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光速恒定!爱因斯坦的解释,让人信服四川快乐

X0=X Y0=Y Z0=Z

直到1884年,奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯以矢量分析的形式重新表达,才有了现在我们所看到的麦克斯韦方程组!

光速

牛顿万有引力和广义相对论的适用条件是忽略自旋,无绕率的连续的平直空间才成立,对于高速自旋的天体和粒子误差明显,即在没有扭量的情况才对,什么是扭量,以电场线为例简单说明一下,若把电场线看成一个细钢条,把它拧成弹簧状,即扭量。

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光速恒定

为了解释迈克尔逊-莫雷干涉实验的结果,洛伦兹根据他本人的电子论,提出了运动使长度收缩的假说,并导出了洛伦兹变换公式。他认为由于运动,物体中沿运动方向的电子之间的距离稍稍变小,所以物体沿运动方向的长度稍稍变短了,这是一种绝对的缩短。爱因斯坦虽采用了洛伦兹变换公式,但其理解与洛伦兹相差甚远,二人发生了争论激烈,各不相让,爱因斯坦认为,由于运动是相对的,洛伦兹变换所体现的长度收缩也是相对的;这种缩短,只是一种时空效应,并非是哪一根刚尺真实地缩短了。熊玉科的思想是他们的两人的解释都对,当天体、磁体和带电体运动时,它们的引力场、电场和磁场一同运动,实体和场均有洛伦兹收缩,有两个洛伦兹收缩。

他建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来,是19世纪物理学发展的最光辉的成果,是科学史上最伟大的综合之一。可以说,没有电磁学就没有现代电工学,也就不可能有现代文明。

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为了使相对论兼容统计力学,必须考虑自旋运动,论证如下:下面做一个理想实验,将一个正方体悬挂在一个飞船内,飞船以接近光速的速度飞行,依照狭义相对论,在x的方向上有洛伦兹收缩,垂直运动方向y和z的方向上没有。

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下面讨论场的洛伦茨变换,在XOY上画个圆,同时画许多直径,那么,直径会弯曲成下图形状,ω越大弯曲越厉害,狭义相对论认为直径与运动方向垂直,所以长度不变,显然不对,假设沿半径放置的直尺没有尺缩效应,沿半径方向上放置一个长度为5c/ω的直尺,请问末端的线速度是多少?五倍的光速?不可能!处于转动的非惯性参照系,会对周围的时空产生拖曳效应,也叫兰斯蒂尔效应,因此,直径也会产生拖曳而变弯,如下图,直径变弯后,直径即有横向还有纵向速度,横向分量必然有洛伦茨收缩,而在广义相对论中认为直径的方向的量杆因为垂直运动方向,在这里特此说明,但是一定会变弯,都会遵守光速极限原理,在自旋参考系中

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伽利略的相对论原理是说,凡是在一个参考架构成立的力学定律,在其他与之相对一致运动的参考架构中也都成立。爱因斯坦把伽利略相对论原理扩大,使它不只包含古典力学定律,而是包含一切物理定律。其中尤其重要的是统御电磁辐射的定律。在伽利略的时代,电磁辐射还没有人知道。

1905年洛伦茨和爱因斯坦等依据迈克尔逊-莫雷干涉实验创立狭义相对论,后来爱因斯坦发现狭义相对论有局限性,只能适合平直惯性系的空间,不适合非惯性系,发现这个问题后,于是1926年发展并发表了广义相对论,但是广义相对论和量子力学无法兼容,互相矛盾,成为物理学的核心灾难,根本原因是广义相对论忽视自旋对时空的影响,而量子力学根本不懂得粒子自旋是什么,且粒子自旋的速度非常高,把两个理论比喻成对立的两个水火不容的冰山和火山,1990年熊玉科提出并发表自旋相对论。自旋相对论就是一个连接火山和冰山的桥梁,统一物理学的两大理论。

论证过程

柔软的时空

自旋非惯性系参照系的场的时空变换

而吉布斯则奠定了化学热力学的基础,他创立了向量分析并将其引入数学物理之中,更将麦克斯韦方程组引入物理光学的研究。这两个人合理构建了我们现在所看到的麦克斯韦表达形式!

爱因斯坦的惊人预言

提出问题,若该正方体是薄膜做成的,内部充满气体,依照能量均分原理各个方向的压强和自由程应相等,若气体只有在x方向上被压缩,而在y和x方向不被压缩,则会得出y、z和x方向的压强不相等的谬论,这与统计力学相矛盾。依据相对性原理,在不同的参照系所有物理定律应具有相同的形式,考虑统计规律以后,由于分子之间的相互作用,不断碰撞,不断转动,每秒碰撞几亿次,粒子在x、y和z三维坐标不断互相变换,依据相对论的观点,有多少个粒子就是多少个参照系,定义每个粒子的x、y和z坐标轴,一秒钟变换几亿次,宏观物体可以看成大量性质和结构完全相同的、处于各种运动状态的、各自独立的的参照系集合,适用于气体、液体、固体和等离子体的洛伦茨变换应该为:

在狭义相对论中,空间和时间并不相互独立,而是一个统一的四维时空整体,不同惯性参照系之间的变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的。

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X和Y的极值是c/ω 空间在此突变为零,不再连续,总之:自旋参考系的时空会局限于半径为c/ω圆柱形空间。在zox平面内斜放一个量杆,该量杆会变弯收缩成弹簧状。

洛伦兹为了在承认光速与参照系无关的条件下,拯救以太假设,便抛弃了空间间隔和时间间隔与参照系无关的绝对观念。在他看来,常驻以太参照系是基本参照系,在这个参照系中,时间是均匀流逝的,空间是均匀的,各向同性的。任何实际参照系都相对于这个基本参照系运动着。

爱因斯坦

广义相对论有两个核心思想:一是质量告诉空间如何弯曲,空间告诉物体如何运动,其核心思想是:质量改变空间的曲率,或说质量改变引力场的分布;二是加速或转动参考系会使时空弯曲。狭义相对论认为直线运动也可以改变空间或说场的分布,比如一个转动磁体或者电子等带电体,实体和场都有洛伦茨收缩,磁体和宏观带电体在x、y和z轴三个方向都会有洛伦茨收缩,而磁场和电场不遵守统计规律,洛伦茨收缩规律和实体部分不同,自旋是一个非惯性参考系,也会改变空间和时间,有必要进一步补充。有一个三维坐标系,平面XOY绕Z轴转动角速度为ω,由光速极限原理知r=c/ω。在Z轴上立一个量杆,由于没有洛伦茨收缩,无论量杆有多长总可以再接一段,对应着无穷大。

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测量光速要一个时钟和一把尺。如果相对于光源是静止的观测者测出来的光速与相对于光源是运动的观测者测出来的光速一样,那么,不论如何,这必然是因为观测者使用的测量仪器,从一个参照系变到另一个参照系的时候,它转变的方式使光速量起来完全一样。

爱因斯坦与洛伦茨关于尺缩有过激烈的争论,前者认为尺缩相应是相对的,即在不同参照系中,都认为对方的尺子变短啦,因为运动是相对的,后者认为尺缩是真实的,是原子变小啦!我们也来分析一下,从r=c/ω公式来看,ω越大r越细,总之,对于多粒子系统,如气体、固体应考虑兼容统计规律,而对于单个、孤立粒子的参照系,可以不考虑统计规律。这样可以解决量子力学与广义相对论的矛盾。对于高速自旋的天体广义相对论必须考虑自旋运动,否则误差太大!

奥利弗·赫维赛德也是一个传奇,他因为患有猩红热,耳朵听不清楚,却自学成才,他将麦克斯韦付出由四元数改为矢量,将原来20条方程减到4条微分方程。

狭义相对论的第二个基石,相对论原理

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四元数

可是,第一个命题有很大的问题。因为这个命题或是古典转换律都不可能成立。根据古典转换律.光速等于光从光源射出的速度加上或减去观测者运动的速度。但是,根据实验,光速不管观测者运动状态如何,永远都一样。常识与实验结果完全不一样。爱因斯坦的初心告诉他,既然我们无法和事实争辩,那么必然是我们的常识错了。他决定丢弃常识。

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爱因斯坦的基本设定(光速恒定原理和相对论原理)初步产生了两个果实:第一,一个运动的物体会随着运动速度的增加而逐渐变短,到达光速以后便完全消失;第二,一个运动的时钟会随着运动速度的增加而越走越慢,到达光速以后便完全停止。这是两个惊人的预言。

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自此,相对论作用于在高速、微观领域;经典力学作用于宏观、低速运动的物体;电动力学在电磁想象中发挥着作用。互相交织,辉映。

简而言之:因为时空的相互调节,导致了光速怎样测量都是恒定不变的。

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弃常识的第一人

一句话概括:电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换。

光速量起来之所以恒定,是因为测量用的杆和时钟依照自己的运动转换了参考系。简而言之,对静止的观测者而言,移动的杆长度会变,移动的时钟节拍会变。但同时,对一个随着移动的杆和时钟一起运动的观测者而言,杆的长度和时钟的节拍都不会有什么变化,所以这两个观测者量出来的光速都一样,两者在测量过程和测量仪器上都检测不到任何不寻常的事物。爱因斯坦的解释同菲茨杰拉德和洛伦兹对迈克尔逊—莫雷实验结果解释很接近。所以说洛伦兹也是一脚跨进了相对论的世界,另外一只脚可能是对绝对时空观的执着。

而从笛卡儿把以太引入科学,并赋于他力学性质,认为物体之间的所有作用力都是通过中间媒介以太传播开始,以太论整整桎梏了物理学家近 300 年,任何物理学家在思考物理现象、规律、法则时,都要考虑吧以太的存在,从而将他们引导至错误的方向。爱因斯坦的狭义相对论剿灭了以太这朵乌云,证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此否认了以太的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为近代物理学的一个开端。

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而麦克斯韦为了把电磁场理论由介质推广到空间,假设在空间存在一种动力学以太,它有一定的密度,具有能量和动量:它的动能体现磁的性质,势能体现电的性质,它的动量是电磁最基本的量,表示电磁场的运动性质和传力的特征。在1865年,他提出了一共包含20个变量的20个方程式,即著名的麦克斯韦方程组。他在1873年尝试用四元数来表达,但未成功!(请记住,以太这个概念很重要!)

爱因斯坦的绝妙之处,就是把光速不变问题转变为一项命题。一开始,他暂时就光速为何恒定不提出疑问。光速恒定既然是实验上无法反驳的事实,他就欣然接受。清楚地认识接受清晰的事实乃是逻辑程序的第一步。

在当时,麦克斯韦的学说却并没有得到承认,正如当初大家把亚里士多德的著作奉为神典永无错漏一般,18世纪的科学家也将牛顿奉为神明。

爱因斯坦的新相对论原理是说,所有的自然定律在一切相对一致运动的参考架构中完全一样。简而言之,狭义相对论有两个基石,一个是光速恒定原理,一个是相对论原理。简单来说的话,狭义相对论是建立在这两个命题上面的。

麦克斯韦方程组,准确地描绘出电磁场的特性及其相互作用的关系。这样他就把混乱纷纭的现象归纳成为一种统一完整的学说。麦克斯韦方程在理论和应用科学上都已经广泛应用一个世纪,可以说麦克斯韦方程组构建了现代文明的基石。

凡是相对于彼此是一致运动的参照系光在其间的真空中速度都一样

根据他的设想,观察者相对于以太以一定速度运动时,长度在运动方向上发生收缩,抵消了不同方向上由于光速差异,这样就解释了迈克耳孙-莫雷实验的零结果。

爱因斯坦摒弃的就是古典转换的整个结构。这个结构是常识粘贴在宏观维度与速度之上的一颗甜蜜的水果。这颗水果是虚幻的。丢弃常识是很不容易的,做到这一点的,爱因斯坦是第一人。他的方式是“全盘”放弃,所以他对时间与空间的性质的知觉也就非常不一样。以上,我们讨论了狭义相对论的第一个基石,亦即光速恒定。

根据光速不变原理,相对于任何惯性参考系,光速都具有相同的数值。在光速不变和相对性原理的基础上,

这里要讲的是看待物体收缩的一种方式。如果一把运动的量杆变短了,一个运动的时钟跑得比较慢了,那么“光速恒定”就是必然的结果。因为观测者如果是运动的,那么比起静止的观测者,他的量杆比较短,他的时钟比较慢,所以他量起来的结果还是一样。这两个观测者量出来的光速都是每秒30万公里。但是,不论是运动还是静止,他们都不会认为自己的量杆和时钟不准。如果他们还执着古典转换律,他们只会惊讶光速怎么都一样。

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不论观测者的运动状态如何,光速永远一样。为什么会这样?

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广义相对论还远吗

它反映了空间某区域的电磁场量和场源之间的关系。在电磁场的实际应用中,经常要知道空间逐点的电磁场量和电荷、电流之间的关系。而微分形式就是麦克斯韦方程组积分形式在数学形式下的转化!

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爱因斯坦洞察到解决这种不协调状况的关键是同时性的定义,爱因斯坦认为既然光速不变,作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。爱因斯坦基于事实的观察着眼于修改运动、时间、空间等基本概念,重新导出洛伦兹变换,并赋予洛伦兹变换崭新的物理内容,来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。爱因斯坦的洛仑兹变换是指纯数学的空间缩短,不再是组成量杆的带电粒子距离缩短。而且这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义。

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光的速度,不管观测者的运动状态如何,永远都是每秒30万公里,为什么?很多人都会问这个问题,甚至有些人会问:爱因斯坦为什么说光速不变?首先我们应该认识一个事实,那就是光速恒定是迈克尔逊—莫雷实验验证的真理,并不是爱因斯坦的假设,相反爱因斯坦需要做的事就是大胆接受反常识的实验结论为之所用,然后去解释为什么光速恒定。其实关于这个问题,爱因斯坦已经给出了满意的答案。我们并不需要各种求医问药。一起来看看吧。

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伽利略

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光速恒定的难题在爱因斯坦手下变成了光速恒定原理,而光速恒定原理便是狭义相对论的第一个基石。光速恒定的原理是说,不管什么时候,不管我们相对于光源是运动还是静止,只要我们测量光速,结果都完全一样。光速每秒30万公里,一概不变。事实上光速恒定完全违背常识。在爱因斯坦之前,“常识”的垄断总是把光速恒定划归为“谜题”。

我们可以由麦克斯韦方程组可以得到电磁波的波动方程,由波动方程解出真空中的光速是一个常数。按照经典力学的时空观,这个结论应当只在某个特定的惯性参照系中成立,这个参照系就是以太。

凡是相对于彼此是一致运动的参照系,所有的自然定律都一样。

麦克斯韦一般主要有积分形式和微分形式,其中方程组中H为磁场强度,D为电通量密度,E为电场强度,B为磁通密度。J为电流密度,,ρ为电荷密度。在采用其他单位制时,方程中有些项将出现一常数因子,如光速c等。

爱因斯坦这样解释

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测量仪器在时空中变化

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狭义相对论 第一个基石,光速恒定原理

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1887年进行的著名的迈克耳孙莫雷实验,他的目的就是为了证明以太的存在,若能测定以太与地球的相对速度,即以太漂移速度,便可证明以太的存在。迈克耳孙莫雷实验测量不到地球相对于以太参照系的运动速度。 地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得到同样的结果。

伽利略变换是经典力学中用以在两个只以均速相对移动的参考系之间变换的方法,属于一种被动态变换。伽利略变换构建了经典力学的时空观。

伽利略变换认为,在同一参照系里,两个事件同时发生,在其他惯性系里,两个事件也一定同时发生,时间间隔的测量是绝对的,长度测量也具有绝对性,经典力学定律在任何惯性参考系中数学形式不变,换言之,所有惯性系都是等价的;伽利略变换构建了经典力学中的绝对时空观,时间和空间均与参考系的运动状态无关、时间和空间是不相联系的,是绝对的。

洛伦兹为了修补这个矛盾建立了洛伦兹变换。洛伦兹提出洛伦兹变换是观测者在不同惯性参照系之间对物理量进行测量时所进行的转换关系,在数学上表现为一套方程组。它是同样是基于以太存在的前提的,根据光速不变原理,相对于任何惯性参考系,光速都具有相同的数值。

由此,经典力学与电动力学之间的矛盾彻底被调和,如果速度v比光速с小很多,而且被观察的物体的运动速度也比光速小很多,则洛伦兹变换就与伽利略变换近似一样。对于日常的力学现象,使用伽利略变换就可以了。然而,对于运动物体的电磁现象,虽然物体的运动速度比光速小很多,但由于电磁相互作用的传播速度是光速,所以仍必须使用洛伦兹变换。

牛顿认为引力甚至电、磁力是在以太中传播的。受经典力学思想影响,物理学家便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,他们普遍认为以太是传播电磁波和光的媒介。而经典物理学理论中,将这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系,其它参照系中测量到的光速是以太中光速与观察者所在参照系相对以太参照系的速度的矢量叠加。

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洛伦兹变换一定程度上调和了经典力学和电动力学之间的矛盾,给了伽利略变换一个适用的领域,那么就可以解释为什么伽利略变换下麦克斯韦方程组或电磁现象规律不满足相对性原理。

然而洛伦兹变换毕竟是为了拯救错误的以太假说而提出的,在调和经典力学与电动力学之间的矛盾上还存在许多的问题。在相对论以前,洛伦兹从存在绝对静止以太的观念出发,考虑物体运动发生收缩的物质过程得出洛伦兹变换。在洛伦兹理论中,变换所引入的量仅仅看作是数学上的辅助手段,并不包含相对论的时空观。

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1873年,麦克斯韦出版了科学名著《电磁理论》,将电力与磁力相统一,实现了物理史上的第一次大一统。这本书系统、全面、完美地阐述了电磁场理论,成为经典物理学的重要支柱之一。他还预言了电磁波的存在,电磁波的存在也正式敲开了现代无线通信的大门。

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麦克斯韦为了推广自己的电磁学理论,最终积劳成疾,在1789年不幸逝世,所以到去世也没有将自己构想的公式完美地表达出来。

在狭义相对论中,洛伦兹变换是最基本的关系式,狭义相对论的运动学结论和时空性质,如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出。

这种绝对的时空观和麦克斯韦创建的电动力学产生了冲突,如果我们把伽利略变换应用于描述电磁现象的麦克斯韦方程组时,将发现它的形式不是不变的,即在伽利略变换下麦克斯韦方程组或电磁现象规律不满足相对性原理。

积分形式的麦克斯韦方程组是描述电磁场在某一体积或某一面积内的数学模型,其中第一个公式式是由安培环路定律推广而得的全电流定律,第二个公式是法拉第电磁感应定律的表达式,第三个公式是表示磁通连续性原理,最后一个公式是高斯定律的表达式。

麦克斯韦方程组的积分形式既描述了电场的性质,也描述了磁场的性质,也描述了变化的磁场激发电场的规律,更描述了传导电流和变化的电场激发磁场的规律。

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麦克斯韦方程组构建了电动力学的基石,但却和牛顿的经典力学产生了矛盾。麦克斯韦建立的电动力学,有一个结果就是光速在不同惯性系是不变的,这个结果和经典力学的伽利略变换是相矛盾的。

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关键词: 相对论 简介 熊玉 电动力