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张元仲先生38年前谈论狭义相对论的一篇小论文及其赏析 精选

已有 3127 次阅读 2022-2-15 16:46 |个人分类:拾穗记|系统分类:科普集锦

谨以此文缅怀驾鹤西去的张元仲先生

我们20郎当的时候,独立、叛逆、向学、成长。吸吮性的学习,激荡了青春也膨胀了时代。1980年代前后几年,大师们在前台以平和的语气写“小论文”。这些文章深刻、理性、系统,具有长久的说服力。张元仲先生1984年给中学生写的一篇文章,就是这种“小论文”。近40年来,这篇文章只有一次引用,也就是几乎没有人注意。但是,38年来很多关于相对论的和麦克斯韦方程的研究和讨论,深度尚不能和这篇论文相比拟。文章的关键词是“同时”或者“同时相对性”,出现了24次,无非极言“同时相对性”是狭义相对论的核心。2005年,杨振宁先生的名篇《爱因斯坦:机遇与眼光》也认为同时相对性才是狭义相对论的灵魂:“正是 26 岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的原始观念,坚持同时性是相对的,才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。” 本文将介绍并赏析张元仲先生1984的这篇“小论文”。

张元仲, 关于狭义相对论的基本假设和主要结果,物理教学,1984年第5期第1-3页。

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第一自然段是引言,不录。下面是第二自然段。

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赏析:在时空中发现了两个事件或曰一对事件,不同的观测者都声称记录到了一对事件。由于这些观测者的相对运动状态不同,记录的时空间隔不同,例如一个的记录是(Δx,Δt),另外一个的记录是(Δx’,Δt’)。洛伦兹变换的意义是,如果这两个不同的记录满足洛伦兹变换,则,这两个人的记录是同一对事件。

第三自然段抄录了光速不变原理的内容。

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第四自然段是文章的核心。

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赏析:今天还有一些物理学者,依然对 “同时相对性”的革命性没有感觉,不清楚当年“同时相对性”是颠覆牛顿绝对时空的“窄门”。

张先生的这一段讲解了同时相对性和时空一体之间的关系,为什么从这里才能摆脱牛顿的绝对时空观念。当年,击穿了我心脏的不是同时相对性,而是使我理解了什么是“科学假设”。科学假设不是经验的总结,而是人类的理性对困境的摆脱。用光信号对钟必须知道光信号的传播速度,可是知道光的传播速度需要把各地的钟对准,这样就陷入了逻辑循环!如何斩断逻辑循环?引入基本假设!即引入单向光速的不变性!我需要深刻理解同时相对性的时候,已经湖南大学副教授,需要对本科生解答“双生子佯谬”的时候了。

2005年,杨振宁先生考察了狭义相对论的发展历史,考察对相对论有贡献的巨人们,结论是:“洛伦兹有数学,但没有物理学;庞加莱有哲学,但也没有物理学。正是 26 岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的原始观念,坚持同时性是相对的,才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。”(杨振宁,第22届国际科学史大会大会报告, 2005年7月,北京。发表于《科学文化评论》2005年第4期第10-16页)  2005年12月,杨先生在香港中文大学也以同样的题目做了一场演讲,听到杨先生有言及此,感同身受,几乎颤栗。

第五自然段是光速不变性的实验检验。

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赏析:光速不变原理是基本原理,而基本原理不能直接实验检验。能测量的无非间接后果。这一点也明显地包含在爱因斯坦1905年的原文中。光速不变原理的基本性是单向光速的不可直接检验性。

第六自然段讨论相对性原理。

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赏析:建立一个检验理论是改造狭义狭义相对论的一个科学途径,而这个检验理论不能只有该概念的不同,必须提供数学推导,然后提供一些和实验可以比较的结果,这些结果必须是一些代有小数点的数。现在的所有实验的结果,都指向相对性原理和光速不变原理,没有其它选择。

第七自然段区分了动力学和运动学。

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赏析:洛伦兹变换可以直接给出运动学效应。所谓运动学方程,仅仅局限于对运动的数学描述,例如长度,时间,速度,加速度,等等,不涉及这些量和其它量之间物理联系。相对性原理并不针对这些方程,至少不主要针对这些方程。相对性原理有两方面的含义,第一个是说,动力学方程的形式,不能依赖于参考系;第二个说,不同参考系中的方程,必须可以用洛伦兹变换相互联系起来。

第八、九自然段再次回到同时相对性。

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第十自然段讨论了狭义相对论和牛顿力学的关系

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赏析:这一段具有现实意义(你懂的)。单机电机是一个慢速转动的导电体,在不同观测者看来能产生相互矛盾的现象。在这一段里,张先生提供了解决这一类矛盾的方法,即如果一个介质的运动速度是慢速的,不能指望伽利略变换能给出正确结果!这是因为,伽利略变换中的速度仅仅是不同参考系的相对速度,这个速度可以任意小,但是,电磁信号传递速度是天生相对论性的,光速是一个自然常数,不能处理为无限大。有些项,看上去是二阶小量,其实是一阶。在略去二阶项的时候,必须是同一个量的一阶项存在;有一些看上去的“二阶项”,由于没有更小的一阶项,其实是零级项。

第十一自然段讨论质能关系

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赏析:质能关系即E=mc2。对于这个关系的认识有很多种。例如,质量和能量是物质的同种属性,只是量度的方式不同。张先生认为,质量和能量是物质的不同属性,质能关系是两种不同的量之间的关系。还有一种说法和热力学有关。一切能量都是热力学意义上的内能,而内能总可以通过传热和做功来改变;根据兰道尔的信息擦除定理,信息可以表现为热量,因此也可以表现为能量,也就可以表现为质量。简而言之,质量也可以是信息的一种形式。这些理解都可以接受。物理学研究的正道是:执其一端,走到无路可走之处!

第十二自然段讨论超光速,不录。

第十三自然段是文章的最后一段,再次回到同时相对性。

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赏析:相对论何奇? 不在相对性原理,在同时相对性也!


原文下载

关于狭义相对论的基本假设和主要结果.pdf


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