狭义相对论原理的阐释

志勰

对相对论原理的科学定义体系的解释以及在相对论的角度去看待相对论的一个漏洞问题。


狭义相对论产生的根源

    大家知道,在19世纪末,麦克斯韦的电磁理论已经趋近于完善,但是,麦克斯韦方程中的数理关系在涉及到数学内涵和物质运动变化本身的对应上,存在一个介质问题。即:在空间中传递电磁波的介质,当时的科学家们将这种介质称作以太。

    我们知道,一个物理理论通常是采用数学的方法进行描述的,但是,一种数学描述的系统是不能叫做一个物理理论的,如果要进入到物理理论的内涵里,那么必须通过对数学概念所表达的含义进行赋值,将物理的含义赋予到数学中的概念中,是数学概念中的一个概念和物理世界中的一个概念具有相同的含义,这样的数学所表达的结果才具有真正的意义。

    电磁理论也是这样,在电磁理论所涉及到的波的传递过程中,依据物理和自然界中的对应上,存在对波的传递的介质,那么,电磁波的介质是什么样的呢?根据麦克斯韦电磁理论,人们又设计了关于传递电磁波的以太理论。

    由于电磁波的传递速度很快,通常认为,光的传递速度为30万公里每秒,这样高的速度采用普通的方法去测量是不能做到的,由于这样的原因,电磁波的传递问题也一直推到19世纪末叶。实际上,采用可行的方法去测定电磁波的传递介质问题,最初是由如下的两个试验去证实的。一个是裴索试验,另一个是麦克尔——莫雷试验。

    通常认为,裴索试验是确认了运动的物体确实能戈引以太,但麦克尔逊在1881年进行的试验,他没有观测到根据以太理论所预言的光的条纹的移动,是一种零结果。从某种意义上来说,根据以太理论所预言的以太物质是不存在的。那么,这样的结果是电磁理论所不能接受的,根据试验,人们观测到光速于光源的运动无关,一直后来可以将光速看作常数,这样,电磁理论中的光的介质问题就这样成了一种结论。(关于两个试验,您察看有关的资料,这里就不作介绍了。

     但是,这样还有一个没有解决的问题,就是光速的问题。采用常规物质的运动变化,包括常说的机械波的运动形式,都不可以解决光速这个问题。这在当时,或者在现在来说,都是一种理论解释的障碍。(关于这个问题,我会在稍后的几篇文章中给于说明)。正是在这个时候,爱因斯坦的相对论解决了这个光速为一常数的实验结果。可以说,狭义相对论的诞生也来源于此,当然,还有其它的因素,比如远在1887年相对论创建以前Voigt在一篇从光的固体弹性理论的观点所写成的论文中提出,在运动参照系中引入以地方时t`,在数学运算上是很适宜的。这就包括了时间可变的萌芽的思想。在某种意义上来说,是一种大势所趋。

   由于本文主要说明狭义相对论中的几个关系,这里就不再对历史问题作详述了,你参见其它的资料。

狭义相对论的原理基础

       正是在这样的光速不变的试验基础上,爱因斯坦先生假设光速不变并作为一种理论的首要假设和依据,通常叫做光速不变原理。在这个基础上,光波的传递速度为一个常数,并且物体的运动最大的速度不能超过光速。

    这样建立在实验基础上的一个假设实际上已经确定了相对论对时间、空间和物质运动的处理模式。在这种处理模式中,必须容纳这样的物理关系反映在数值关系上的一种矛盾,这种矛盾就是实际观测的数值和理论数值通过某种数理关系进行相适应的调谐。

    那么,一个重要的问题就产生了,在新的物理定义体系中应遵守什么样的原则。关于这一点,创建者爱因斯坦先生对当时科学中出现的问题进行了详尽的分析,指出了相对论的第二个假设——狭义相对论的相对性原理。这条定义规定,物理定律在所有的惯性参照系中都是相同的。那么,下面我们就来看看相对论调谐的几个关系。

    1、第一个关系:光速的限定给与调节物理关系的限定

    光速已经确定为一个常数,那么这就必不可免得要涉及到一个问题,速度和时间空间的关系。

    如果要采用常规的科学定义体系,那么这样的定义是不能成立的。原因在于传统物理学中存在的几个定律,最为典型的定律是牛顿三定律。这三个定律是建立在采用经验约定基础上的最基本的定律,这是不能更改的客观事实。主要反映在物理科学中三个基本的量和它们之间的数理关系上。时间、空间和物质以及反映在物质运动变化描述上的时间的量、空间的量、物质的量和物质运动变化的关系。

    比如:反映物质运动变化的速度和力的关系——当质量为1千克的物体受到1牛顿力作用的时候,它所产生的加速度为1米/秒方,这样,时间的单位、空间的单位以及力的单位就形成了确定的关系。这种关系即便在新理论中也是不能改变的。狭义相对论的第二个假设是狭义相对论的相对性原理,这个原理主要说明的就是物质的运动变化和参照系的关系。也叫做相对性原理。

    虽然物理量之间的关系不能修改,但是运动的量是可以修改的。因为这并不违背常规的物理规律。这关系到第二个关系

    2、第二个关系:时间和空间同物质运动速度的关系

    我们知道,在速度的概念中存在两个基本的物理概念,一个是时间,另一个是空间长度。前者表明物质的持续过程采用确定方法的计量,后者则是采用某种类似于数学的理想概念,在这里赋予物理的疑义可以认为是两个质点间的直线长度。关于时间和空间的定义,通常是在人们的生活中积累的关于物质存在的属性和特点。对此你可以参阅本站中时间和空间的文章。

     如果物质运动的量要发生改变,物质运动量的定义模式必然在传统物理学中是适用的,否则我们难以去理解。在物质运动的量——速度,是空间/时间的模式,这样,如果两种量进行相同的协变,那么这样的定义方式不论在新理论中还是在旧理论中都是适用的。(补充于2000.12.25 下午17.54分)

    我们采用计量方法计量,这里面就存在一个计量的量的问题,这是和我们所采用的直接定义的物质运动的物理内涵有关的量。我们知道,时间和空间是某种虚拟的但确确实实存在的量,物质的某种持续过程只要我们定义的标准发生改变,那么一个确定的物理过程的时间的量对于某种标准来说也同时发生改变。空间的概念历来就认为是某种虚无的东西,被认为是包含着物质。那么没有任何东西的地方,我们采用的定义标准是采用物质的形式进行定义的。这种虚拟的量的改变对于物质的运动变化并没有可共实际可观测的量,只要我们对物质的运动变化进行合适的定义。尤其是在高速的问题上。

    只要我们对两种虚拟的量定义到两种不同的科学定义体系中就可以了,但为了方便科学的运用,我们还必须对两种定义体系建立联系,否则就不确有任何的实用意义。这一点相对论是通过时间膨胀因子和空间收缩因子来实现的。

    在牛顿运动第二定律中,力和加速度的关系是某种线性关系。只要牛顿第二定律存在,那么物体的运动速度和一个恒定的力就成一种线性的关系,这是在牛顿物理学中所存在的一个矛盾,如果质量、时间和空间的量是确定不变的话,那么超光速是一种必然现象。这和常规观测到的实验事实是不相吻合的,这样我们必然不能采用这样的定义模式,即:质量、时间和空间是恒定不变的量。这样三种量,时间、空间和物质的质量在满足于光速不变的前提下必然是一种变量。

    如果我们确定时间和空间的量是一种变量,那么它应该以什么样的变量形式出现呢?光速的问题给了最简单的答案。

    首先,从物体的速度为零到光速,这期间的速值是一种渐变的,那么,我们也必然要采用一种渐变的模式对运动物体的三个基本的量进行渐变处理。这样,时间、空间、物质三种量和物体的运动速度及光速就存在着必不可少的联系。另有一个特点是在人们所可以接触到的物理现象中,时间膨胀效应和空间收缩效应是很微小的,否则,牛顿力学就可以很轻易的判断新理论对物质运动的描述和日常生活中的现象是不符的,必然是某种近似。这样的理论才可能被人们所接受。

    基于这样的特点,相对论在处理时间、空间和质量的过程中,采用了xiangduilun.gif (1012 字节)作为物质三种量随速度进行渐变处理的方法。它满足如上物质运动的三个基本量的进行变换的两个条件。第一是渐变的量,第二是在低速状态下可以完全忽略掉这种量的变化的影响。当然,这种定义体系不是唯一的,比如我们可以采用xiangduilun1.gif (1013 字节)作为渐变处理的方法。这里有这样一个问题,如果采用这样的方法处理,我们可以在科学中完全不采用这样的描述理论,因为在处理常规的物质运动变化中这种效应是非常微小的,微小到我们在普通的甚至更高的速度上,只要不是趋近于光速,那么这种效应就是可以忽略的。这样,新理论就失去了它应用的价值和意义。最好的当然是相对论现在的变换关系。这样,既可以解决光速的问题,在物理的适用问题上也会较为普及。当然进行如上的变化也同时使运算过程更为复杂,对科学的描述物质的运动变化而言,是非常的不方便的,另一方面,科学是一个整体的体系,一种基本概念的改变,必然牵扯到相关概念的改变,比如:能量,这样会使科学体系在应用运算中会增加难度。而采用现行的相对论变换关系式是比较适中的处理方法。

[请注意:这里存在问题相对论中不能采用除xiangduilun.gif (1012 字节)之外的其它的数量关系,请参见 相对相对论原理阐释中的遗留问题,这个问题的补丁于2001年12月16日。本次附注时间2003.7.13]

    3、第三个关系:物质运动速度和质量的关系

    在数学的方程中,我们只要给于方程左边一个量的变化,为了满足方程等式两边成立,方程右边也要进行相应的变化才满足方程两边的等量关系。

    在相对论中也是同样的,我们从速度的含义上确定了相对论定义体系中的时间和空间的量的可能性的变化模式,那么为了满足相对论的第二个原理,我们必须对质量量的关系进行相应的改变,才可以满足物质运动变化的描述。在牛顿力学中,时间空间和质量都是恒量,那么如果时间和空间进行改变一个关系,根据牛顿第二运动定律中各个物理量的关系,我们很容易可以得到质量需要改变的量是时间和空间改变的量的倒数。这是从物理量的关系上来看这个问题,实际上,这样的关系也满足于物理概念和物质运动变化的对应上,即满足于物理世界的客观事实。这一点我在空间与物质速度的问题之一——运动的描述体系 已经证明过了,这里就不再重复证明过程了。您可参见。

    4、第四个关系:相对论的理论和客观事实的对应上的一个问题

    如果一个物理理论再如何的精妙,在对物质运动变化的描述中,如果它不能完成理论对物质运动变化的描述,形成理论和客观事实的对应,那么它仍然不能叫做一个物理理论。这也主要是反映在物理理论的作用和意义就在于它对物质世界物质运动变化规律的阐释上。

    相对论采用时间和空间和物质是可变的观念,这和传统的牛顿力学存在千差万别,同时在物理概念和客观事实的对应上,也很难取得合理的联系。因为时间和空间的观念是人们经过千百年来形成的头脑中得意识观念,这样的观念在当时的社会中是很不容易改变的。另一方面,在一个惯性参照系中的一个物质运动变化和另一个惯性参照系中的相同的物质运动变化,在测量上存在一个两种定义体系单位上存在量的差异问题。比如:一个惯性参照系中的钟表嘀嗒一下和另一个惯性参照系中钟表的嘀嗒一下,两个惯性参照系中的时间都认为对方的时间发生了膨胀,那么到底如何处理这种膨胀呢?

   这是一个非常重要的问题,它涉及到相对论作为一个物理理论和物质运动本身的相对应的描述,这是理论理论是否具有实用性的问题。

   对于这个问题,只有一种可能进行调节,这就是定义在不同的惯性参照系中的同时性的相对性。经过这样定义之后,相对论才具有真正的实用意义,也是通过这个定义,相对论才可以叫做物理理论。这种定义是别无选择。关于这个问题,请参见时间与空间栏目中的相关文章。请注意以下的是,那些文章纯粹是从逻辑的角度出发去考察的。

5、第五个问题:处理相对论两体以上问题的爱因斯坦速度相加定律。

    同时性的相对性不是在相对论中唯一的一个物理矛盾问题,在实用的角度上,还存在一个多体的问题。即两个以上的物体的相对速度问题。如图:

gsdwt5.jpg (6270 字节)

    物体a和物体c分别以0.8c和0.6c的速度远离物体b,物体a和物体b之间的速度、物体b和物体c之间的速度我们是知道的。如果光速为一常数,那么物体a和物体c之间的相对速度采用相加的关系不就超过光速了么,这显然是违反相对性原理的。

    根据我们对速度的定义,单位时间内运动的距离,可以很轻易的得到从物体b的观测参照系中去测量物体a和物体c的相对速度为1.4c的速度。

    有一点我们必须确认,如果以物体b作为观测体系,物体a和物体c在物体b中观测到的数值是可以相加的,因为物体a和物体c的长度的单位是相同的,时间的单位是相同的。在物体b的观测体系中,这两者不存在任何的区别。即在物体b的参照系中,0.8倍的光速和0.6倍的光速在属性上是相同的,那么我们有什么理由确定它们不能相加呢?

     答案是没有,除了硬性的规定之外,没有其它的原因。解决这个问题的方法就是爱因斯坦速度相加定律。这里需要说明一下,图中如果以物体a或者物体c作为观测参照系,来处理图中的三体问题,采用爱因斯坦速度相加定律是必须的,也是完全符合道理和逻辑的。因为物体a和物体b之间的速度、物体b和物体c之间的速度在属性上是不同的。采用爱因斯坦速度相加定律是必须的。但采用物体b作为观测参照系,那么两者之间的相对速度问题采用爱因斯坦速度相加定律就是没有道理的了。只能看作硬性规定。这一点,在相对论作为另一种物理定义体系而言,在数理关系赋予到物理的含义上,这是一个不合理的地方。这一点在相对论完美的设计中留下一个不足的斑点。但这一点已经确定相对论在科学定义体系所给于物质运动过程描述上的一个漏洞。

 

    结束语:通过如上的关系结构和调节的方法,相对论完成了一种新的对物质运动变化进行描述的定义,它能克服在当时物理学中所出现的光速的问题。并能在整个新的科学体系中完成自恰的描述。当然如果从物理的角度上来采用逻辑的方法去分析,相对论基本概念在物理关系的逻辑上会存在太多的问题。比如同时性的问题,从实用的角度上时空观念和观测参照系,时间和空间在不同惯性参照系中的单位问题等。您在看这些分析的时候需要注意分析时所采用的角度。

    关于这些方面,您可以参见时间和空间栏目中的文章。

2000.12.25


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