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相对论是代替状态方程产生的可压缩性的一种近似算法

已有 4042 次阅读 2014-10-14 23:33 |个人分类:相对论属于近似|系统分类:科研笔记| 相对论, 电磁场, 伽利略, 研究员, 迈克尔

给宋文淼研究员的一封伩
     伽利略坐标的物质方程,本来经过简化,可得洛伦兹解释迈克尔孙莫雷实验提出的方程,可是当时无人知晓,于是被洛伦兹用尺缩作了错误解释。从而出现相对论时空变换的另一种解释,其实经过近百年的探究以后发现,相对论从本质上可看作小于光速的近似变换算法。

     洛伦兹在迈克尔荪试验的结果出来后的解释大家都知道了,就是把波动方程运动方向的导数项乘一个尺缩系数,对这个新方程洛伦兹尽管解释错了,但是我们佩服他致死不随声附和相对论时空的解释。

   然而可惜的是,洛伦兹那个时候不知道,他提出来的方程恰恰是一个带有可压缩性的波动方程,他的无量纲形式就是和完整的声波的完全一样的。而不是相对运动速度极低情况下的声波方程(达朗贝尔方程)。 也就是说,采用了状态方程,波动方程里面自然就会有类似相对论的变换系数。

   有了状态方程,其实就有了质量、能量、运动之间的关系,而现在的电磁场方程就缺这个,所以要把这种关系的影响补上,这个近似的补充修正就是相对论

    但是为什么至今为止分析和计算宇宙物质场、真空场、电磁场不能够用可压缩物质模型呢,主要原因是没有人作过,所以习惯上还是按照老路数来。
    在一次国际科学讨论会上,遇到一个国际上著名的大学的教授(那国的就不用说了),他介绍了宇宙暗物质的方程组,下来我就问他,为啥这一套方程组只有动量方程和连续方程,能量方程哪里去了,状态方程哪里去了?他说这是根据资料上的,于是我就问他那些资料,为啥这么说,他说改日谈;第二天早饭又遇到了,自然坐在一起,谈起没谈完的话头,此兄说头不太舒服,以后谈;第三次见面让我惊讶的是,他提着一个大箱子,我就只好说"byby"了。
  可是此后出来的一系列论文也均如此,有的像模像样的也拿出了"状态方程",可是指数给个零值,任何数的零次方都是1,这个方程名义上是状态的变化,实际上任何状态变化都没有。
  那么状态变化的效果如何体现的呢,计算过物质场,或者做过实验的人都知道,为了把可压缩性加进去,要做一个变换,就是乘以一个"可压缩因子",也可以说是x方向的"尺缩因子",搞工程的人都喜欢x方向是单位1,变y方向也是等效的,那么就变y方向想,实际上把它是个"增厚因子"。这个变换在搞空气动力学的群体里面叫"普朗特变换","格劳沃变换"。用了半个世纪了,可惜爱因斯坦那个时候还没有几个人知道,据麻省的胡培泉说,爱因斯坦也确实去问过冯.卡门,冯.卡门说这很简单呀,几句话让爱因斯坦听了不好再问什么了。
现在计算宇宙(隐)物质场的大部分人,也是后面才把可压缩性修正加进去,要做一个变换,就是乘以一个x方向的"尺缩因子"。这个变换在搞电动力学的群体里面叫"相对论变换"。整得更神秘一点,叫做满足“度规不变性方程”。
  也有真拿状态方程摆到里面做功课的,但是仅是摆个样子而已,没见过谁做过计算,否则可压缩因子一定在分析的最后显现出来,再加一个相对论变换,那就加多了,加了两次,反正文章没有真刀真枪,变化效应再加多一次,现在别人也看不出来。但是如果在流体力学里面就不一样了,设计出的飞机是要飞的,算的厚了薄了都是个玩命的事情。所以没有空气动力学家敢把这个变换加两次。
    其实流体力学也可以搞成相对论、度规不变性、闵科夫斯基空间这样的东东,二十年前就有廖铭声先生曾经搞了流体力学度规不变性方程组,我还特别把他这本书介绍给宋健同志,他很高兴的拿过去了。但是这个方法用在跨音速时误差太大,超音速时根本用不成。流体计算里面后来连用在复数空间计算超音速区的复特征线方法都扔到博物馆和垃圾堆里面去了,拓展了一系列新的算法,然而没想到超过光速的范围里面,用复数来表达双曲性方程组的解,在物理界还满吃香的。
  可怜的是,电动力学和宇宙物质场论的计算还是得用后面补"可压缩性的那一套"还罢了,为了保持“不变性”,又搞了一个时间延长,在光速附近,边界条件和方程都麻烦得不得了,实际计算的时候,幸亏还都没有算那么高速度的,实际还是忽略了算,或者干脆如同现在东北大学的自然科学基金课题所做的那样,把它推导成流体力学的形式,回到守恒形式的方程组里面来计算。
话说回来,相对论真的就没有用了吗?相对论作为一种近似算法还是可以用的,误差确实在速度比光速远小的时候看不出来。所以给人以他是正确的错觉。
近似的方法,简单的方法,有时候还真管用,就在大风洞里面,我国的民用大客机C919改进的实验还在做着,低速风洞的试验结果相当于静止坐标系的实验,换算到相对运动坐标系里面,还是用类似相对论的“尺缩变换”来求最终的值。人们要问,为啥还要用这么简单的东西?其实工程上面只要可靠,越简单越好。流体上数值计算搞得那么红火,类似相对论的变换方法都在用着,何况电磁场呢,当然还是可以用的了
  还有人问,真空可以压缩吗?这个问题问的太好了!回答是肯定的,真空就是可压缩的。其所以真空和电磁场都具有可压缩的性质,原因在于满足了的真空传播的电磁波的波动方程竟然和可压缩介质的波动方程是一模一样的。洛伦兹当年把这个方程猜出来了,但是他不知道从可压缩性可以推导出来这个方程,却给人解释说什么相对运动的物体发生了尺缩,结果整个科学界都不相信他,从而给彭加勒和爱因斯坦相对论的另一套近似的解释留下了空子。

   原谅我略去了那么多的公式和推导,现在上文中仅仅提出了真空的可压缩性问题,但是如同逯贵祯老师所说的:“提出状态方程,我想应该可以解释许多实验现象。但是状态的确定的物理意义不知道如何确定,比如和存在物质形态的空间中状态的关系,和场的关系。如何将状态方程运用到分子结构和原子结构,以及宇宙天文学的分析中。”这也是我心理面一直没有解决的问题,所以提出这个问题向您请教。

又是一年新春佳节,希望您精神愉快!身体健康!



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