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人人皆可参与的相对论问题讨论(上)

已有 4350 次阅读 2014-5-6 17:59 |系统分类:观点评述| 相对论, style, 功夫, 人人


1、引言

在绝大多数人心目中,相对论是神秘而难于理解的,人们对其往往敬而远之,没有多少人花功夫深究其正确与否,往往别人怎么说大家怎么听。

其实,相对论尤其是狭义相对论并非那么难于理解,它来源于两个前提:相对性原理和光速不变假设。

相对性原理并不新鲜,经典理论中同样有,主要是认为绝对运动不可探测,力学方法没法判断谁是绝对静止谁在真正运动。不过,相对论将相对性原理的适用范围和内涵作了扩大,这里暂且不表,对理解本文影响不大。

光速不变假设是相对论的新内容。说的是,真空中,光速与光源的运动速度、观察者的运动速度、光的频率等无关,恒为c。这就与经典理论大大相同了。比如,一束光相对于甲的速度为c,观察者乙沿着光线方向相对甲以0.6c的速度运动,观察者丙逆着光线方向相对甲以0.8c的速度运动,按经典速度合成公式,乙观察该束光速度大小应为c-0.6c=0.4c,丙观察该束光速度大小应为c+0.8c=1.8c。而按相对论,乙、丙观察该束光速度均为c。与经典理论不同吧!但相对论者认为很正常,因为光速不变是经实验检验证了的东西。

狭义相对论的一切结论,诸如同时性的相对性、时间膨胀、长度收缩、质量增加、质能方程、光的横向多普勒频移等等,都是以这两个前提为基础推导出来的。对相对论那些复杂的推导和结论,我们先不去管,本文只讨论与光速有关的问题,这样大家都可参与了,这也就是我说的人人皆可参与的相对论问题讨论。

2、光的同时性例子

       要承认光速不变,就可直观地推出同时性的相对性,爱因斯坦曾用雷击火车的例子来阐述。这里我用稍为不同的一个例子来说明。该例子曾在黄秀清博主“什么才是简单的科学”的20楼跟贴以及李铭博主“真空中的刻舟求剑5楼跟贴中提出过。

设想茫茫宇宙太空中有甲、乙两艘带有异性电荷的飞船沿同一直线由远及近相向而行,甲、乙两船中间分设有尖端OP,如图1所示,O在甲船首A、尾B两点的中点,P在乙船首C、尾D两点的中点。当两船相遇两尖端接触瞬间,尖端处剧烈放电形成火花产生闪光,如图2所示。此后,两船分开继续前行,如图3所示。



现在问:按相对论,在甲船看来,闪光是否同时到达甲船的首A、尾B?在乙船看来,闪光是否同时到达甲船的首A、尾B

在甲船看来,发光点在O点,光向前向后的速度均为c,A、B两点与O点等距,光必然同时到达A、B点。而在乙船看来,发光点在P点,光向前向后的速度均为c,但甲船是运动的,在光运行过程中,甲船A点越走越远B点越来越近,因此,他认为,B点必然先接收到光而A点后接收到。大家看,对于甲船的A、B两点是否同时接收到闪光的问题,甲、乙两船的看法是不同的,甲认为同时接收而乙认为不同时,这就是“同时性的相对性”。这一结论是相对论独有的,与传统观点大不相同。

如果坚持认为光相对于任意观察者的速度均为c,上述推理似乎顺理成章,没什么破绽。因此,能不能认同同时性的相对性的结论,关键取决于对光速不变假设的认识。

3、声的同时性例子

   上述例子中,放电产生闪光的同时也伴随着剧烈的声响。现在问:在甲船看来,声响是否同时到达甲船的首A、尾B?在乙船看来,声响是否同时到达甲船的首A、尾B

   大家知道,太空中是没有空气的,放电声响只能通过飞船内部的空气以及飞船的壳体传播,这里假定飞船内部空气以及壳体材料均匀。那么,在甲船看来,声在均匀介质中的各个方向传播速度相同(也可称为介质中声速不变),发声点在O点,A、B两点与O点等距,声必然同时到达A、B点。

乙船如何看待呢?乙船也能测到通过内部空气及壳体传过来的放电声响,他根据介质内声速不变的特征也可知道声响会同时传到自己飞船的首、尾。但若要他判断甲船首、尾是否同时测到了放电声响,他就为难了!为什么呢?因为他知道,自己测到的声响是从乙船内部传递过来的,甲船能听到的声响只能是从甲船内部传递过去的。虽然是一个事件产生的声响,但对两船来说,听到的完全是两条不同渠道传递的声!乙船内传播的声根本不可能传递到甲船,乙船不能根据自己船内传播的声推测甲船首、尾是否同时测到声响。如果非用乙船内传播的声推断甲船首、尾能否同时测到声响,必然是错误的。

4、对比分析及结论

   上面我们用一个例子分别讨论了声、光的情形。以光为研究对象且以光速不变假设为前提,得出了颠覆传统观点的同时性的相对性的结论,但以声为研究对象并未得出什么异常结论。现在可以对比分析一下,是什么原因造成了这种不同。

   从前面的分析可以看出,以声为研究对象之所以未得出异常结论,是因为人们意识到上述例子中,声是沿两条不同的途径在两飞船中分别传播的。那么,对光来说又怎么样呢?我们知道,相对论否定了绝对的、统一的时空(如物体的长度、质量等物理量,在不同的观察者时空中会有不同的呈现),因此,那怕是同一束光,由不同的观察者观察,观察到的也是各自时空中呈现的光。特别是,一些相对论者认为空间是传播光的媒介,否定绝对的、统一的空间,认可各自不同的时空存在,必然意味着甲船观察到的光是在甲船空间中传播呈现的,乙船观察到的光是在乙船空间中传播呈现的。从这里可以看出,同声的传播一样,虽然是一个事件产生的闪光,但对两船来说,观察到的完全是两条不同渠道传递的光!

回头来看上面有关同时性的相对性的推理,乙船在推断出光线不同时到达甲船的首、尾,很明显,其推理过程暗含着用自己飞船(乙船)时空中呈现的光来推断其能否同时到达甲船首、尾。在声的讨论中,既然人们已认识到“用乙船内传播的声推断甲船首、尾是否同时测到声响,必然是错误的”,就应该意识到“用乙船时空中传播的光推断甲船首、尾是否同时测到闪光,则同样是错误的”。因此,上面有关同时性的相对性的推导是不成立的。

 

(待续!下篇将提问“光速不变假设”实验验证,使人们看到,光速不变假设并没有得到实质性检验,而且难于同时解释有关实验。)






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