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论自然科学基础问题(2)

已有 3115 次阅读 2008-4-10 08:54 |个人分类:生活点滴

       磁盘(指南针)是我国很早的发现,但电场则是科学革命期间的发现。电磁场的发现是独立于牛顿力学的科学进展。它导致第二次工业革命。经典力学包括电磁场理论。场的概念革新了牛顿的物质概念。这是一种扩大,而不是否定。

 

1.真空中的电磁场方程:

 

标量电位和矢量磁位,这二个位函数是非独立的,并且是非唯一的。引入规范变换则有二种选择。

1Lorentz规范:它导致电磁场方程成为对称形式。它导致“以太”的概念。因为得到的方程为波动方程,故标量电位和矢量磁位分别对应于P波和S波,其介质为“以太”。这样,电磁波是“以太”的变形。

       2Coulomb 规范:它导致电磁场方程成为非对称形式。它不支持“以太”的概念。电场的唯一场源是电荷,电荷的运动形成电流,它们是磁场的起源。电场是根本的,磁场是感生的,非本性的。并且没有发现独立的磁荷。

       二者间的争论导致迈克尔孙-莫雷实验。但是,具有特别重要意义的是:它发现光速不变。对“以太”的概念只是倾向于否定。

       3.电磁场的牛顿物质化:

       主要为Lorentz的工作。

       表面上看,理论是完美的。但争论导致的迈克尔孙-莫雷实验结果:发现光速不变成为一朵乌云。

       为挽救“以太”的概念,Lorentz进行了带电动体的电磁场测量实验,总结出电磁场满足的运动变换,一般称为:Lorentz电磁场变换。Lorentz电磁场变换是狭义相对论的当时的主要电磁场测量实验结果之一。故有少数人提出:相对论的建立者为LorentzLorentz也为此进行了大量的论说。但为何归功于Einstein

 

       2Galilean时空与惯性系

 

       Galilean变换定义了惯性系。建立在Galilean变换基础上的时空称为牛顿绝对时空观。其特征为:空间是欧几里德的各向同性的均匀绝对空间,时间是绝对的。时间与空间是独立的。

       惯性系的概念首先受到天文学的批评,宇宙的绝对惯性系在那里?牛顿将其晚年完全消耗在这里,并得出第一推动来源于上帝的结果。

       更引人注目的是马赫的批评。马赫相对性原理:如果相对于未知的宇宙中心转动一桶水时水面为抛物型的,则宇宙以不动的一桶水为中心而转动时,水面也为抛物型的。而牛顿定律告诉我们,水面是不动的。马赫的这种相对性原理是无法证实的。但马赫原理击中了惯性系的要害。

       对惯性系概念的有力打击来源于电磁场方程不满足Galilean变换下的不变性。

结论:对Galilean变换,电磁场方程是变化的!惯性系概念对电磁场失败。相反,电磁场变换为Lorentz电磁场变换。“以太”的概念似乎要占上风。

 

3.时空的物质化

 

为解决这一问题,爱因斯坦提出狭义相对性原理:

1.对所有坐标系,物理定律应有一样的形式(张量形式)与坐标系的选择无关。

2.对所有坐标系,电磁波应有一样的速度,并与传播方向无关。

狭义相对性原理在本性上是对惯性系概念的升级扩充。这就要求坐标系变换满足Lorentz变换。对低速运动,Lorentz变换退化为Galilean变换。

       故,狭义相对性原理并不推翻牛顿力学。而是把时间、空间、与运动联系了起来。“物理定律应有一样的形式(张量形式)与坐标系的选择无关”可被称为物质运动的客观不变性。正是物质运动的客观不变性决定了时空的结构性。注意,这是物理上物质运动要求的时空的结构,而不是我们的测量用的时间空间结构。对S系,测量用的时间空间结构是牛顿时间空间结构;对S’系,测量用的时间空间结构也是牛顿时间空间结构。但对同一个物理上的物质运动,S系测得的物理量和S’系测得的物理量是不同的。例如:静止在电荷上的S’系中只能测量到电场而无磁场,而电荷相对于它有恒定速度的S系测得有电流,从而测得有磁场。这正是对电流产生磁场的理性解释。

 

在张量理论中,一个系的整套物理量按坐标变换决定的变换法则变换为另一个系的整套物理量。广义地看,狭义相对性原理揭示的是二个相对运动系间的整套物理量间的关系,这种关系对惯性系而言就完全由相对速度一个参量决定。不理解这一点就会产生“高速运动的世界旅行者回到地球发现自己比孪生兄弟小”的逻辑悖论。事实上,Einstein的“论动体的电动力学”是用实现同时性的测量概念来论述狭义相对性原理的,而目前国内的教科书也还采用、甚至于简单化采用这一论述来介绍狭义相对性原理的。这使中国人普遍的远离狭义相对性原理的本意,并造就了各种误解和偏见,如“相对论是关于高速运动的理论”、“相对论是关于运动造成时间变化和空间变化的理论”、“相对论是关于时间和空间关系的理论”等等。而忘掉了,相对论是关于物理定律的内在关系的根本理论。中国出现大量的“反相对论”者与此有很大的关系。这也阻碍了年青一代进入科学的前沿。另一方面,神化Einstein和把相对论捧为不可解释、改动的神秘学问,打击了全民族的进取精神(吓的年青一代不敢进入科学的前沿)。

 



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