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相对论电磁场变换悖论

已有 3755 次阅读 2016-5-21 16:48 |系统分类:论文交流| 相对论, style, color, center, 电磁场

在4月份发布的博文《对相对论的几项质疑》中,论述了对相对论的四处质疑,因该文章篇幅较长,为了方便大家阅读,接下来把该文的四个问题分四篇博文分别发布,并配以相应的视频讲解,希望能把问题说清楚。欢迎大家关注阅读、批评指正。

相对论电磁场变换与相对性原理的冲突
李小俊研究小组
Email: lixiaojun@nwu.edu.cn

讲解视频网址http://v.youku.com/v_show/id_XMTU3NTQzNTM5Mg==.html

也可以直接下载这个视频观看:电磁场变换悖论(MP4视频文件).rar

假设在一处空间存在一均匀的磁场B,方向向上。在一个静止的观察者K看来,仅有静磁场存在,即By>0Bx=Bz=0E=0,见图1左。
   另有一个观察者K'相对于观察者K以速度v运动(沿KX轴正方向)。则在K'看来,不但存在磁场,而且同时也存在电场(见图1右)。根据狭义相对论的电磁场变换公式可以算得
                                                     (1a)
                                                    (1b)
E'B'的其余分量均为0。这里可以看到,根据相对论理论,运动状态不同的观察者会看到不同的电磁场形态。


1  不同观察者看到的电磁场

现在设想两个观察者运动状态不变,而禁止KK'之间的信息传递,并没收K'的原有计算结果,那么这时候K'想要知道电磁场的大小,则将不能通过公式(1)来进行计算,而必须依靠实际测量来获取。
   那么让我们来实现一次测量过程。设想K左手拿着一个小磁针,右手拿着一个带电小球,那么他的左手将感受到磁力的作用,右手则不受到作用力(带电小球相对于K静止,没有洛伦兹力),K可以根据左手小磁针的偏转程度来测得磁场B的大小。设想K'的左右手拿着与K完全相同的小磁针和带电小球,那么K'的左手将感受到磁场力的作用,并且比K感受到的磁场力更大(因B'y>By),同时K'的右手将感受到电场力的作用。同样,K'可以据此推知磁场B'和电场E'的大小。
   然而,这里存在一个问题,KK'是两个完全对等的观察者,可以说他们处于完全相同的地位和环境中,K'相对于K运动,而K同样相对于K'运动,他们没有任何区别。那么,完全对等甚至说完全相同的两个观察者怎么会测得不同的电磁场?他们的左右手何以会感受到截然不同的电磁作用力?KK'所在之处别无他物,如果你要证明KK'所处的状态不对等或者不相同,除非你认为他们各自相对于电磁场有着不同的运动,例如K相对于场静止而K'相对于场运动,或者与此相反,K'相对于场静止而K相对于场运动,又或者KK'各自与场的相对运动速度不同。然而,相对于场“静止”或者“运动”,这样的概念在相对论中是不被允许的。在相对论中,场只有“存在”而无所谓“运动”或“静止”,它没有运动状态的概念,也不能被用作参考系。因此似乎没有理由认为KK'的状态和地位不对等。
   问题也可以从这样的角度进行分析和说明:


2  电磁场的坐标系变换与相对性原理

如图2所示,在静系K中有一电磁场(E, B),同时有一个固定于K系的电荷Q1,那么Q1将会受到一个电磁力F1的作用。而在动系K'(运动速度为v)来看,电磁场变为(E', B')。由于Q1相对于K'系以-v速度运动,为了保证在K'系来看Q1的受力状态不发生变化,一般来说E'EB'B。同时在K'系也固定了一个与Q1完全相同的电荷Q2,它将受到一个电磁力F2的作用。由于E'EB'B,而Q2=Q1,所以F2F1
   这样就出现了一个问题,分别固定于K系和K'系的完全相同的电荷Q1Q2,在各自参考系下受到的电磁力却不相同,这似乎违背了相对性原理。仅仅通过观察Q1Q2的受力情况就可以推断出K系和K'系的运动状态不同,这应该是相对性原理所不允许的。
   这里可以看到,相对论为了保证物理现象不依赖于观察者而改变,即保证Q1K系和K'系下受力状态不变,就必须使(E',B')≠(E,B),这就导致了固定于各自参考系的两个相同电荷Q1Q2受力不同,从而违背了相对性原理。反过来,若要保证不违反相对性原理,则必须使(E',B')=(E,B),从而也就不存在相对论的电磁场变换,也不能保证物理现象不依赖于观察者而变化。理论在这里陷入了两难的境地。




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2 田云川 杨新铁

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