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[转载] 狭义相对论素描(1)
[版面:艺术殿堂][首篇作者:cox] , 1999年02月12日13:52:11 ,207次阅读,0次回复
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发信人: cox (您有信件), 信区: Arts
标  题: [转载] 狭义相对论素描(1)
发信站: The unknown SPACE (Fri Feb 12 13:52:11 1999), 转信

【 以下文字转载自 Science 讨论区 】
【 原文由 space 所发表 】
以前提到过民间物理学家的问题, 他们被定义为未经严格训练, 满足于用初等推导来
讨论物理学重大基本原理的科学爱好者. 这些人是真热爱物理学, 投入的时间精力也
远大于所谓职业物理学家, 而且甘于贫困. 我个人非常尊重他们这些优点, 这也是
为什么一直致力在bbs上花时间回答他们问题的原因.

但是这些民间物理学家的另外一个特点就是:他们从来不了解他们所讨论问题的全貌.
这样他们和专业人员的讨论变得异常困难, 而且直接导致专业人员不愿意看他们相对
贫乏的推导.

我个人非常不理解的是, 他们既然可以化如此多时间精力在这里, 智力一般也很高,
为什么不愿意踏实的全面掌握自己要讨论的东西, 多学一些数学呢? 也许一开始
看到专业理论所需要的深厚基础就使他们不敢踏出这第一步.
抛开他们的热情和努力, 这也算得是一种好高务远.

再有, 即便是理科生, 出基础理论物理和自己对相对论有特殊兴趣的人, 一般说来
也就满足于承认原理之后的推导, 不太管理论原理的实验基础以及当初为什么要被迫
提出这些原理来.

这几篇文章将专门讨论狭义相对论, 为这方向的民间物理学家指出如下几点:

1. 狭义相对论只有两个基础假设.

1-1. 所有惯性系对描述物理规律都是等价的;
1-2. 光速独立于光源.

其它比如光速最高等等都不是假设, 而是结果.这两个基本原理各自有自己的实验基础.
1-1在电动力学建立之前是很自然的. 它是两个东西的数学自然结果: a).运动学  
上的Galilean相对性. Galilean变换是先验的, 而且几乎就是彻底自然,
容易接受的. 关于坐标的变化那没有可说的, 直接就是矢量运算的定义.
但是这里面有一个隐含假设: 只有时间在两个系统中是一样的, 那矢量运算的定义才
能用来退出Galilean变换; 但是时间作为独立于空间的量, 这是所有人的自然感觉,
不会有任何神经病企图在这里责备这原理. b).在这如此自然的alilean相对性之下,
讨论Newton力学, 发现力是独立于参考系坐标变换的; 这意味着两个惯性系里面的 
力学规律完全等价. 这结论又天衣无缝的符合了人们的实践经验. 提醒注意一下:
倘若Newton力学刚好不独立于Galilean变化,那人们首先要责难的保证是newton力学,
而不是相对性. 我强调这点,
是要说明为什么狭义相对论在思想上的突破是多么不容易; 另外一方面也是指出,
若非被现实逼到无路可走, 是不会出现这理论的.
当然也许数学家作数学游戏倒有可能作出来.

2. 关于狭义相对论的实验.

基本上所有民间物理学家都在企图通过批判19世纪末期对相对论出现起重大影响的实验
来否定相对论. 这里我要不客气的指出, 这是完全错误的.
尤其是Michelson-Morley(1887)的实验, 虽然在历史上占有重要地位, 
但是这其实是个无物理意义的实验. 这原因涉及Extinction theorem of
Ewald(1912) and Oseen(1915).
提醒那些在打算由这实验入手的民间物理学家注意这点. 关于光速的假设,
真正算得上决定性的新实验是60年代才做出来的. 要想了解这些新实验, 要求具备
远超科普水平的物理数学知识, 这是我强调不理解相关知识就开始讨论基本问题的 
危害性之处. 这里列出一个实验的reference:

T.Alvager, J.M.Bailey et al, Phys.Lett., Vol.12, 260(1964).

另外, 要想理解Extinction theorem, 需要深厚的电动力学基础.

3. 关于Lorentz变换.

Lorentz变换的推导也是民间物理学家要推翻的. 这里强调, 科普级别的推导极大的
忽略了数学严格性, 所以给了初学者自由想象的空间.我在后面文章会详细谈这个问题.

4. 总结:

两个相对论基本假设, 是由于电动力学波动方程(要理解这点, 你又得学几年物理了)
在Galilean变换下不协变引起了困难. 这困难要在物理上消除, 必须为电磁波假设
某种神秘介质, 同时假设Maxwell方程组只在这介质上的参考系才成立.
这样我们就得到一个区别于所有其它惯性系的绝对参考系. 在这思路下, 就要寻找这
神秘介质存在的证据, 所有相关实验都失败了. 60年代的新实验,
用到Mossbauer效应(所以你只好又得读几年物理),
可以以极高精度测量地球和这神秘介质, 加入它存在的话, 之间的相对运动,
还是失败.

既然出现了这样的局面(即电磁学定律和Galilean相对性无法共同正确),
就只给出两个可能性:

a). Maxwell方程组错误;
b). 该有更普遍的相对性, 使Maxwell方程组协变.

Maxwell如果你学过物理, 就知道它是物理学中最漂亮, 最基于实验的理论.
Maxwell方程组共四个方程, 每个对应一个电磁学实验定律, 比如欧姆定律,
库仑定律, 等等. 而且经受无穷实验考查, 有无穷多应用, 错误可能性极小.
这四个方程三个是实验的直接归纳, 另外一个是实验直接归纳后发现数学上和另外
三个不兼容, Maxwell加进一个位移电流的概念后保证数学兼容, 而且依然满足实验.
要抛弃这个理论是困难的, 所以Einstein选择了b). 我看过的民间讨论, 知道这些的
没有几个, 原因他们的相对论知识来自于科普, 无法讨论这些深奥的物理学问题.

另外, 满足a),b)惯性系变换叫做Lorentz变换. 这变换的严格数学理论,
不是科普上那个. 有兴趣的话, 先学线性代数, 然后学点群论, 才有资格来
评论这个变换. 此处我简单声明, 它是绝对没有疑点的, 千万不要浪费时间精力在
这里.

最后, 剩下的事情全是数学了. 能评论相对论的地方只有三处:

1. 两个原理对应的实验. 你需要阅读所有的著名实验, 以及它们的问题.
尤其要读60年代的决定性实验. 为此你需要极其深厚的物理知识.

2. Galilean相对性为什么必须抛弃.

关于这个, 你需要更可怕的知识, 数学物理都强才行.起码电动力学和波动方程要懂.
提醒一下的是, 历史上严肃的物理学家很多作过这方面的尝试,
连Maxwell定律都有改的, 最后被实验否定.

3. Lorentz变换.

这是民间物理学家最有可能讨论的部分,仅需半年时间(假设具有高三水平)可以学通.
为什么不试试这个呢? 然后就知道你的问题在何处了.



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※ 修改:.space 于 Feb 11 19:57:31 修改本文.[FROM: 131.193.173.223]
※ 来源:.The unknown SPACE bbs.mit.edu.[FROM: 131.193.173.223]
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※ 转载:.The unknown SPACE bbs.mit.edu.[FROM: 128.171.230.25]

 
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