登录站点

用户名

密码

狭义相对论的基本原理分析

2已有 1050 次阅读  2011-10-11 09:41   标签分析  xml  office  相对论  style 

第二节 狭义相对论的基本原理分析

(一) 狭义相对论的基本原理

狭义相对论建筑在爱因斯坦的两个基本假设之上,这两个基本假设是相对性原理和光速不变原理,它们称为狭义相对论的基本原理。

1. 相对性原理

  所有物理规律在一切惯性系中皆有各自的同一形式。即在所有的惯性系中,同一个物理规律的数字表达式是相同的。这就是说所有的惯性系都是等价的,不存在一个特殊的惯性系。

  2.光速不变原理

  在真空中,对任何惯性系而言,光在各方向的速度都是,与光源的运动无关。

  (二)狭义相对论的基本原理分析

  狭义相对论的相对性原理是根据伽利略相对性原理得出的,而伽利略相对性原理是根据萨尔维阿蒂大船中的力学实验得出的。因此,我们有必要回过头来看一看萨尔维阿蒂大船中发生的实验现象。

在萨尔维阿蒂大船中,装着各种实验用具。当进行力学实验时,大船中的实验家得出的结论与伽利略的相对性原理相同,即从船中发生的任何一种力学现象,实验家无法判断大船究竟是在运动还是静止不动。但是,当实验家在大船中同时进行光学实验时,他将通过对光学现象和力学现象的比较,判断出大船是静止的还是运动的。由于地球的自转速度比光速小得多,地球自转所造成的光的传播路径的改变很小,同时也为了叙述方便,在下面的叙述过程中将不考虑地球自转对光传播路径的影响。事实上,如果光速与光源的运动状态无关的话,即使大船相对于地球是静止的,实验家也能根据实验现象判断出地球在自转。关于这一点,在下一节中将加以叙述。

在萨尔维阿蒂大船的顶部装上一面镜子,在正对着镜子的大船底板上装上只能发射一条光线的理想光源,同时在大船的头部装上一面镜子,在尾部正对着镜子的地方装上只能发射一条光线的理想光源,然后进行实验。船静止时不论是竖直上抛的物体还是竖直向上发射的光线或水平发射的光线被镜面反射后,都将回到原出发点。它们的运动路径都是直线(如图24)。如果船以一定的速度匀速前进,

  

    

     图 24                    图 25

这时实验家将发现,竖直向上抛出的物体和由船尾向船头发射的水平光线都将回到原出发点,它们运动的轨迹是直线。而竖直向上发射的光线经镜面反射后将落在光源的后方,光线经过的路径是一条折线(如图25)。这是因为:根据狭义相对论的光速不变原理,光速与光源的运动状态无关,在竖直向上发射的光线到达顶部镜面的这段时间内,船已向前移动了一段距离;反射光线到达船的底板这段时间内,船又向前移动了一段距离。因此,大船中的实验家观察到的竖直向上发射的光线是一条折线,就像在匀速行驶的火车上观察到窗外竖直下落的雨滴的运动轨迹是斜线一样。很明显,实验家只要把大船中发生的力学现象和光学现象加以比较就可以判断出大船的运动情况。

如果大船中的实验家看不到图25所示的现象,即在匀速运动的大船中,竖直向上发射的光线跟竖直上抛的物体一样会返回原出发点,那就说明光将像其它物体一样,满足经典的速度合成律,光速与光源的运动状态有关,狭义相对论的光速不变原理是错误的。要么大船中的实验家能够判断大船的运动情况,狭义相对论的相对性原理是错误的,要么光速与光源的运动状态有关,狭义相对论的光速不变原理是错误的,二者必居其一。可见,狭义相对论中两条基本原理相矛盾。

另外,在大船的运动方向上测量光速时,应用光速不变原理,我们将会发现,实验家也能判断出大船的运动情况。设船头到船尾的距离,船前进的速度为,光从船尾到船头的时间为,由船头到船尾的时间为。根据光速不变原理,设光离开光源时的速度为,则实验家在船头测量来自船尾的单程光速时,他测得的光通过的距离为,测得光从船尾到船头的时间由关系式:确定,即他测得的时间为: ,根据速度计算公式,他可算出光从船尾到船头的单程速度为: ,而不是;当实验家在船尾测量来自船头的单程光速时,他测得光传播的时间由关系式:确定,即他测得的时间为: ,根据速度计算公式,他可算出光从船头到船尾的单程速度为: 。可见,实验家在船尾测得来自船头的单程光速比在船头测得来自船尾的单程光速大。因此,实验家可以根据单程光速的异同判断大船的运动情况。如果实验家在船头和船尾测得的单程光速都是的话,那就说明光速跟其它物体的运动速度一样满足经典的速度合成律。要么相对性原理是错误的,要么光速不变原理是错误的。

下面我们来看一看实验家对平均光速的测量结果。实验家不论是在船头还是在船尾,他测得光来回通过的距离都是,测得光来回所用的时间都是,而 , ,所以平均光速 。可见,实验家如果测量的是平均光速的话,他就无法判断大船是静止的还是运动的。从平均光速的表达式中可以看出,它含有相对论因子 ,这就是相对论时空观的根源所在。而事实上,光速不变原理的各种检验实验都只证明了回路平均光速不变,并没有证明单程光速的不变性。

第三节 爱因斯坦电梯

《从牛顿定律到爱因斯坦相对论》(方励之、褚耀泉著)一书对爱因斯坦电梯作了详细描述:就同伽利略一样,爱因斯坦也设计了一个理想实验来分析问题,不过伽利略爱用斜面,而爱因斯坦爱用电梯。在爱因斯坦的理想电梯中装着各种实验用具,还可以有一位实验物理学家在里面安心地进行各种测量。

当电梯相对于地球静止的时候,实验家将看到,电梯里的东西都会受到一种力。如果没有其它的力与这种力相平衡,这种力就会使物体落向电梯的地板。而且,所有物体在落向地板时,加速度都是一样的。根据这些现象,实验家立即可以作出结论:他这个电梯受到了外界的引力作用。

好!现在让电梯本身也做自由下落的运动。这时,实验家将发现,他的电梯里的一切东西都不再受原来那种力的作用,所有物体都没有原来的那种加速度了。即达到了我们通常所说的“失重”状态。这时电梯里的物体不再表现出任何受引力作用的迹象。无论苹果或羽毛,都可以自由地停留在空间,而不“下落”。实验家既可以在电梯的底部行走,也可以在顶部行走,两种行走所用的力气完全一样,并不需要任何杂技演员那样的技巧。也就是说实验家观测任何物体的任何力学现象,都不能看到任何引力的迹象。

接着,爱因斯坦作了更进一步的引伸,他认为,在上述电梯里的实验家不仅通过任何力学现象看不到引力的迹象,而且通过其它任何物理实验也都看不到引力的迹象。即是说,在这种电梯的参考系中,引力全部消除了。电梯实验家不能通过自己电梯中的物理现象来判断他的电梯之外是不是有一个地球这样的引力作用源,他也测量不出自己电梯是否有加速运动,就像在萨尔维阿蒂大船里的观察者测不到大船是否在运动一样。

以子之矛,击子之盾,何如?

诚如以上分析,任何力学实验都无法判断大船的运动情况,因为一切物体都有惯性。但是,如果光速与光源的运动状态无关的话,把光学实验引进爱因斯坦电梯,电梯中的实验家就能发现电梯的运动情况。

当电梯相对于地球静止的时候,实验家在电梯中拉一条平行于底板的直线AB和一条垂直于上、下板的直线CD,然后,实验家用理想光源从A点沿AB方向发射一条光线。在光传播过程中,由于地球的自转,电梯由图26变为图27的位置。由于光速与光源的运动状态无关,光将沿着发射时的方向前进,因此,光到达电梯的另一侧时,入射点不是在B点,而是在B点的上方E点,这时电梯中的实验家观察到的光线不是直线AB而是曲线AE。同理,当实验家用理想光源从C点沿CD方向向上发射一条光线时,光线不是到达D点,而是到达F点,他会发现竖直向上发射的光线不是直线CD,而是曲线CF。但是,当实验家从A点沿AB方向抛出一个重物时,这个重物做平抛运动落向电梯的底板,运动轨迹为曲线,所不同的是光线向上弯曲,重物的运动轨迹向下弯曲;而从C点沿CD方向抛出的重物则做竖直上抛运动,运动轨迹沿直线CD。因此,实验家根据这些实验现象可以得出结论:他所在的电梯受到了外界的引力作用,并且电梯随引力源转动。

F D

D     

                     B    E

26   AB A  B 图27

A

                          C

C

ω

       地球自转角速度

当电梯相对于地球做自由落体运动时,实验家同样在电梯中拉上平行于底板的直线EF和垂直于上、下板的直线GH。这时电梯一方面相对于地球做自由落体运动,另一方面随地球自转,经过一段时间后,电梯由图28变为图29位置。

H

F

E

28 G

J I H  

E F

    图29

G

ω

地球自转角速度

当实验家从E点沿直线EF抛出一个物体时,他观察到重物沿直线EF做匀速直线运动;从G点沿GH方向抛出一个重物时,他观察到重物沿直线GH做匀速直线运动;无论是从E点还是从G点抛出的物体,它们的运动轨迹都是直线。但是,当实验家由E点沿EF方向发射一条光线时,在光到达电梯的另一侧时,电梯已由图28变为图29的位置。如果光速与光源的运动状态无关,光将按发射时的方向做匀速直线运动,所以,实验家看到的光不是沿直线由E点到达F点,而是沿曲线到达I点。同理,当实验家用理想光源从G点沿GH发射一条光线时,他观察到的光线是GJ曲线,而不是GH直线。通过对力学现象和光学现象的比较,实验家就可以判断出电梯的运动情况。

可见,如果光速与光源的运动状态无关的话,无论电梯相对于地球是静止的,还是相对于地球做自由落体运动,实验家都能从电梯中发生的力学现象和光学现象比较中发现电梯的运动情况。如果电梯中的实验家看不到光线弯曲现象,那就说明光跟惯性物体一样满足经典的速度合成律。因此,光速不变原理是不成立的。

分享 举报

发表评论 评论 (2 个评论)

  • 关宇 2011-10-18 19:54
    朋友:你好!我也看不见你文章中的图片资料,这究竟是怎么回事?对不起,我在电脑上是个菜鸟。
  • 钟杏生 2011-11-10 08:28
    我对光速不变认识的依据是光系统构成的实在。光的本质是媒质对光源电磁能的扩散运动。光就是麦克斯韦所说产生电磁现象,进行横向电磁振动来传输光的媒质。本质是元粒子被光源电子流磁化极化所形成的电磁场,即电磁波,其洛伦兹力改变电子运动方向纵向被拉出光源,以放射状向空间扩散,光源电子就成为光电子,不断从伴随它的元粒子被它磁化极化运动所产生的电磁场的洛伦兹力得到光速动能;所以光速传输过程保持不变,决定于媒质元粒子的电磁属性,与光源及其运动状态无关,与机械运动所受力的性质不同,互不影响,但可叠加,不会改变光速,参照系中处理,必须保持光速及其方向不变。但光速不变不可能引起时空相对化,相对论提出的开始就错了。爱因斯坦因对光速为什么不变的不知,运用他超现实的主观思维,离开光的系统实在,产生了错误的相对论时空观。他所说的光子:零质量,电磁中性,在光源产生不了,也发射不了,在自由空间不可能产生电磁运动,宇宙中不会有天然光速运动的零质量光子。光电子的横向集合才能够承载光源电磁能,因为单个光电子电荷量不变,不能反映电与磁交替的电磁能,其横向集合就是麦克斯韦所假设的位移电流的本质,才能够引起伴随它的元粒子产生与光源同频率的电磁运动。仅供参考。
涂鸦板