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21世纪的牛顿力学 作者:程稳平程实平-第章

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像点D1′、D2′在OX向上的投影距离L′之间呈现出来的比例关系,很容易推导得出
  L′/ L= k 
  当人为设定时,k永远大于1,按照映射关系确定出来的映像点D1′、D2′在OX轴向上的投影距离比运动点D1 、D2在OX向上的投影距离总是要长一些。另外,T′不能是负值,(3)式子必须在t ≤ x/v 的条件限制下才有效。人们根本得不出由D1 、D2两个运动点连接起来的运动物体会发生长度缩短的现象。就是把由D1 、D2的映像点D1′、D2′连接起来当成测试结果,由映像点连接起来的虚构运动物体也是比真实物体的长度伸长,而不是缩短。由此可知,采用光束对长度进行测量的过程来解释相对论,显然不是正确的理解方式。
  实际上,爱因斯坦只是想用光速不变原理来说明同时性具有相对性,因而才设想:〃在动杆的两端A和B处各放置一只钟,它们与静止系统的钟是同步的,也就是说,在任一瞬间,这两只钟的指针位置都对应于它们碰巧所在之处的静系统时间,所以这两只钟也是在静止系统中同步的。〃这个设想与同时才能,而且一定呈现的物理意义相符合。
  在与动杆保持相对静止的参照系中观察,杆子两端放置的钟也必定是同步显示出相同的时刻。否则,它将与同时才能,而且一定呈现的同时性涵义发生抵触。
  需要明白的是,动杆两端同时呈现的钟,并不是与相对于动杆保持相对静止的参照系中观察到的杆子两端放置的钟保持着同步呈现的对应关系!这是经典物理学中所没有的新思想。
  在经典物理学中,自然界里同时呈现出来的任意多个质点,无论在那一个参照系中都依然是同时呈现出来的质点。而在相对论理论体系之中,凡是在不重合空间位置呈现出来的质点,如果在某个参照系中被确定为同时刻呈现,在与该参照系具有相对运动的参照系中就一定不再是同时刻呈现出来。相对论的理解困难,就在于它必须将同时性具有相对性的新思想与经典的物理学思想没有冲突的表达出来。由于爱因斯坦没有做好这个工作,因而出现了〃理想钟〃也会跟着质点的呈现时间在运动系中发生膨胀效应而发生相应变化的混乱局面。这样就使人们误以为〃理想钟〃显示的时间好像是相对时间。
  必须明确同时才能,而且一定呈现的基本思想,同时性具有相对性的准则才可能被人们进行没有误解的应用。〃理想钟〃作为反映这些表达意思的参照基准,它当然必须与同时才能,而且一定呈现的基本思想保持吻合。所以无论在那一个参照系中同时呈现出来的〃理想钟〃,它们都一定显示的是完全相同的时刻。人们借用光束测量物体的空间长度,只能验证相对论的理论分析与实验结果是否相符合。鉴于时空变换关系可以有多种猜想,以满足光速不变假设为预定目标的狭义相对论,在数学分析上可以借助光速不变假设导出的光脉冲方程来求解出所期望成立的时空变换关系。但按照这种逆推分析方式建立起来的狭义相对论,在逻辑上将不能对光速不变假设提供理论上的证据支持。
  由于把测量当成相对论的解释依据,爱因斯坦在推导出狭义相对论坐标变换关系后,先是把K系中的两个运动点在同一时刻t所测定得到的坐标x1 、x2变换成K′坐标系中的两个静止点的坐标x1′、x2′,其中

  然后,再逆推出运动物体的长度(x1 … x2)比它在静止系中的长度( x1′… x2′)要缩短。
  如果这是运动物体的长度会发生缩短的有效分析,人们同样可以把K′坐标系中的两个静止点在同一时刻t′所确定的坐标x1′、x2′变换成K坐标系中的两个运动点的坐标x1 、x2 ,其中

  人们马上可以根据它判定出运动物体的长度(x1 … x2)比它在静止系中的长度( x1′… x2′)要伸长。
  谁是谁非,人们似乎只能凭平常的〃错觉〃来作出选择。不难想象,当物体在人们的眼前快速走过时,留在人们视觉中的时间相对就比较短暂,运动中的物体长度在感觉上似乎比处于静止状态时要显得短一些。当物体以光速在人们的眼前运动时,人们只能在非常短的瞬间看到该物体而把它等同于只是一个点的映象。类似的,当人们快速完成某个动作时,放在一旁的记时钟相对就显得走得比较慢。如果物体的运动速度非常之快达到以光速前进之时,它在经过一定的有限距离过程中,放在一旁的记时钟上的时刻指针就可以认为一直是停留在原来的位置上,时间就相对的近似膨胀到了无限大。然而,这些〃合乎情理〃的想象,并不能成为解释运动物体的长度会发生缩短,与之相联系的时间将发生膨胀的理论根据。
  正是由于爱因斯坦没有能够给相对论做出真正可靠的物理解释,著名哲学家哥德尔( ) 在20世纪40年代,根据爱因斯坦建立的广义相对论推理出可以回到过去的〃新生儿自谋杀悖论〃,已经使爱因斯坦自己都感到难以面对它。爱因斯坦在1949年1月所写的〃对批评的回答〃一文中承认:
   〃库尔特·哥德尔的论文,照我的见解,对广义相对论,特别是对时间概念的分析,是一个重要的贡献。这里涉及的问题还在建立广义相对论的时候已经搅得我心烦意乱,我一直没能把它澄清。〃 
  1949年3月28日,爱因斯坦在写给M。索络文的信〃七十岁生日时的心情〃中再次诉说道:
  〃你一定想象我在此时此刻一定以满意的心情来回顾我一生的成就。但是,仔细分析一下,却完全不是这么一回事。我感到在我的工作中没有任何一个概念会很牢靠地站得住的,我也不能肯定我所走的道路一定是正确的。〃… …
  据史料介绍,狭义相对论在刚提出来之时,世界上只有12个人理解它。就是对相对论很有研究的彭加勒,也被爱因斯坦认为是至死都没有搞懂狭义相对论的物理含义。其实,包括爱因斯坦自己在内,在20世纪中并没有任何人真正理解相对论。只有在明确清楚同时性的物理意义,把搞乱的时间概念纠正之后,人们才能够对相对论作出正确的理解认识。




四、走出广义相对论的误区

  首先,人们需要知道爱因斯坦建立广义相对论的目的是什么。爱因斯坦在与英费尔德合著的《物理学的进化》(上海科技出版社出版,统一书号:13119·450)一书第154页~155页中写有这样一段对话:
  〃惯性系是什么?〃
  〃它是力学定律在其中行之有效的一个坐标系。在这样的一个坐标系中,一个没有受到外力作用的物体总是作匀速直线运动。这种性质使我们能够把惯性坐标系和其它任何坐标系区别开来。〃
  〃但是所谓没有力作用于物体上,究竟是什么意思呢?〃
  〃这只是说物体在惯性坐标系中作匀速直线运动。〃
  于是我们又可以再问一次:〃惯性系是什么?〃但是由于很少有希望得到一个与上次不同的答案,我们不如把问题改变一下,或许可以得到一些具体的知识:
  〃一个严密地与地球相结合的坐标系是一个惯性坐标系吗?〃
  〃不是。因为由于地球的转动,力学定律在地球上不是严格地有效。在许多问题上,我们可以把严密地结合于太阳的坐标系看作是一个惯性系;但是我们有时也说到太阳的转动。可见严密地结合于太阳的坐标系,严格地说也不是一个惯性坐标系。〃
  〃那么。具体地说,什么才是你的惯性坐标系呢?而且怎样选择它的运动状态呢?〃
  〃这只是一个有用的虚构,我也想不到怎样去实现它。只要我能够远离一切物体,而且使我不受任何外力的影响,我的坐标系就会是惯性的。〃
  〃但是你所谓免除所有的外界影响的坐标系又是什么意思呢?〃
  〃我的意思是说那个坐标系是惯性的。〃于是我们有回到那原来的问题上来了。
  在这里,爱因斯坦向大家展示了经典牛顿力学在原理上出现的分析困难。即牛顿力学所使用惯性坐标系与根据它判断某个物体是否处于匀速直线运动的惯性状态,在原理上是以循环逻辑的方式来进行论证。这显然不能令人满意。事实上,人们在自然界中使用的惯性坐标系并没有真的必须与理想的绝对匀速直线运动相联系,经典牛顿力学在原理上要求惯性坐标系与理想的绝对匀速直线运动相联系乃是一个严重错误。与此同时,由于受到历史的局限性,牛顿在建立万有引力定律时没有说明物体间怎样跨越空间进行相互作用,因而在经典牛顿力学之中出现了难以被人们理解的〃超距作用〃。的确,在物质作用的基本思想下,跨越空间进行瞬间传递的相互作用不能被人们所接受。在人们还没有认识现代量子物理学的牛顿时代,人们无法解释物体间怎样跨越空间去进行相互作用,同时也不可能对引力场的传播响应速度进行测量而误以为物体间进行的万有引力作用不需要响应传递时间。牛顿力学之所以被人们接受,是在于它的预测与测试结果相符合,人们可以在特定的使用条件下接受它。人们并不会满足于有缺陷的理论,总要想方设法寻找到更加可靠的物理学理论。
  为了建立能够适用于一切坐标系的物理学定律,爱因斯坦提出了广义相对论。在爱因斯坦建立的广义相对论之中,物体间具有的万有引力不被认为是作用力,物体在自身的运动状态被外力改变时所体现出来的惯性力等同于虚构的加速场,不论是均匀引力场还是非均匀引力场,位于任何引力场中的参照系都是惯性系。
  按照爱因斯坦提出的惯性力等同于虚构加速场的〃等效原理〃,在作圆周运动的物体上可感受到的向外离开圆心的力,在匀速前进的车子突然刹车时车子里面的人将继续朝前冲的力,并不被认为是物体运动本身表现出来的惯性特征,而是把它们解释为在空间存在着相
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