秒钟要慢”—— 即时间T(每秒钟),也就是主动作用于“钟”的物理量g将会发生变化,从而导致钟的读数也发生改变(具体是哪个量变大、哪个量变小,读者可以自己琢磨)。

为了彻底搞清楚错误的根源,笔者还写了“评注《论动体的电动力学》”一文,其中对爱因斯坦的这一句话,是这样评述的——

评注:仔细推敲A·爱因斯坦的上述说法,并不难发现他在这里不是讲“钟……要慢”,而是指“时间(在静系中看来)每秒钟要慢”—— 也就是物理学量纲式中的时间T将会“变短”,即时间T“每秒钟”要减少 时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下)

秒。

对于“要慢”这种说法,笔者见过“延滞”、“推迟”、“拖后”等几种译文,觉得都存在着“语言学”上的错误。

因为本人不具备查阅外文的条件,姑且就译文而论,如果“要慢”的译文符合爱因斯坦的原意,就说明爱因斯坦对自己的母语学得不怎么样;如果是译文不符合原意,那就是翻译者的中文欠佳。

中文的遣词造句都是很讲究的:

“快、慢”二字,只能适用于“钟”;对“每秒钟”而言,只能使用“变长、变短”,或曰“增加、减少”,正像上一段文字中笔者所使用的说法“时间T‘每秒钟’要减少”——无论是原文还是译文,在这里使用“慢”字都是不确切的,这是其一。

其二是,“每秒钟要慢1-时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下) 秒,或者……要慢 时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下)秒”的说法,就很容易带来观念上的混乱。

如果将第一句话中的“要慢”改为“将变为 时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下)秒”,即先讲“变为多少”,再讲“减少多少”,就更容易让人清晰明白地理解上式的物理学内涵了。

其三是,作为量纲式中最基本的时间单位“每秒钟”要“变短”,钟的读数t必然将变大,量纲式中的时间T跟钟所记录的时间t,是呈倒数关系的——在传统的物理学理论中,这一点可从来就没有人指出来过。

现在将这一段文字转录于此,可能会对理解本文有所裨益。

 

 

 

时代的错误  历史的遗憾(下)

 

 

在()中我们剖析了与光频移相关的物理事件,重点阐明了在《论动体的电动力学》中直接出现的式子依旧属于经典物理学的范畴,而所谓的狭义相对论性效应,则是隐含其中的那个正弦值;现在来讨论与第二个物理事件钟~时间相关的问题。

 

首先应该搞清楚的是时间关系

伽利略依据单摆周期T的等时性发明了摆钟,早已属于常识性知识的范畴;但是迄今为止人们都没有弄清楚时间之间究竟是什么关系。

依据单摆公式时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下)可知,单摆周期T的长短是由g决定的一个物理量,换句话说即是:T是g作用于单摆的直接显示,g即是使单摆得以周期性振动的主动因;由钟显示的数值t完全属于被动记录的结果。

如果我们认定摆锤完成一次全振动的时间间隔长度为1秒,那么,所谓的时间T即是由g作用于摆锤之物理效应的直接显示。

犹如温度计显示的数值,是某一特定区域能量ε密度的效应完全相同。

综上所述,时间T能量ε都是直接参与物理事件过程的作用量(即物理量),而钟和温度计都只不过是被动地记录这些物理量数值的一种仪器而已。关于时间T和钟,还存在如下这种特定的关系:

在某一确定的时间范围(比如一昼夜)内,时间间隔T越大,钟所记录的数值t就越小,即时间间隔时间数值呈倒数关系;前者具有物理学意义,而后者只有数学、而没有真正的物理学意义。物理学量纲式中的时间T,指的是时间间隔,而不是钟所记录的时间数值t

伽利略变换中的t=t’,是经典物理学描述运动的基础;其意指的是任何一个参考系中的均“读数一致”,同时也就确认了任何一个参考系中的g均相等,可记为g=g’。但是,经典物理学还告诉我们:

同一台钟放在不同高度或纬度,在相同的时间范围(比如一昼夜)内,其读数t却均不相同。亦即是说在空间中的不同位置,根本就不存在g=g’的关系—— 在传统的物理学理论中,这一点就一直是个常识性空白

在《论动体的电动力学》问世之前,人们依据洛仑兹推导出的经验式子t’=t 时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下) 早就提出了“动钟变慢”的说法。洛仑兹变换中的t,很显然指钟所显示的数值而言,这个式子的意思即是:当运动物体的速度变大时,该物体所携带的钟记录的t’就变小——这里的t是用于计量“时间数值”的数学量,其单位是表示“时间间隔”长度的“”。

在《论动体的电动力学》中出现的则是τ=t 时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下)(1)

狭义相对论问世之后,围绕时间的观念变化表现为:

“时间坐标和空间坐标一样,都是相对的,没有一只绝对的、通用于一切惯性系的‘钟’,每个惯性系都必须使用自己的‘钟’来测量属于本参考系的时间坐标”(2)——即不同参考系中各自的g都不相同,由之作用于同一台(或构造和精度完全相同的)钟,其读数也必然会不同。

故而“每个惯性系都必须使用自己的‘钟’”。

“相对论终结了绝对时间(指任何参考系的“钟”均“读数一致”——笔者)的观念!这样,每个观察者都有自己所携带的钟测量的时间,而不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致”(3)—— 这种说法已经更为明确,“同样的钟”对不同的参考系而言“读数不必要一致”,所指即是“时间间隔本身不一致,而不是比较两个参考系的中“钟”。

因为“钟”这种机械用于记时完全是被动的,决定“钟”快慢的物理量,则是不同参考系中彻都不尽相同的g。

经典物理学的时间观念是:不同参考系中的“钟读数一致”,即伽利略变换的t=t’,实际上这只是一种近似;狭义相对论则强调“使用同样的钟”,突出强调了在不同参考系中的g≠g’,实质上是其周期T≠T’。

《论动体的电动力学》中的式子出现之后,物理学界曾经有一场非常激烈的争议,焦点为:依据洛仑兹的式子“动钟变慢”属于观测效应,依据爱因斯坦的式子则应该是物理效应。持不同观点的两派各展其能,促使物理学理论得到了长足的进步,最终却谁也没有能够说服对方。

后来就又出现了把“动钟变慢”形象地称为“时间膨胀”的说法。

时间“间隔”和时间“数值”,这是两个完全不同的概念,比如在一定的时间范围(假设一昼夜)内,作为计量“时间间隔”的单位越大,所记录的“时间数值”就必然会越小。因为二者呈倒数关系,在物理学理论中,是绝对不允许将它们混为一谈的。

《伯克利物理教程》中对“膨胀”的定义是:“从通常意义上讲,‘膨胀’这个词的意思是指大过正常尺度。联系到时钟时,它指的是时间间隔加长”—— 讲得具体一点就是,所谓的“时间膨胀”,指的就是钟摆完成一次全振动的周期T将会“加长”,钟所记录的“时间数值t”就必然会变小;这个定义跟上述关于“动钟变慢”的由来,从表面上看并不矛盾。

但是,依据定义中的“大过正常尺度”和“时间间隔加长”,上述由洛仑兹的式子得出“动钟变慢”就不能成立;因为上式中的t’,很明显是随着速度增大而“变小”,并不符合“大过正常尺度”的条件。

很显然,在洛仑兹的式子背后还存在一个t呈倒数关系的物理量!

仅依据“时间数值t’ 变小”就得出“动钟变慢”,其条件并不充分。

联系100年前的那场“动钟变慢”到底是观测效应还是物理效应之争,结合上述的分析讨论,基本上可以判定洛仑兹变换式中的t’ 指的是时间数值,爱因斯坦给出的那个式子中的τ指的是时间间隔;前者是一个数学量,当属于观测效应而无疑,后者是一个物理量,实质即属于物理效应——争论双方的观点都是对的,只因为当时的理论水平所限,故而任何一方都无法拿出让对方信服的确凿论据来。

即使是爱因斯坦本人,对自己那个式子的解释也是:

“这只钟所指示的时间(在静系中看来)每秒钟要慢1-时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下) 秒”(1)

仔细推敲爱因斯坦这句话,并不难发现他在这里不是讲“钟…要慢”,而是指“时间……每秒钟要慢”——即时间T,也就是主动作用于“钟”的物理量g将会发生变化,从而导致钟的读数也发生改变(具体是哪个量变大、哪个量变小,读者可以自己琢磨)。

 

当我们对爱因斯坦1905年到1952年的“心迹”深入探寻之后,发现上述这句话很可能作为一块“心病”,使他直至老死都不能完全释然。

首先,在《论动体的电动力学》中同时出现光频移和时间可变的两个式子,他肯定意识到了这两个式子之间一定存在着某种关系;但是因为当时的理论水平所制约,却根本就无法在光的频率ν和时钟记录的秒数t之间,建立起相对应的逻辑关系——这是一直困扰他几十年的问题之一。

其二、在相对论出现之前,人们依据洛仑兹变换已经提出了“尺变短、钟变慢”的说法,如果“尺变短、钟变慢”是真实的物理现象,建立狭义相对论所依据的光速不变原理就不能成立——因为物体以接近光的速度运动一定时间之后,用“变短”的尺去量度距离所得到的“数值”必然变大,而由之所携带的“变慢”的钟所记录的“数值”必然变小,其结果将是L/t﹥C!

建立狭义相对论所依据的光速不变原理将直接被推翻——这个问题恐怕就是他后半生一直郁郁寡欢的根本原因。

其三、爱因斯坦对上述问题苦苦思索了四十七年之后,大胆地提出“我们可以将发出光谱线的一个原子当作一个钟”时,肯定已经意识到了在《狭义与广义相对论浅说》“附录”中出现的式子 ,其中的ν0并不是频率ν,也不是时钟所记录的时间数值(即秒数)t,但是一时间却又无法确定到底应该如何称谓,于是就别出心裁地把它叫做“时率”。

实际上当时他如果意识到,只要将ν0认定为表示时间间隔长度的周期T,就可以跟他那表示横向多普勒频移的公式完全一致,而后围绕狭义相对论出现的诸多错误,恐怕早就能够得以幸免了。

然而,这个问题却不应该由爱因斯坦负责,而是历史使然的结果。

因为在作为计量时间间隔长度单位的秒长,周期T之间建立起确定的对应关系,是在爱因斯坦谢世12年后的1967年。

第十三届国际计量大会批准,“秒等于铯133原子基态的两个超级精细能级之间跃迁辐射周期9192631770倍的持续时间,称为原子秒”;但是,这里所谓的“秒”,究竟是指“秒长”还是“秒数”,直到今天即使是那些专业的物理学家们,恐怕在应用时也很少有人认真思考过这样的问题——围绕着这个问题的“以讹传讹”,自然也就成为了历史之必然。

秒长T指真实的时间间隔的长度,是一种与g直接相关的绝对的客观存在;秒数指时钟记录的数值t,是时钟被动地受到客观存在g的作用记录下的结果。能够发挥物理作用的只能是表示时间间隔的物理量T,而时钟所记录的数值t却只有数学、而没有物理学意义。

犹如在电学中真正发挥物理作用的只能是电荷的移动形成的电流I,而绝对不会是安培计所记录的数值A;在热学中能够真正发挥物理作用的只能是辐射能ε,而绝对不会是温度计所记录的数值℃。

综上所述,出现这种观念混乱的直接原因,就来自于学界没有人认真仔细地对频率f周期(即秒长)T时间数值(即秒数)t三者之间的关系进行深入的剖析与甄别,进而对之做出恰当而合理的逻辑定位

 

在《论动体的电动力学》中,爱因斯坦写道:

时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下)(1)

爱因斯坦在这里已经明确赋予“这只钟的位置”这个条件,其中已经包含着与g直接相关的内涵;需要提请注意的是,讨论与相对论相关的问题时,必须彻底抛弃经典物理学的传统中认为g=g’的常识性错误。

在运动中由“这只钟”所记录的时间数值究竟变与不变,却并非由钟本身、而是由客观存在的g来决定的。假定“这只钟”在静止状态时完成一个周期的时间间隔为1秒,而当它运动时同样完成一个周期则成了t 秒—— 很明显,上述式子的真实含义,就只能被理解为变化的是秒长、而不是秒数!换个说法即是:式子左、右两端的τt,分别指的是“同一台钟”在运动或静止两种不同状态下、被动地完成一次全振动的时间间隔;绝不是对运动或静止两个参考系中两台钟的比较。

上述引文“每个惯性系都必须有自己的‘钟’来测量”的说法,使人想到的是用不同的钟,依旧没有跳出经典物理学认为“任何参考系中的钟均应读数一致”的樊篱;“不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致”这种说法,已经明确告诉我们:观察者携带着同一台钟,在静止或运动两种参考系中所得到的“读数”,并“不必要一致”——前者是依旧站在经典物理学的立场上去解释相对论效应,故而使人越听越糊涂;只有后者才道破了狭义相对论性时间效应的实质,即爱因斯坦这个式子真实的物理意义就是时间间隔T变小,钟所记录的数值t必将变大——正确的说法即是“动钟变快”,或曰狭义相对论性时间效应是“时间收缩”,而不是传统所谓的“时间膨胀”。

在《狭义与广义相对论浅说》“附录”中出现的那个式子,讨论的是在转动圆盘上的,其中的ν0和这里的τ完全相同,均指时间间隔T而疑。

爱因斯坦在47年前、后得出的这两个与钟相关式子的物理意义完全相同,只是因为在那个历史时期内,学界还没有在作为时间间隔长度的秒长周期T之间建立起相对应的逻辑关系,才使得对狭义相对论性时间效应的认知,以讹传讹地一直延续了整整一个世纪。

《论动体的电动力学》中讨论的第二个物理事件,针对的是“同一台钟”在静系或动系中完成一次全振动的时间间隔之关系。

传统却以比较两台钟快慢予以解释,是经典物理学时间观念的延续。

 

综上所述,《论动体的电动力学》和《狭义与广义相对论浅说》中的

时代的错误 <wbr> <wbr>历史的遗憾(下)

第一个适用于解释光频移现象,后两个则适用于解释时间间隔变化的效应,绝不应该将它们混为一谈。

 

参 考 书 目

(1)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、710

(2)倪光炯等著       近代物理              上海科技出版社  1979年   P38

(3)(英)S·霍金著  许明贤等译  时间简史  湖南科技出版社  2005年   P28

 

 

 

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