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信息传递最大速度与‘光速不变’(1)
热度 8 chenfap 2014-4-20 11:24
信息传递最大速度与‘光速不变’(1) 本文是一篇科普性质的博文,目的是打算通俗地但比较深入地介绍‘光速不变’的结论是如何得出的。本文只局限于科普性的介绍,不打算讨论有关相对论 是否正确的问题。这是 由于作者水平有限, 还由于我年老力衰,命运安排给我的时间已不多了,我只能吝惜时间,而且我觉得,目前在科学网中争论 相对论 是否正确,似乎还缺少条件,难以得出大多数人都能接受的正确结论。故建议那些喜欢对 相对论 是否正确进行讨论并且自己有着看法和见解的网友,可通过发表各自的博文以开辟讨论,也欢迎对本文进行评论,但本文将不参与 有关相对论 是否正确的讨论,敬请谅解。 本文 作者认为‘信息传递最大速度’是比‘光速不变’更为基本的物理概念,后者蕴含在前者之中。 著名理论物理学家福克(见福克《空间、时间和引力的理论》中译本)和兰道(Landau and Lifshitz 《The Classical Theory of Fields》)都持有这种看法(他们称为信号)。本文将根据这种看法出发,来介绍 ‘光速不变’的结论是如何得出的。 (一)信息传递最大速度 让我们先来介绍什么是信息传递最大速度,并进行一些讨论。 处在两地的人们常常需要互通信息,现在互通信息最方便的方法是打电话或通E-mail,其信息传递速度是电磁波的速度。在应用电磁波传递信息之前,人们要互通信息,只能写信,用马、信鸽、步行、火车、汽车、飞机等等来传递,马、信鸽、步行、火车、汽车、飞机等等的速度以及电磁波的速度就是相应的信息传递速度。物理学的发展使人们认识到物质间存在相互作用(包括引力、电磁、强、弱作用),这些相互作用也往往要由一地传至另一地(如处于甲地的物质对处于乙地的物质施加引力,引力作用由甲地传至乙地)。于是,在物理学中也就把相互作用的传递看成是一种信息的传递。 牛顿力学认为信息的传递速度没有限制,从很小到无限大都容许。例如牛顿万有引力定律认为万有引力的传递速度是无限大,这也就是说,万有引力的改变(例如两个物体之间距离的突然改变所引起的引力的改变)可以在瞬刻间由一地传递到另一地。物理学对电磁现象和光现象深入研究后,发现光现象也是一种电磁现象,光波也是一种电磁波,两者的速度完全相同。本文把光波的速度和电磁波的速度统称为光速。物理学的实验研究还发现光速不可能是无限大,亦即光速是有限的,这也就是说,光不可能在瞬刻间由一地传递到另一地,而是须要经历一段时间。 在上面我们已经谈到过一些 信息传递速度,在所有已知的各种信息传递速度之中,必定存在一个最大的速度(这正如在一个班级中必有一人的身长是最高者),在物理学中把这个最大的速度称为信息传递最大速度。目前物理学的主流学者认为,信息传递最大速度是真空中的光速。这是因为:1、目前物理学假定引力、强、弱作用也是以光速传递的,但这一假定,尚缺乏实验事实的验证;2、在一切已可确定的 信息传递速度中,以 真空中的光速为最大,介质中的光速恒小于真空中的光速。 可是,认为‘引力、强、弱等作用也是以光速传递’的看法,目前还只是假定,尚待进行一些实验来加以判断。因之只能说,这个看法有可能正确,也有可能不正确。如果实验证实这个看法不正确,例如若在在引力、强、弱等作用之中,通过实验发现有的作用的传递速度大于真空中的光速,则认为‘引力、强、弱等作用也是以光速传递’的看法就得修改。狭义相对论采用了这个看法,当然狭义相对论也必须修改或被否定。然而,现有的实验结果尚不足以肯定有的作用的传递速度大于真空中的光速,或者上述修改后的看法尚未获得多数物理学者的承认,按照物理学的传统做法,旧看法和旧理论仍可不轻易地急于修改或否定而应暂时保留。光速不变原理就属于这种情况。 若假定光速是信息传递最大速度,加上相对性原理就可推出光速不变原理,这留在下次博文说明。
个人分类: 未分类|5264 次阅读|17 个评论
追问:光速不变原理
热度 18 lix 2014-4-6 17:13
在 请教:光速不变原理 以后,几位老师给出了比较明确的答复,如下: 马青平 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=279604do=blogid=779581 洛纶兹变换实际上是洛伦兹为了解释迈克尔孙 - 莫雷实验的阴性结果提出的“经验”公式 文克玲 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=583426do=blogid=781088 实际上据我所知,至今为止并没有一个实验直接证明光速不变原理, 李世春 评论 65 【光速不变】 。。。老爱是百分之百借用了 “ 迈克耳孙-莫雷实验 ” 的实验结果。 谨此致谢。另外还有几位老师,讲的也很好,但离老邪的简单问题太高深了一点,可能理解不了,是老邪自己的错,这里就不重复了,抱歉!即使上列三位老师,回答也不够直接,需要理解。老邪的理解是文老师认为迈克耳孙-莫雷实验并未直接证明光速不变原理,马老师和李老师则认为 MM 实验结果的确是光速不变。如果我理解错误,请指正。 徐晓老师似乎下一篇就准备明确回答,黄秀清老师则承诺回答,老邪等得有些着急了,又不好意思催,。。。 另外,陈奂生老师也曾经答应过春节前指教关于分形的一个问题的,期待中。。。。
个人分类: 怪哉虫儿|8718 次阅读|50 个评论
扫大侠、张大侠,MM来了!
热度 21 xqhuang 2013-6-8 20:19
扫大侠、张大侠,MM来了! 猴,【爱】的终结者! 几天前,受【扫地僧】神侠之诱讲述了一段动人的【爱的故事】,效果大大出乎意料,听众给予如此多的掌声和鼓励。孤独坐在屏幕前,听到掌声不断响起,我的心中有无限感慨,好象第一篇博文,看到第一个推荐,我的眼泪忍不住掉下来。 “秀清,还是讲讲【MM的故事】吧!”,听众中有人大喊道,循声望去,原来是令科湖闻风丧胆的树风大侠!有一段时间了,张大侠几乎从科网销声匿迹,此番冒泡莫非树大招风?心想来者不善,还是小心为上。 正冥思苦想如何迎战张大侠,忽然,茶馆上空炸起八声响雷,“大胆泼猴,跳过【爱因斯坦坑】,还想跳出本大侠的手心吗?”,抬头一看,原来又是【扫地僧】,真是“说曹操曹操到”。再瞧,其手提一大红灯笼,上书醒目大字【MM】,顿时倒吸一口凉气,真是“怕什么来什么”。 【MM】就像孙悟空头上的紧箍咒,显然,张大侠和扫大侠都想借【MM】这个紧箍咒降服本猴,以为一念【MM】咒语,定能治得本猴满地打滚求饶,司马昭之心! 一、MM的故事 图1 迈克耳逊--莫雷干涉仪 【MM的故事】发生在long long ago,确切地说是1887年,故事的两个主人公,一个叫迈克耳逊(M),另一个叫莫雷(M)。那年,MM组合做了一个轰动世界的实验,后人常称之为“MM实验”,迈克耳逊也因此在1907年为美国夺得第一个诺贝尔奖。 “MM实验”源于著名的麦克斯韦方程,19世纪的物理学家认为电磁波的传播需要一种特殊的传播媒质,它叫“以太”。假想中的“以太”可以说是个怪物,它无比稀薄却比钢还坚硬,它没有质量,它绝对静止,它充满整个宇宙,是电磁波可在其中传播的“绝对静止”的参照系。 寻找和证实“以太”的存在,成为大家共同的目标,如果“以太”是绝对静止的,有人预言在地球就能测量到“以太风”(或“上帝风”)。1879年,麦克斯韦给美国航海年历局写信,建议通过天文学方法(木星卫蚀)发现“以太风”。当时,年仅25岁的迈克尔逊刚好在年历局,受信件内容的启发,他发明了一种干涉仪(如图1),理论上,它能够测出由“以太风”导致的干涉花样的变化。尽管仪器不断被改进、实验误差不断被减小,预言中的“以太风”可能引起的0.4条干涉条纹的移动始终没有观察到,所有实验都是没有条纹移动的“零结果”。 以太不存在!有人哭了,有人笑了,也有人惊呆了。1900年,英国著名物理学家汤姆生发表了新年祝词,他认为:物理学大厦已经建成,剩下的只是一些很小的修饰工作。他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:在物理学晴朗的天空远处,还有两朵令人不安的乌云,。。。这其中的一朵乌云就是“MM实验”否定了“以太漂移”学说。 说“MM实验”是朵乌云,其实很是可笑!先不较真“以太”刚性、绝对、静止等假设的科学性,问个最最基本的问题:图中的以太风速度u如何定义?众所周知,计算中取地球公转速度u=30公里/秒为“以太风”速度,这意味着,太阳成为弥漫在整个宇宙的“以太中心”!那么请问,“以太日心说”的科学根据是什么? 二、骗子的诞生 对于“MM实验”的“零结果”,不少人仍希望在旧“以太”框架下得到解释,其中最著名的有菲兹杰拉德和洛伦兹的“收缩假说”。1889年,爱尔兰物理学家菲兹杰拉德对“零结果”提出了一种新奇的解释:当地球穿过以太运动,在运动方向上将产生一定比例的“长度收缩”,它可以用收缩因子√(1-u 2 /c 2 )进行表征,其中u为物体相对绝对静止以太的速度,c为光速。1892年,荷兰物理学家洛伦兹(1902年诺贝尔物理奖获得者)首次给出了著名的“洛伦兹变换”,根据这个变换,他同样获 得 √(1-u 2 /c 2 ) 收 缩因子。1895年,法国物理学家彭伽勒对用“长度收缩”来解释“零结果”进行批评,他最先提出相对性原理这一名称,并猜测光速不变且各向同性。 时间到了1905年,【爱】闪亮登场了,听说他是在完全不知晓前述各位大师的工作情况下,闭门造车了一套没有“以太”的理论(相对性原理+光速不变),依此,神奇般地获得已流行学术界十多年的“洛伦兹变换”和“长度收缩因子”。相对论宣称也能解释“零结果”,在我看来,不过是新版的1和-1的数学游戏,只是参与游戏的两个对象变成“尺子”和“时钟”。 谁都能看出来,【爱】的“独创理论”并非独创,而是大量借鉴前人的理论和实验结果后胡拼乱凑出来的,论文的许多所谓推导都被后人证明是错误的。但是,【爱】在所有公开场合都死不承认他的理论参考了前辈的工作,更为无耻的是,在一次接受记者采访时他一方面高度赞扬了迈克尔逊的工作,另一方面却说:我已记不起当年是否读过迈克尔逊的文章。 成名后的【爱】,一直被宣传为不爱听课、经常无故旷课的差生,却又能专心阅读前沿物理的天才。然而,在他的狭义相对论理论文章中,所有与他的理论相关的重要文献和作者都只字不提(原文没有一篇参考文献!),【爱】的理由是没看过、不知道。为了掩盖盗取他人学术思想的事实,自编自导出“追光少年”的神话故事,见过无耻没有见过这么无耻!【爱】,我都替你脸红了,你这般煞费苦心,不就是想说你是“神”而不是“贼”、你的理论是“神来之笔”而不是“盗来之物”! 朋友,了解了【爱】是如何挖到“第一桶金”的历史真相,您还能容忍【爱】的“人品”和“学品”吗?您还会对【爱】顶礼膜拜吗? 对我总跟【爱】过不去,有人认为是“羡慕嫉妒恨”,就凭【爱】那三脚猫的物理,配吗?我是“愤怒鄙视气”,“愤怒”是因为神圣的物理学被侮辱糟蹋了,“鄙视”的是【爱】明目张胆的骗子行为,“气”的是有人一直隐瞒事实真相、继续造神欺骗大众。 三、自然科学乃是实验科学 【自然科学乃是实验科学】,这是扫大侠在《答秀清兄奇文》中反复强调的一句话,这句话说得太好了,它不仅仅是扫大侠对本猴的忠告,它也应该成为每一位致力于自然科学理论创新的叛徒的座右铭。 为回答【扫地僧】的问题,我在博文“真理总是赤裸裸”中首次提出了运动学速度和动力学速度的新概念,并赫然纹着【运动学速度可以超光速】!嘿嘿,它是本猴无意中挖的一个小坑,心想肯定坑害不了扫大侠,不料扫大侠落坑了,真应验了“智者千虑必有一失”! 扫大侠此番马失前蹄,皆因有很强的恋【爱】情结,科学实验证明:恋【爱】容易让人智商降低。扫地僧兄弟,还请尽快悬崖勒马,回头是岸! 1. 为什么运动学速度可以超光速? 图2 数学惯性参照系中的超光速 【扫地僧】问:秀清,现在同意“运动学速度可以超光速”是猴功的大破绽吗?本猴微微一笑:非也!显然,扫兄您还没有领略猴功的奥妙和博大精深。 大家都听说过“惯性参照系”,它通常用数学坐标系进行描述,所以,数学的惯性参照系是没有物质属性的,而它所要描述的对象是有物质属性的。这种描述方式的非物质与对象的物质性,可能导致运动与物质的完全分离,从而产生运动学的“超光速”现象。 如上图2(a),一个与光源相对静止的数学惯性系,其上相距L处安放着两个红色的计时光电门,假设光源发出的光在t 1 和t 2 时刻先后穿过两光电门,不难算出光速V 1 =L/(t 2 -t 1 )=c,即,运动学光速等于动力学光速。 为了下面的讨论,不妨用深颜色表示两光电门之间的这段特殊空气。现在让坐标以速度u运动起来,图(b)向右、图(c)向左,请注意,坐标系运动并没有带动深颜色这部分空气一起运动。在图(b)的情况下,光通过两光电门所经历的实际空气长度减少为L-d,可算出V 2 =c+u,超光速了!友情提示:这是坐标系运动导致的运动学超光速,而不是光与光传播介质相互作用导致的动力学超光速;在图(c)的情况下,可得V 3 =c-u,这是因为与光发生相互作用的空气长度增加为(L+d)。从上图还不难看出,坐标系是否运动并不能改变光在空气中的运动,三束光以相同的动力学速度c同步向前飞跑。 2. 地球跑车测得的是运动学速度吗? 图3 物质参照系,运动学光速等于动力学光速,与参照系运动无关 【扫地僧】把地球想象成一辆向着阳光飞奔的跑车,为什么飙地球实验并没有发现猴功所预言的超光速? 还是看图说话吧,现在我们把图2非物质的数学坐标系换成密封着静止空气的测速跑车,如图3所示。当跑车相对光源静止时(图3(a)),结论与图2(a)一样V 1 =c。当跑车飙起来,结果又会怎样?如图3(b)-(c)所示,无论跑车的速度和跑动方向,测速跑车所测速度V 2 =V 3 =c。运动学光速还是等于动力学光速,奇怪吗?一点都不!道理很简单,因为进入测速车内的光与车内空气相互作用的距离始终等于L(请注意,这点与图2不同!),与跑车运动方向和速度无关。 扫大侠的地球车,相当于图3中封闭空气的测速车,所测光速当然等于光在空气中传播的动力学光速。扫大侠,有大破绽吗? 图4 光“滞后”的动力学原因 各位请比较图3和图2,是否发现光穿过不同测速跑车后,不再同步了!向右的车使光滞后了,而向左的使光超前了,这又是为什么呢?简单说吧,前者让光走了一段“重复”的路程,所以滞后了,而后者让光在车外少走了一段路程,所以超前了。 以图3(b)的滞后为例,光的传播可以分为三 个阶段( 如图4所示 ),( a)从光源到光电门1;(b)在测速车内(从光电门1到光电门2);(c)从光电门2出来后。从图中不难看到,由于车带着光后退,等价于光重复走了d的路程(两绿色虚线之间),感觉像光走慢了。 扫地僧教导我们:自然科学乃是实验科学。下面本猴将设计一个实验,用于检验图3的时间超前与滞后效应。 3. 动力学光速效应 图5 动力学光速效应的光学检验 用超高速汽车进行光学测量显然不现实,咱们换个思路,车不动、空气动起来!如图5所示,让空气在一个长为L的矩形管道腔内以速度u高速循环。如果u=0,上下两束光将同时到达干涉屏,如果u≠0,两束光存在时间差,干涉屏上的干涉条纹将随u的不同而产生移动。 根据光动力学速度理论,两束光在空气中的动力学速度相同(不管腔内、腔外,都是c),由于上下对称,上下两束光在腔外传播部分不产生时间差,所以,时间差是由于腔内空气的运动造成的。 既然,光在运动空气中的动力学速度仍为c,那么,是什么原因导致上下两光束的时间差?答案:光与管道腔内空气的相互作用长度不同! 当u=0时,上光束在1(红色圆)处开始在腔内传播,在1'(黑色圆)处离开腔体,与腔内空气的作用长度为L,同理,下光束从2(红色圆)处进入腔体、2'(黑色圆)处离开,作用长度也是L,此时,两个束没有时间差。当u≠0时,由于假设空气在管道内按逆时针运动,上光束仅与1-1''(红色圆)的空气发生相互作用,它少走了1''-1'(=d)这段光程,而下光束却要多走2'-2''(=d)这段光程。在理想状况下,可得两光束的时间差Δt(u)=2Lc/(c 2 -u 2 )。 有心的读者一定早已发现,这其实就是很古老的斐索流水实验,【爱】诞生后,它也被说成是一种相对论效应。有【爱】就有一切,在【爱】的利益驱使下,越来越多与相对论风马牛不相及的实验都迫不及待地贴上相对论的标签,迈克尔逊-莫雷实验、Sagnac 效应、光纤陀螺、GPS、。。。,多少人为【爱】痴狂?真相已经大白,这些都是本猴不小心发现的动力学光速效应。 四、破解MM之谜 关于MM的“零结果”之谜,张大侠语出惊人:【我只要说几句话,全世界无论官科民科都要使劲儿拍大腿,保证哑口无言】。破解MM之谜,真的只需要几句话,今天我就抢先替张大侠把话说了,张大侠听后可千万不要使劲儿拍大腿啊! 要进行原始创新,一定要从问题的根部入手,跟在所谓的大师屁股后,只能闻其屁、吃其屎。“零结果”问题的根在麦克斯韦方程,问一个最最根本的问题,麦克斯韦方程真的需要“以太”吗?不需要! 众所周知,建立麦克斯韦方程的所有实验都在地球上完成的、都在空气或空气包围中进行的,还找什么“以太”?空气就是呀!麦克斯韦方程告诉我们这样一个科学事实:与光速相比较,空气可以近似认为是完全静止的。请回头看看图1的【MM实验】,它仅仅证实干涉仪周围(绿色虚线内)的空气是相对静止和各向同性,这点与麦克斯韦方程完全自洽,不存在“乌云”之说。根据光动力学速度不变原理,干涉仪内的传播光的动力学速度是各向相同的,所以,“零结果”是必然的! 本来就是一个极其简单的经典光学问题,扯什么“以太”?空间收缩?尺子变短?时钟变慢?。。。什么科学大师,一群投机分子和学术饭桶! 五、后记:饭桶的故事 曾经,地球上没有雷声,某年某月某日的某一刻,“轰”的一声巨响,那是地球的第一声响雷!“这么响,是谁放的屁?”,一群地球神人围在一起讨论。 神A :这应该是传说中的上帝放的屁!上帝可能就躲在太阳里。 神B :上帝若躲在太阳里,它就一定会在地球上留下一个晃动的影子! 神C :上帝的影子?我找找看!找呀找,郁闷啊,怎么就找不到上帝的影子呢? 神D :上帝肯定是存在的,影子也肯定是有的。我猜还有一个魔鬼躲在太阳中,两个影子同时投射到地球,一正一负叠加在一起,上帝的影子就看不到了。 神E :太阳里没有上帝!躲在太阳里的是亚当和夏娃,那响声是他们的【爱】声。他们的影子同时投影在地球,一阴一阳,所以看不见。 众神都认为神E讲的【爱的故事】最好,于是,他们一起跪倒在神E脚下,山呼万岁。一百多年了,人们仍沉醉于【爱】的浪漫故事,一个荒诞的神话故事。
个人分类: 鳖解物理|4863 次阅读|56 个评论
系列论文之三:“光速不变原理”隐藏的概念与过程问题
wujg699 2012-9-16 15:29
“物理哲学重构”系列论文之三: “光速不变原理”隐藏的概念与过程问题 吴建国 (南京邮电大学 校学术委员会办公室,南京 210046 ) 摘 要: 科学哲学 司职概念批判。本文对“光速不变原理”相关概念含义进行审视,尝试从主客对应、概念指意、过程实现等角度揭示可能隐潜着的一些问题,并给出了一些可能“猜想”。 关键词 :光速不变,时间,相对论,时空观 1905 年爱因斯坦在《论动体的电动力学》中提到光速问题: “ 光在空虚空间里总是以一确定的速度 V 传播着,这速度同发射体的运动状态无关。 ” 97-98 “ 下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的,这两条原理我们定义如下: 1. 物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。 2. 任何光线在 ‘ 静止的 ’ 坐标系中都是以确定的速度 V 运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。 ” 100-101 “ 对于大于光速的速度,我们的讨论就变得毫无疑义了;在以后的讨论中,我们会发现,光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色。 ” 109 “ 由此,当 υ=V 时, W 就变成无限大。正像我们以前的结果一样,超光速的速度没有存在的可能。 ” 127 此后,人们逐渐把爱因斯坦狭义相对论的“光速不变原理”作为“光速理论”范式,并概括为:无论在何种惯性系(惯性参照系)中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数 C ,都为 299792.458 千米 / 秒;没有超过真空光速的物质运动。 35 近百年来,人们对此“光速不变原理”多有存疑不解之处。 英国《自然》杂志网站 2011 年 9 月 22 日报道,意大利格兰萨索国家实验室 “ 奥佩拉 ” 项目研究人员使用一套装置,接收 730 公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束,发现中微子比光子提前 60 纳秒到达(即每秒钟多 “ 跑 ”6 公里) 。这使人们对“光速不变原理”疑虑加重,成为社会关注热点。目前,对此要做的工作有两种,其一是验证反例,其二是审视“光速理论”。 关于重新审视“光速不变原理”,不妨假设中微子超光速现象作为“反例”一再被观测到,那“光速不变原理”是否仍具有限合理性?相对论是否依然成立?哪些推论应该更新?而哪些推论仍然有效?是用“老概念”重新界定?还是细分出新概念?等等。假使此次“反例”在验证中被消除,作为“光速不变原理”自身是否有尚不被追究的问题?是隐含在“概念”层面?或隐含在“过程”层面?多年来,这些问题不被追究,或因物理学家无力进行概念层面的哲学追究;或因哲学家不敢进行概念层面的物理追究;或因科学家与哲学家均满足于“可用标准”而缺乏追究的勇气。 一、 “光速不变原理”隐藏的表述含义问题 1 、“真空光速”概念含义问题 “真空光速”概念的提出,一方面是说“光可作无介质传播”,不同于声波那种介质振动的能量传播,是物质(粒子、束或团)的空间位置运动方式传播;从而可以去掉早先的“以太介质”设定,否定了以太说,为光量子说奠定了基础。另一方面是说,“光也可在介质环境传播”,光在介质环境(如水、空气、玻璃等)中传播速度相应降低(可用麦克斯韦理论解释),从而推论出“光在真空中传播速度最快”。 问题在于:“真空环境”是指无其它物质、没有相互作用的空间;客体世界不存在“真空环境”;“真空光速”最可能的理解是理想环境的“极限光速”。最接近真空环境的“太空环境”中尚存在 宇宙微波背景辐射 、导致光引力弯曲的引力场、能够相互干涉的其它光(电磁波)束,也存在着中微子等粒子、暗物质等等,所以客体世界中并不存在“真空光速”,光速都要有附加的传播环境条件说明。 2 、“真空光速最大”含义问题 既然说“真空光速 C ”最可能指意是“极限光速”,这符合麦克斯韦理论解释;那把“极限光速”外推成“客体的极限速度”,却是经验性的,有很大风险的“公设”。中微子超光速现象冲击的就是这个“公设”。 问题在于:与光相比较,受传播环境影响不大的中微子(穿透力远强于光子),却可能有更为理想的“真空中微子速度”。就是说,中微子传播速度或许可以不附加存在环境条件说明,其介质速度或许与真空速度等同。仅从不受介质环境影响来说,极有可能“中微子速度”与“真空光速 C ”更相符,并大于“太空光速”或任何“介质光速”。 3 、“光速与光源无关”含义问题 一是说光子(束或团)同光源分离后,在相同介质环境中以相同的速度传播(随介质环境而变),而与光源无相互作用,不存在“光源拖曳”。二是说光束与光源分离后,立即作光速传播运动,而这变化并不是因为与光源相互作用而被加速的。 隐含问题是:曾经作为光源部分的光束何以不被加速地实现高速?这肯定应该有个唯物性的过程解释。更为关键的是,还有哪些基本粒子是如光束一样能够实现不被加速就能自动变高速?其实,也是问“光”何以被特殊?中微子是否更有资格被特殊? 4 、“光速与参照系无关”含义问题 一是说,“真空光速为常数 C ”作为客体世界存在的物理规律,它与是否被观测以及如何观测无关;其二是说,虽然在不同惯性系可得到不同的光速测量值,狭义相对论认为可以通过洛伦兹因子作系数进行换算,使“真空光速为常数 C ”这一物理规律仍然成立。 问题是,人们常把它解说成:在所有惯性系中,光速测量值具有相同的量值( C )。 二、“光速不变原理”隐藏的概念区分问题 1 、“运动速度”与“平均速度”区分问题 辩证唯物论认为,运动速度是客体(结构体与非结构体)在客体世界中存在所具有的属性特征,它不等于“路程除以时间”方法所得的“平均速度”。客体(结构体)在客体世界中“运动速度”虽可变,但作为“存在属性”总有唯一的值。客体世界的结构与形态因“相互作用”而不断变化,但从“存在”角度讲,它的结构与形态是唯一的“现在”。 为了描述客体世界的结构形态变化,主体世界引入了“时间”参数(来表征事物存在的延续性)。这样,在客体世界中事物只具有唯一的“时态”,没有时间长度;而在主体世界中事物具有了连续性“时态”,有时间长度。“客体存在(或运动)时间”是主体赋予客体事物因果链条的历史性参数。客体的“平均速度”是主体采用“电影胶片”式方法来历史性研究“客体运动”所得结论。客体世界中,本不存在“平均速度”所对应的现象。客体的“运动速度”这一属性特征,被主体用“平均速度”历史故事情节来描述。 主体似一架优质的历史影片记录机器,并能依靠分析历史趋势来决定“现实行为”取向。历史方法被主体本能地应用于生存与探索活动,却往往让主体产生主客不分的混乱。 2 、“轨迹速度”与“距离速度”区分问题 辩证唯物论认为,在客体世界中,客体与空间共存,客体“运动速度特征”相对于空间而存在。为描述客体运动特征方便,主体把空间作为不变背景(绝对空间)。对客体相对空间中位置变化,存在两种描述方法:其一,用前后两空间位置的距离( L )与时间( T )相比值,得“距离速度”;其二,用空间位置连接成的轨迹( S )与时间( T )相比值,得“轨迹速度”;且轨迹大于等于距离。主体用“距离速度”或“轨迹速度”描述客体的“运动速度”特征,建造了主体世界与客体世界的对应关系。因为宏观客体运动的波性不明显,轨迹速度接近距离速度;光子与中微子等粒子运动具有很强“波性”,那它们的“轨迹速度”就会大于“距离速度”。 隐含问题是:爱因斯坦的“光速不变论”中通常称“光的真空传播速度为常数 C ”。如将“真空(传播)光速 C ”理解为“光的真空距离速度为常数 C ” , 那么“光的真空轨迹速度就大于 C ”;如果将“真空(传播)光速 C ”理解为“光的真空轨迹速度为常数 C ”,倒是可能选择的方案;但那实验测得光速值(约 299 792 458m / s )属于距离速度,它肯定不能等同常数 C 。 3 、“传播速度”与“游行速度”区分问题。 爱因斯坦“光速不变论”中设定“真空中光粒子传播速度均为常数 C ”。这其中隐含着另一类问题:为什么能量不同、波长不同、振幅不同的的光粒子在“真空中”都采用统一的传播速度(常数 C )?如果说,这是光粒子出生就有的纪律特征,那也需要解释为什么这些光粒子能够在其它传播介质中自动调整为统一的传播速度(小于 C 的各种值)。 对此最为方便的想象是,光的介质传播速度是光粒子在介质中的“游行速度”(总以极限速度运动的粒子因轨迹形状而表现出的线性运动速度),各种传播介质各自为光规定了“游行速度”(有折射率关系)。所以爱因斯坦的“光速不变论”中,不但存在“传播速度”与“游行速度”关系问题,还存在“真空光速 C ”是不是“游行速度”问题。如果“真空光速 C ”不属于“游行速度”,那么为何也有统一速度 ( 常数 C)? 4 、“测量速度”与“真空速度”区分问题 历史上,关于光速值的测量曾经是一个被认为有价值的研究工作,也确实使光(粒子或光束)的“测量速度”不断趋向精确。 在常数的数据处理中,国际上一直采用最小二乘法平差来得出常数的一组最佳值。由于基本常数领域中研究工作的不断进展,常数数值也会不断更新,因此在大约十年左右将进行一次基本常数的新的平差 , 由此获得新的国际推荐值。 1986 年完成的一次平差,是由在国际科学协会科学技术数据委员会(简称 CODATA )基本常数工作组的泰勒和科恩负责编纂的;按基本物理常数的 1986 年国际推荐值:真空中光速( C )的最佳实验值为 299792458±1.2m/s ,真空中光速 (C) 的供计算用值为 3.00×10 8 m/s 。 问题在于:将理论上的“真空光速 C ”等同于“光速测量值”本身就是概念混淆的作法,它只是在解决具体运用层面上最佳近似的问题,但也客观上消解了人们对两者区分的社会动力;将两者物理概念差异问题隐藏起来。 三、“光速不变原理”隐藏的物理过程层面问题 1 、中微子与光子的运动环境区分问题 “运动环境”能否对中微子、光子产生区分?中微子甚至能海量穿透地球这种传播介质(却很难观测到),对此光子做不到,就说明“中微子”受运动环境影响远比光子小。可以推论,同一实验条件下,中微子速度的“测量值”接近理论上的中微子“真空速度”效果,会好于光速的“测量值”接近理论上的光的“真空速度”效果。假定中微子、光子的“真空速度”是等同(极限速度)的,那么实验(如 “ 奥佩拉 ” 项目)“介质环境”中“中微子速度测量值”大于“光子速度测量值”一些应属于正常现象。 2 、客体(结构体)与光子(非结构体)运动方式区分问题 按辩证唯物论观点,作为客体的宏观物体与微观粒子都有与生俱来的“运动”属性(有速度差异),但两者的运动属性却可能有着本质的区别。宏观客体皆是由基本粒子构成的结构体,采用结构体的运动属性――可以被变速但不能达到极限速度的运动(解体后才能达到);光子和中微子却可相对认为是采用非结构体(原始粒子),即是以原始粒子运动属性――总是以极限速度运动,在结构体中也是如此。 可以猜想的是:光子与中微子等在空间以其与生俱来的“真空速度”运动,而这种运动有两种基本方式――绕点螺旋或绕线螺旋;当一个或数个原始粒子作绕点螺旋运动之时,便形成初级结构体(如电子等),进而形成更复杂的高级结构体(如中子、原子、宏观客体等);电子湮灭,是初级结构体解体过程,是粒子从绕点螺旋运动变为绕线螺旋运动过程。 那么可把“光速与光源运动状态无关”解说为:光粒子(非结构体)从光源(结构体)分离出来,是从绕点螺旋变成了绕线螺旋运动(高速传播),不存在被加速的过程;而大的结构体分解成小结构体时,就存在不被加速就同速的现象。 假使物体(结构体)被加速到原始粒子同样的极限速度(如真空光速 C ),那结构体必然解体。所以可以将“真空光速”视为极限速度。 3 、“质量”与“真空光速 C ”关系问题 质量,是描述物体含有“物质”多少的量。物质在客体世界不生不灭,只能从一从聚集形态(物体)转变为另一种聚集形态(其他物体)。客体分为结构体(物体)与非结构体(原始粒子,或称物质)。客体均有质量,只是不能采用测物体质量的方法测到原始粒子质量(或者说,测到的都是物体)。 能量,是描述物体对其它物体做功的量。原始粒子的能量与其质量、速度成正比。设质量为 m 、速度为 C 的光粒子对其它物体能做功为 E 。如果对于匀速运动、质量为 m 的光粒子,从速度 C 降到静止,那对外做功为 mC 2 /2 ;但光粒子对其它物体做功后,其速度仍为 C (真空光速是其存在属性),可认为还放出了从静止到速度为(– C )的功( mC 2 /2 )。所以对光粒子来说,可以认为爱因斯坦 E = mC 2 这种质能关系成立。 物体(结构体)放出一颗光子,新物体就要少掉质量 m ,对环境就可做功 E( 可以用 mC 2 值来描述 ) 。新物体加那颗光子,总质量守恒;物体放出粒子而总能量减少 E 、环境获得粒子增加能量为 E (如让原子核外电子实现跃迁),总能量守恒。 4 、“真空光速为 C ”能否被加速问题 前面猜想过,光粒子等非结构体,无论是否在结构体中,都以极限速度(如真空光速 C )运动。这其中隐含着问题:为什么是常数 C 而不是其它常数?对此或许可以用宇宙大爆炸理论来解释;但光粒子等原始粒子的运动速度为什么能够不被加(减)速?光子在太阳内部传播速度很慢,是否依然仅是因“游行速度”才很慢,能否说光子等原始粒子运动速度也可被环境加减速?等等。 5 、关于“时空穿越”问题 从辩证唯物论透望,客体世界由客体与空间构成,物体是指物质非结构体(原始粒子)及其各种空间结构体,物体具有相对空间的运动属性,物体间因相互作用关系形成事件;客体世界的结构形态因“相互作用”不断变化,但客体世界及其中事物的存在具有唯一性,即客体世界中没有“时间”问题。 时间,是主体为描述客体世界结构形态的因果变化而引入的历史性参数,是用“此时”对应“存在(此在)”、用“时间长度”对应“客体世界事物因果变化历史链条的长度”。而“客体世界事物因果变化的历史链条”在客体世界并不存在。 可以说,有时间长度的事物,都只能存在于主体世界之中。客体世界事物都没有“时间长度”,客体世界中不存在“历史”。客体变化只被现存客体相互作用所导演;主体描述这种变化时,才用历史方法概括为因果律。“时空穿越”只能是主体世界事物(物象)的次序上的局部混乱。 假使人们真的能在客体世界中,实现了让物体(结构体)加速达到极限速度“真空光速 C ”,那会导致物体解体为物质(原始粒子),而不能实现“时空穿越”去到“过去”或“未来”。 参考文献: 约翰 . 施塔赫尔主编,范岱年、许良英译 . 爱因斯坦奇迹年--改变物理学面貌的五篇论文 . 上海科技教育出版社, 2001 年版 . 朱荣华等 . 物理学教程 . 重庆大学出版社, 1993 年版 . 自然 科学期刊 (Nature). .http://www.nature.com/news/2011/110922/full/news.2011.554.html 爱因斯坦文集(第一卷) . 许良英、范岱年编译 . 北京:商务印书馆, 1977 年版 . 爱因斯坦文集(第二卷) . 范岱年、赵中立、许良英编译 . 北京:商务印书馆, 1977 年版 . 爱因斯坦文集(第三卷) . 许良英、赵中立、张宣三编译 . 北京:商务印书馆, 1979 年版。 收稿日期: 2012 年 7 月 — 作者简介:吴建国( 1965-- ),克山人,科技哲学博士,南京邮电大学教授,主要研究方向:科技哲学、知识产权管理等。
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光速与发射源速度无关的本质
zbouyang 2011-10-20 12:54
光速与发射源速度无关的本质 光的速度是MAXWELL波动方程决定的电磁波在介质中的传播速度。由于光可以在真空中传播,而真空是不依赖于任何物体而存在的,因此真空中传播的光波的速度是与任何物体的移动与否没有关系的。 那么当光源位于具有一定质量的介质中的情况时,观察者观察到的光速又如何呢?当光在具有质量的介质中传播时,MAXWELL波动方程所描述的波动被限制在这种介质中(因为介质中的波阵面上的子波波源就是介质中的物质粒子),电磁波在这种介质中的传播速度取决于介质的介电特性,因此该介质坐标系中的观察者所观察到的电磁波的传播速度是一个常数。 但若观察者不在这种介质中,而在一个相对该介质坐标系以一定速度运动的空间中时,且观察者与该介质之间有真空相隔,则由于观察者看到的电磁波必须经过真空才能到达观察者,而光波一旦进入真空后,其传播速度就变成恒定的,结果是观察者看到的光速还是真空中的光速,与光源是否在运动没有关系。 综上所述,无论观察者在哪里,所观察到的光速似乎都是常数。 但有一种情况可能需要做深入研究,那就是,观察者与光源同处于一种具有比较大的质量的介质中【举例:设一条光纤的某处有一激光发射点,在另一处有一个传感器(即观察者),光纤在外力作用下有拉伸运动,就属于这种情况,即观察者与光源在同一有较大质量的介质中,且观察者与光源之间有相对运动速度】,则当观察者相对于波源有运动速度时,观察者所观察到的波的传播速度如何呢?是否还是与光源的运动速度无关呢?大家可以计算一下。 再有一种情况是,电磁波/光波在真空中传播,观察者相对于真空在运动,这时通常的说法是光波会发生多普勒频移,即运动(相对于真空)观察者观察到的光的频率与静止(相对于真空)观察者观察到的光波的频率不同。确实,运动观察者的仪器会测量到光波频率有变化,但是,我们是否可以换一个角度来看问题呢?即观察频率的变化是否可以看做是电磁波速度 相对于观察者发生了 变化的一种表现形式呢?大家知道,无论观察者是静止还是运动,真空中传播的光的能量并不会受到观察者的影响,而光的能量即反映了光的频率,即光的能量不变意味着光的频率不变。因此,从本质上来说,多普勒频移效应是观察者观察到的光波的相对传播速度发生变化的一种体现形式,这里虽然观察者的仪器测量到的光波信号感应电流出现了频率的变化,但是真正的本质原因是光波相对于观察者的传播速度发生的变化导致了仪器的感应电流频率发生变化。以此来看,光的传播速度(这里是指光波相对于观察者的传播速度)还是与观察者的运动有关的。一个形象的比喻是,将真空中传播的光波看成是一列很长的火车,每一节火车车厢对应一个光波的空间波动周期,这样的“火车”在飞驰时并不会受到观察者的任何影响,即波数k是不会发生变化的。但是相对于真空静止的观察者与相对于真空运动的观察者所看到这列“火车”的运动速度会有差异,这个差异即表现为多普勒频移:(观察频率(圆频率)的变化值)=(“火车的相对速度”变化值)x(波数k).
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广义相对论中的局部光速不变原理
热度 1 chenfap 2011-7-26 06:47
广义相对论中的局部光速不变原理
广义相对论中的局部光速不变原理 (物理学上的时空与物质 43 ) 第五章 广义相对论关于时空的基本概念和基本规律 5.2.3 广义相对论中的局部光速不变原理 光速不变原理,亦即 “ 任何两个彼此相互运动的惯性参照系之光速恒相等,同 光源的运动情况无关 ” 是狭义相对论的基本假设,是爱因斯坦建立狭义相对论的基础。 广义相对论继承了 狭义相对论中‘光速不变’的基本假设,但把其适用范围缩小到 只限于所涉及的时 - 空点附近的局部区域;这是因为对于广义相对论,“ 在 全时 - 空中, 狭义相对论不成立,也不存 在 惯性参照系;而在 局部时 - 空中, 狭义相对论近似成立, 且可近似地存 在 惯性参照系。 ” 我们讲过, 在狭义相对论中,若采用惯性参照系并采用直角坐标系,则时空中两事件之间的时 - 空间隔可表示为
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如果你能站在宇宙之外
热度 2 liwei999 2011-2-15 07:20
镜老。。光速不变,请百忙之中亲自科普一哈。。 (77 bytes) - cruiser2009 keiher:如果观察者跑向声源,测量到的声音速度就变快了。 送交者: astounded 于 2011-02-11 11:51:48 而观察者跑向光源,测量到的光速不会变。 你的例子是否有问题? 送交者: keiher 于 2011-02-08 19:34:37 回答: 质疑相对论 由 云海 于 2011-02-08 17:07:55 光速不变很多人不理解。其实,有一个很好的容易理解的例子:假设汽车的喇叭声音在空气中的传播速度,车子不动时是360m/s。车子只要速度低于360m/s,在车子前方的一个人观察到的速度其实与车子的速度无关。这应该很类似于光速不变。 有些人会说了,如果想办法把空气运动起来,声音的速度不就是变化了吗?是的,所以我在想,光速不变只是在宇宙之内考虑(相当于与空气连在一起),如果你能站在宇宙之外(相当于不随空气运动),实际上光速应该是可变的。只不过不像汽车喇叭声音那样容易验证罢了! “如果”是个好说法:如果你能站在宇宙之外。 (1246 bytes) Posted by: mirror Date: February 13, 2011 10:48PM “如果你能站在宇宙之外(相当于不随空气运动),实际上光速应该是可变的。” 物理一般是说研究“物质的结构及其运动方式”。但是作为物质的结构及其运动的舞台的时空(=宇宙)也是具有物质性的存在。他们不是在物质之外,而恰恰是物质本身。对这样的说法,一般人还不能认识上去。 研究时空的结构再加上电荷、质量等等的一个手段就是研究“对称性”。比如说“照镜子”就是一种对称的表现。如果人们不认为镜子中的映像与自己的形象(实体)有关,人们也就不会照镜子了。 一个线圈接近一个磁铁与一块磁铁接近一个线圈应该是等价的。电磁学里面的现象对应着时空的“洛伦兹变换”不变的数理结构。比如说两维的直角座标在旋转变换时夹角不变。“夹角不变”是个很要紧的事情(概念)。速度在x-t二维空间里也是表现为一个夹角。这个“夹角不变”就是所谓的速度不变。所谓光速不变,就是说这样的现象。两维座标里有个椭圆,有标准方程的表达形式。座标转了几度之后,那个椭圆依然是椭圆,但是因为座标轴变了,椭圆的方程式也就要变。这个坐标轴是怎么变的问题在数学上是随意的。但是在物理上,这个变化必须是由“自然”来决定。“自然”决定变换法则就是座标轴的夹角不变,也就是说是个旋转的座标变换。 大约没有人问为什么旋转后的座标轴夹角为什么依然是直角的问题。那么为什么要问光速呢?光速就是那个“直角”。其不变性就是宇宙(=时空)的“结构”。 不知道为什么这类问题要问到镜某头上。但是能有人来问,镜某还是很荣幸的。 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。 http://www.starlakeporch.net/bbs/read.php?1,76035,76038#msg-76038 http://www.starlakeporch.net/bbs/read.php?1,76035,76035#msg-76035
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对网友卞保民问题的回复
chenfap 2010-10-3 08:23
对网友卞保民问题的回复 网友卞保民来信,对我的博文《广义相对论中的度规与光速不变原理(1)》提出了一些问题: 你写的《广义相对论中的度规与光速不变原理(1)》中第一个公式
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广义相对论中的光速不变
chenfap 2010-10-2 16:36
广义相对论中的光速不变 (广义相对论中的度规与光速不变原理(3)) 光速不变原理是狭义相对论的基本假设,是建立狭义相对论的基础。广义相对论继承了狭义相对论中光速不变的基本假设,但把其适用范围缩小到只限于所涉及的时-空点附近的局部区域;而狭义相对论的光速不变原理适用于全部时-空。本次博文将详细和深入地讨论这些问题。 我们讲过,在狭义相对论中,若采用惯性参照系并采用直角坐标系,则时空中两事件之间的时-空间隔可表示为
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无光相对论简介和我的新建议
热度 1 gaoshan1900 2010-8-5 16:29
爱因斯坦的狭义相对论基于光速不变假设,而无光相对论(Relativity without Light)就是试图去掉这个假设,完全利用时空的性质(如均匀性和各向同性)来说明洛仑兹变换的存在。无光相对论的历史可以追溯到相对论刚刚发表之后。1910年,俄国物理学家 Vladimir Ignatowski 最早利用时空性质来试图推导洛仑兹变换。之后,这一推导被很多物理学家不断改进。 A more detailed references in chronological order are Ignatowski (1910, 1911a, 1911b); Frank and Rothe (1911, 1912); Pars (1921); Kaluza (1924); Lalan (1937); Dixon (1940); Weinstock (1965); Mitavalsky (1966); Terletskii (1968); Berzi and Gorini (1969); Gorini and Zecca (1970); Lee and Kalatos (1975); Lvy-Leblond (1976); Srivastava (1981); Mermin (1984); Schwartz (1984, 1985); Singh (1986); Sen (1994); Field (1997); Coleman (2003); Pal (2003); Sonego and Pin (2005); Gannett (2007); Silagadze (2007); Certik (2007); Feigenbaum (2008). 但其中有一个关键问题仍未解决,就是如何确定所导出的类洛仑兹变换中的常数。如果这一常数为无穷大,则对应的变换为伽利略变换。只有这一常数为有限值,其变换才是真正的洛仑兹变换。在我的论文中,我提出了一个论证,认为时空的分立性可以决定这一常数的有限数值,从而最终将爱因斯坦的相对论表述为一个关于时空本身的无光相对论。 It is well known that c is the speed of light in vacuum, which enters into modern physics through one of its foundation stones, the special theory of relativity. Special relativity was originally based on two postulates: the principle of relativity and the constancy of the speed of light. But, as Einstein later admitted to some extent (Einstein 1935), it is an incoherent mixture (Stachel 1995); the first principle is universal in scope, while the second is only a particular property of light, which has obvious electrodynamical origins in Maxwells theory. In fact, there has been a lasting attempt that tries to drop the light postulate from special relativity, which can be traced back to Ignatowski (1910) (see also Torretti 1983; Brown 2005). It is found that, based only on homogeneity of space and time, isotropy of space and the principle of relativity, one can deduce Lorentz-like transformations with an undetermined invariant speed. Unlike special relativity that needs to assume the constancy of the speed of light, an invariant speed naturally appears in the theory, which is usually called relativity without light. This is a surprise indeed. Since the value of the invariant speed can be infinite or finite, the theory of relativity without light actually allows two possible transformations: Galilean and Lorentzian. An empirical element is still needed to determine the invariant speed and further eliminate the Galilean transformations. This raises serious doubts about the connection between the theory and special relativity. Some authors insisted that the light postulate in special relativity is still needed to derive the Lorentz transformations (Pauli 1921; Resnick 1967; Miller 1981). Others doubted that the theory is indeed relativistic in nature (Brown 2005). However, it can be argued that the empirical element may not refer to any properties of light in an essential way (see, e.g. Lvy-Leblond 1976; Mermin 1984). Thus, the existing theory of relativity without light is definitely an advance, but admittedly there is still a step away between it and the Lorentz transformations in special relativity; resorting to experience to determine its invariant speed is just a makeshift. The challenge for future work is two-fold. On the one hand, we need to further determine the invariant speed, not by experience but by some deeper postulates (e.g. postulates about space and time). If successful, this will establish a more complete theory of relativity without light, which can be taken as a further development of special relativity; On the other hand, we need to re-explain the constant c in special relativity. It should be not (only) the speed of light. What is its real meaning then? These two problems are intimately connected as a matter of fact. The purpose of this paper is to solve them. 我的论文: Relativity without light: a further suggestion 推荐阅读: Mermin, N. D. (1984). Relativity without light. Am. J. Phys. 52, 119-124. Stachel, J. (1995). History of relativity. In L. M. Brown, A. Pais, and B. Pippard, (eds.) Twentieth Century Physics, vol.1, pp. 249356. New York: American Institute of Physics. Brown, H. (2005). Physical Relativity: Spacetime structure from a dynamical perspective. Oxford: Clarendon Press.
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相对论的困惑:光速为何不变?
热度 5 gaoshan1900 2010-8-1 18:57
我的专业是物理学基础,这也是我多年研究的主要兴趣。具体地说,这些研究主要集中于量子理论和相对论的逻辑基础和解释问题。本文提出了一个解释光速不变的假说,写于2004年,此处稍有改动。另附一英文论文,写于2009年,其中介绍了在物理学界被广泛讨论的无光相对论(Relativity without Light)。希望能对大家理解狭义相对论有所帮助。 在相对论框架内,尽管单向光速不可测量,但是回路光速却是一个可测量的物理量。这种测量只需一个处于固定位置的时钟,而不需要两个预先同步的异地时钟。根据相对论,回路光速具有一种与惯性系无关的不变性,并且它是物体运动速度的上限。这是相对论最不可思议、也最令人困惑的地方。那么,为什么存在一个运动速度的上限呢?这一最大运动速度(即回路光速,以下简称光速)又为何不变呢?存在更深层的原因吗?! 相对论的创立者爱因斯坦似乎从未考察过光速为何不变的问题。在他看来,光速不变原理不仅是麦克斯韦方程的优美性的体现,同时也已经为严格的实验所证实。于是,爱因斯坦大胆地将这一原理提升为与热力学第二定律具有同等地位的基本原理或公设,并作为构建相对论的一个基石。然而,他并未进一步论证这一原理的内在合理性,而只满足于它的外部证实。一种普遍存在的观点认为,洛伦兹时空变换已经解释了光速的不变性,理由是光速不变性可以通过基于洛伦兹时空变换的速度叠加原理导出。然而,这只是一种循环论证,因为洛伦兹时空变换正是基于光速不变原理和相对性原理导出的。实际上,针对这种观点我们可以继续追问,为什么时空变换遵循洛伦兹变换呢?于是我们又不得不回到问题的起点。 人们普遍认为,相对论的第二个假设---相对性假设可能会由于量子非定域性的存在而被修正,但它的第一个假设---光速不变假设将会顽强地存活下来。存在必然具有存在的合理性。找寻到光速不变的逻辑基础无疑是对相对论的进一步深化和发展,它也是爱因斯坦未竟的科学探险。这里我们将对此进行较深入的分析。 由于速度性质本质上依赖于物体运动于其中的时空,因此可以预计,光速最大性与光速不变性可能隐含着时空结构的一种深层性质,并且是这种性质的一种最明显的外部表现,而这种性质将是相对论的更深层的物理基础。下面我们将试图发现时空的这种性质,并给出光速最大且不变的进一步原因。 我们知道,如果光是一种在媒介中传播的波,那么可以设想存在一个与媒介性质有关的最大传播速度,尽管这一传播速度与观测参照系的无关性仍很难解释。然而,光并不是一种经典波,而是一种进行量子运动的粒子(即光子)。于是,粒子的运动速度存在一个有限的最大值似乎很奇怪,同时,这一最大速度与观测参照系的无关性更加令人困惑。应当指出,人们在理解相对论时所存在的这种困惑是有道理的,原因在于,相对论只是对经验的一种直接的理论表达,它并未进一步解释这些经验存在并违反直观的深层原因。只有找到这些内在的逻辑原因,人们才能真正理解相对论,才会真正没有困惑。(待续) Why is the speed of light constant?
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时空的测量
热度 1 jmluo0922 2010-7-27 18:02
前一段时间我在 两个物理公式与哲学 日志 (http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=340388 )中,对于相对论有如下的评述: 相对论提出的目的在于新的时空观和质能观, 我们不能将时间的定义与采用什么样的方法来测量可能会导致系统性的(或方法性的)偏差相混淆, 因为时间是概念性的,而光速本身是一种现象中特定物理量的特性,是在时间和空间概念确定的条件下,对电磁波传播行为的描述。因此我个人认为, 光速不可能用于时间的定义 对于上述观点没有给出进一步的解释,目的是希望我们的理论物理学家能够解决其中的问题。 思想实验是理论物理经常用来论证观点的重要手段,下面我们来思考以下关于时空测量的思想实验。图 1 为 t=0 时刻,静止参照系中 A1 和 A2 两点观察运动刚性杆的情况, XOY 为静止参照系, A1 和 A2 为两个不同的测量点位于 X 轴上,相对于 Y 轴对称,间距为 L , XOY 为运动参照系,相对于静止参照沿 X 轴以速度 V 运动, B1 和 B2 为刚性杆的两个端点,杆的静止长度为 L 。 现在我们假定爱因斯坦光速不变原理成立,刚性杆 B1B2 的长度由 B1 点和 B2 点的同步闪光来测量(事先同步、同时校准),在静止参照系中 A1 和 A2 测量用 的时钟事先完成同步和同时校准,分别跟踪测量来自运动的 B1 和 B2 的闪光(如图示2所示),记录不同闪光的时刻。很显然,杆 B1B2 的长度是可以通过 A1 和 A2 的时间差来确定。 对于本文的特例,我个人的结论是A1和A2记录到的B1和B2同时闪光时间差为 0,并与运动无关。因此在静止的参照系中测量运动 杆的长度,与其运动是无关的,即时间和空间的测量结果不随运动变化。 对于上述问题,我个人的的理解是否正确? 我们是否可以认为,对运动物体长度测量的结果是与测量方法相关的呢? 请发表您的看法
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爱因斯坦光速不变假设的判决性实验结果为不成立
yangxintie 2010-3-24 12:27
中国航天科技集团一院十二所的林金,中国航天科技集团一院七一〇所李志刚,中国科学院国家授时中心的费景高,中国航天科技集团一院研发中心的胡德风,这些研究员们作了一个令人震惊的实验,爱因斯坦1905年以定义方式引进的等式 , tB - tA = t A - tB ,在有相对运动情况下不成立。     这个爱因斯坦光速不变假设的判决性实验检验, 是在中国科学院国家授时中心的高精度 TWSTT(双向卫星时间传递)设施上完成的。实验检验的原理是基于狭义相对性原理和单程光(电磁)信号同时性定义。检验原理通过对比单程光信号同时性定义和双程光信号同时性定义的测量机制证明:在有相对运动的情况下双程光信号中的往 和 返 两个单程信号通过的时间是必然不相等的。在本文报告的检验实验中西安临潼观测站和乌鲁木齐观测站的铯原子钟分别通过鑫诺卫星和中卫一号卫星进行双向时间传递。观测数据证明卫星和地面站之间存在1m/ s量级的相对速度会造成西安临潼站和乌鲁木齐站之间往 和 返 两个单程信号通过的时间差在 1. 5ns量级。观测结果的不确定度在 0. 01ns量级。实验结果表明:爱因斯坦1905年以定义方式引进的等式 , tB - tA = t A - tB ,在有相对运动情况下不成立。 欲知详细内容请点击下载下面文件链接: 爱因斯坦光速不变假设 判决性实验检验
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相对性原理的问题
热度 1 zhulin 2010-2-4 10:57
相对性原理的问题 相对性原理 : 所有惯性系都是平权的,在它们之中所有的物理规律都一样。 物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竞是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。 狭义相对论的前提是依据其提出的两条原理:相对性原理和光速不变原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动。爱因斯坦进一步发挥了相对性原理,提出根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的。 相对性原理 中所有惯性系都是平权的,侧重点在于所有惯性系之中所有的物理规律都一样。若用于不同惯性系间相互观察物理现象,则其在物理本质上绝不能是平权的,也不能是无限制的。比如,在地球的两侧同时各有一架飞机降落并着陆,若所有惯性系在物理本质上都是平权的,则两架飞机驾驶员都认为各自的飞机未动,是地球向飞机降落,使得飞机着陆,那么地球究竟是向那架飞机运动呢?地球向其中一架飞机接近必然远离另一架飞机,可见究竟是谁静止谁运动本质上是不能混淆的。再有,一艘轮船环绕地球航行,轮船驾驶员可以认为船未动而是地球相对船在运动,类似小小竹排江中游,巍巍青山两岸走,这在一定范围内描述现象是可以的,但若范围无限制,只通过现象观察便无限推演,那么认为轮船不动却能环绕地球一周,就只能是地球沿轮船环绕的方向逆时针旋转,这可能吗?尤其是再有一艘轮船同时按前面那艘轮船的反方向环绕地球航行,地球能同时向两个相反的方向旋转吗?另外,使惯性巨大的的地球向飞机靠近或沿轮船环绕的方向逆时针旋转,是谁给提供的巨大动力呢?当相对运动的飞机或轮船后来又静止在地球上时,地球是如何刹闸的呢?那些以 相对性原理 为根据断定哥白尼的日心说和托勒密的地心说没本质区别的人是在谈物理吗?按照这些人的说法,如何解释认为正在升空的运载火箭未动,是地球向反方向运动,地球如何获得了巨大的动能?所以从运动学的现象观察角度看,相对性原理在一定条件和一定范围内是可以成立的,但是从动力学的物理本质角度看,相对性原理是难以成立的,惯性系不是平权的。 相对性原理中的现象观察,还涉及到观察标准的问题,应当从观察的目来确定以那一个惯性系为标准。如果甲方为了了解乙方惯性系中的观察者在乙方系统内的现象测量结果,就应当采用乙方的标准来判断,显然作为甲方的结论,一定要和乙方的结论相同,至于这个结果在甲方看是否正确是另外的问题,因为甲方观察的是乙方的测量结果,决不能观察到和乙方的测量结果不同的结论,否则说明这个理论在逻辑上是不自洽的。如果甲方仅仅为了知道乙方惯性系中观察者在乙方系统内的现象测量结果在甲方惯性系中呈现的景象,就应当使用甲方自己的标准来判断,对于同一时空事件,因标准不同,将会产生不同的测量结果,但这不构成相互矛盾。 根据相对性原理,各惯性系中所有的物理规律都一样,观测者无法确定自身处于静止状态还是匀速直线运动状态,所以还要清楚,各惯性系中本征时间、本征长度仍都具有牛顿经典意义上的绝对性。
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为什么光速不变?
hfma 2009-12-10 13:40
马海飞 2009年12月10日 光速不变好像已经是一个定论,但是仍然不断有人在提出问题。尤其是第一次接触到光速的时候,一定会问为什么光速不变?很难理解。同样的问题被一代又一代的人提了出来,这说明人们对产生这种现象的物理机制还不清楚,教科书上也找不到令任满意的答案。众所周知,任何物理现象的背后一定都有它的物理机制,否则就不是物理现象了。因此,如果光速真的不变,其背后一定也有它的物理机制存在。只要搞清楚这个物理机制,所有与光速有关的问题就都会迎刃而解。 光速不变原理认为:真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。与光源和观察者的运动状态无关。这个数值是299,792,458米/秒。 通过实际观察,人们发现,无论光源还是观察者处于什么样的运动状态,光线从光源发出后到达观察者的时间不变。也就是说,这个时间不是速度叠加的结果,而是独立于光源和观察者运动之外的结果。例如,一个距离地球遥远的星球,在它的轨道上运行时有朝向地球和背离地球的运动过程。但是,在地球上观察到的结果发现,无论是朝向地球还是背离地球运动,从这个星球传递到地球上的光到达地球的时间没有变化。同样,地球围绕太阳转而且也自转。因此,在观察天体的时候一定会存在观察者是朝向还是背离该天体运动的情况。但是,观察结果证明,无论观察者是朝向还是背离所观察的天体运动,测到的从该天体发出的光到达地球上的时间也是不变的,与地球的运动方向和速度均无关系。人们从此类观察结果中得出的结论就是光速不变,并以此来支持光速不变原理。 表面上看,从观察结果得出光速不变的结论似乎没有什么问题。但是通过仔细分析可以看出其中存在着严重的问题。首先,所谓的光速不变的结论实际来自于光线传播的时间不变,而并不是来自直接对光速的测量。把时间不变等同于速度不变是一种对概念的混淆。举一个不一定合适但可以帮助理解的例子。如果两点之间用一根弹簧形状的塑料管连接。这样这两个点之间就有两个距离,一个是两点之间的直线距离,另一个就是塑料管的管线长度。在塑料管中放一个小球让它以不变的速度从一点向另一点运动。到达目的地的时间是t。然后把两点之间的直线距离增加一倍,其他条件都不变,重复同样的实验,得到的结果没有变化,小球从一点到达另一点所用的时间仍然是t。这个t与两点之间的直线距离没有关系。如果无视管线的存在并忽略小球的具体运动过程,而只看结果t的话,那么就可以得到这样的结论:因为在两点之间测到小球从一点到达另一点的时间与这两个点之间的相对距离变化没有任何的关系,所以,小球在两点之间的运动速度是一个常数。这个结论显然是错的。正是因为小球相对两点之间有速度上的变化,才导致了观察到的时间不变的结果。时间不变不等于直线速度不变。两个概念不可混淆。其次,光线的传播受引力场的影响。不管引力场是由什么构成的,至少,引力场与其他透明物质一样对光起着介质的作用。所以,实际观察到的光速不是在真空中传播的速度。因此,用观察到的结果来证实光速不变原理与其真空中的光速这个前提不符。真空的意思至少应该是没有任何影响光线传播的因素存在。因此,用实际观察到的结果来证明光速不变原理是一种混淆逻辑的做法。但是,这种从概念和逻辑混淆中得出来的光速不变的结论之所以被广泛接受,其主要原因是没有其他更好的方法来解释实际观察到的现象。而且,在光速不变原理提出的年代,人们还没有足够的证据证明引力场是光传播的介质。所以,在那个时代,认为光速不变是无可非议的。但是,时代在进步。现在很多观察结果都证明,引力场是造成光的多普勒现象、引力红移和光线弯曲等的原因。所以,完全可以把引力场视为光传播的一种介质。既然是介质,那么它就存在介质的特性。试想,介质的密度象弹簧一样可以拉开可以收缩,那么就一定可以得到传播时间不变的观察结果。第三个问题是真空中的光速是一个不可验证的速度。既然引力场影响光速,那么真空光速就应该是在没有引力场存在条件下光的速度。但是,在宇宙空间中不可能找得到没有引力场存在的空间。所以,光速不变原理中的光速不是一个物理世界中可能出现的现象。当然也就不可能有它的物理机制存在。这个光速只是一种数学运算中所进行的假设。就象我们可以在数学运算中假设半个鸡蛋可以孵出半只小鸡一样,这样的假设在数学运算上没有任何问题,但是无法用物理机制来进行解释。 可是,为什么在实际观察中会看到所谓光速不变的现象呢?(其实是传播时间不变的现象)。 答案很简单,这是介质的作用所导致的。人们在观察过程中只能测量到时间不变,却无法知道光线在穿越空间到达观测者之前的这个过程中都发生了些什么。引力场是一个光的传播介质。引力场也会出现类似多普勒漂移的现象而导致这个场内的引力场强度发生变化。当引力场强度增加时光速相应降低,当引力场强度减弱时光速相应增加。当观察者与光源之间处于相对接近运动的时候,它们之间的引力场强度增加,导致光速相应减慢,当观察者与光源之间处于相对背离运动的时候,它们之间的引力场强度减弱,导致光速相应增加,由此速度的调整,保证了光到达目的地的时间不变,不受光源和观察者之间相对运动的影响。这就是为什么光速不变的原因。这个不变是有条件的。其实质是观测到的时间不变。这个时间上的不变并不表示在所有的情况下光的速度都是299,792,458米/秒。因此,无条件地使用这个光速来计算天体之间的直线距离是否准确还值得研究。 注:引力场的实质就是质量场。
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关于狭义相对论与量子纠缠理论中的几个疑问
热度 1 chenfap 2009-9-6 11:35
狭义相对论与量子纠缠理论中的几个疑问 大家知道,爱因斯坦所建立的狭义相对论的理论基础是相对性原理和光速 不变原理。相对性原理表明:整个物质体系的匀速直线运动不影响在该体系中 所发生的过程的进行 。 光速不变原理表明:光速在一切惯性参照系中都 为常量c。文献 曾指出,光速在一切惯性参照系中都为常量c的特性 可由相对性原理推出;为了避免重复,文献 把上述光速不变原理修改为光 速c是有限的,且是传播信息的最大速度,这可称为光速有限原理(虽然 在物理学上没有人这样称呼!)。按照光速有限原理,任何信息传播的速度都 不能超过光速,信息传播的最大速度等于光速;例如声速小于光速,而引力相互 作用、强相互作用、弱相互作用都是以最大的信号传播速度传播的,也就是说以 光速传播的。可是,关于引力相互作用、强相互作用、弱相互作用的传播速度究 竟如何?都还缺乏实验根据。 爱因斯坦根据相对性原理和光速不变原理推导出洛伦兹变换,从而建立了狭 义相对论的理论框架。可是,爱因斯坦在推导出洛伦兹变换的论文中出现了几处 错误,这当然是爱因斯坦的缺点;但只凭这些缺点还否定不了狭义相对论。经过 100余年,在几代物理学家的共同努力下,对狭义相对论已经建立了比较完整的 理论体系。本博文所指的狭义相对论不是指爱因斯坦初建狭义相对论时的几 篇论文,而是指现在物理学界公认的比较完整的理论体系,这可参考文献 。然而,狭义相对论是否正确?这个问题还是需要认真研究的,而且已经比较 急迫地提到日程上来了。 量子纠缠的实验研究发现,处于纠缠状态的粒子之间信息传输的速度远远超 出光速,达到光速的10000倍。在天体物理和宇宙学中,一些新观察到的现象也 似乎意味着光速可变。如果肯定了光速可变或者肯定了超光速的存在,那么狭义 相对论的一个理论基础就动摇了,狭义相对论就必须修改。 为了保持狭义相对论的基本精神仍然成立,我们可以把光速有限原理修 改为信息传播速度有限原理:信息传播速度是有限的,且存在一个最大的信 息传播速度b,bc 。这样,洛伦兹变换以及狭义相对论中的一些其它公式 可以保留下来,但要把c改成b。 于是,可以提出如下疑问: 1),量子纠缠的信息传输速度b是否有限?是否bc?这须要对量子纠缠进一步 进行理论和实验研究。 2),如何能从天体物理和宇宙学中新观察到的现象来肯定光速可变?这须要对天体 物理和宇宙学进一步进行理论和实验研究。 3),已进行过一些实验证实了狭义相对论的正确,这些实验是否还有效?必须对这 些实验重新审查,进行理论分析,重复原有实验或设计出新的实验,来证实或证伪 狭义相对论。 只有这些疑问解决了,才能彻底地解答狭义相对论是否要被抛弃或者如何修 改的问题。看来这不是短期内可望解决的。 参考文献 福克.1965,空间、时间和引力的理论,周培源等译,科学出版社,北京. Landau L. D. and Lifshitz E. M. 1975, The Classical Theory of Fields, Translated by Hamermesh M., Pergamon Press, Oxford. 胡宁.1957,电动力学讲义,高等教育出版社,北京.
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