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【心路21】抽丝剥茧

已有 2532 次阅读 2017-11-4 12:39 |个人分类:心路|系统分类:科研笔记

不要放过任何细节。
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周四*证实了之前在阅读中提出的预期,即“同步判据”应该体现于洛伦兹公式的推导之中。从动系里观察到自家的钟同步,而从静系却观察到对家的钟不同步,这两件事情放入了同一个等式中(合情合理却也意外):
1/2[tao(0,0,0,t)+tao(0,0,0,{t+x'/(V-v)+x'/(V+v)})]=tao(x',0,0,t+x'/(V-v)).  
从中能感受到一种对称的和谐 —— 大哉方程。是的,你没看错,由于tao是未知函数,这个等式就是一个函数方程,也是狭义相对论的基本方程[注1]。作者由它得到一个微分方程(详细推导*):
∂tao/∂x'+v/(V^2-v^2)∂tao/∂t=0.  (4)
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接下来自然就要求解该微分方程了。这里需要注意两点:一则tao是x',y,z,t 的函数,其中x'=x-vt(而 dx/dt=vt,从而x' 与 t 无关);二则tao又是线性函数,即 tao=ax'+by+pz+qt [注2]。对这个线性表达式求偏导数,有:
∂tao/∂x'=a, ∂tao/∂t=q. 
代入方程(4),得:
a+vq/(V^2-v^2)=0,即:
a=-vq/(V^2-v^2).
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原著提及从Y轴、Z轴上“作类似的推理”,并且“从静系看来,光始终以速度sqrt(V^2-v^2)沿着这些轴传播,这就得到∂tao/∂y=0,∂tao/∂z=0.” 而从上面的线性表达式,又有:
∂tao/∂y=b,
∂tao/∂z=p.
对照蓝色引用部分,可以知道b=0,p=0。把它们和刚才得到的a代回那个线性表达式,得:
tao=-vq/(V^2-v^2)x'+qt. 整理得:
tao=q[t-vx'/(V^2-v^2)].  (5)
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这里需要注意q的量纲。从a的表达式来看(上文黑色加厚部分),q应该具有v的量纲。故此,q虽然是“常数”,但也可以是关于v的表达式(参见注2)。原著中各式子没有编号,这里的(5)式含有未定的q,相当于原著里用的字母a(注意不要跟这里的a混淆) 。原著没有给出详细的推导,也不需要这么详细(毕竟推导很浅显)—— 可以想象,作者在草稿纸上演算时,列出了tao的那个线性表达式,我们看不到他原来使用过的四个系数是哪几个字母,但这不重要,最终只出现一个系数,而用a表示也很自然。
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原著提到“此处的a暂时还是一个未知函数ϕ(v),并且为了简便起见,假定在k的原点,当tao=0时,t=0。” 意思很清楚,a的量纲就是v的量纲(后来算出ϕ(v)=1,但量纲会保留下来)。按这句话所提的“假定”(严格来说那是个规定),得到:0=ϕ(v)[0-vx'(V^2-v^2)]. 显然,ϕ(v)不能为零,否则(5)式就成了0=0. 而v也不为零,否则就等于没有相对运动了。由此可知,“tao=0时,t=0” 对应着x'=0. 这个事情值得玩味。作者起初的时候,按之前的分析,是在(静系)的 t 时刻从动系原点发出光线,而此时动系原点和静系原点是重合的。因为作者要列方程,所以起始时刻用字母 t 来表示,而得到(5)式之后回过头再规定“tao=0时,t=0” 起始时刻又赋上了具体的值—— 这种手法值得玩味。此时x'=0,意味着x'的确表示光线的位移。
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按之前的分析,x 表示动系中固定的点在静系中的坐标,则 x 会以速度v随时间变化,有点x=vt(或x=x0+vt)的意思;另一方面,作者早先让 x'=x-vt,从而x'与时间无关 —— 这是x' 令人费解的地方——x'既动又不动:作为光线的位移在动,按照x'=x-vt的含义又不动了。这里可能存在着用同一符号表达不同含义的做法,也可能是排除惯性位移而给通常的运算带来了矛盾(这个矛盾比较隐蔽)。为了往下走,照例先接受它,回头再解决这个明显的矛盾...慢着,既动又不动 —— 有点象牛顿的既是零又非零 —— x'中蕴含的既动又不动很可能是个“元操作”!不妨命名为“爱氏元操作”。各位,我提出的“元操作”概念怎么样?它的包容力怎地了得:大到牛顿、爱氏发明的魔法,小到算术技巧,可以无所不包、无处不在,可谓神概念! (忽然想起傅彪那句经典台词“十三,路易的”)。
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好险、好险,差点错过了。要不是“揪住”细节不放,就错失了这个元操作(仍有待显化)。可见,心中有疑,必有缘由,万万不可忽略不计。阅读原著也好,日常生活也好,心中产生疑问,表达出来,这是诚实的表现,也是一种方法。真的,“诚实”算不算高观点呢?也许可以作为“眼前”的变体形式。引力现象、时间同步,其实早就出现在人们“眼前”,但多数人都忽略了,可是牛顿做了思考和求解,爱因斯坦做了思考和求解 —— 这是一种诚实。严格来讲,“忽略”是一种不诚实,“忽视”也是一种不诚实。其实,“观点”总是关联着“方法”。。。因按此,高观点本身就是高方法。注意,“元操作”是具体和丰富的(如技巧、小设计,等等),而高观点则是抽象和稀少的。周五提出的“元学”*,基本任务之一,就是要找出完备的高观点集合,以及完备的元操作集合。做这件事情符合本人的秉性,就是追求个通透、彻底。在做学问这件事情上,既然。。。我就得彻底解决“做学问的问题”。所以,元学也有点象“做学问的学问”、“学问学”、“科学学”、“神学”等,但涵盖要更广,也强调在机器层面来实现。
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注1:吴大猷和费恩曼的物理教科书上都没找到这个基本方程,前者从其它办法推导出洛伦兹变换,后者则直接引入了洛伦兹变换。
注2:原著中没有明显列出tao的线性表达式,只强调“tao是线性函数”。这里的a,b,p,q是“常数”,意思是它们不是关于x',y,z,t的函数,但由于量纲的缘由,可以是关于其它参量的函数。(又注:上文tao的那个线性表达式,按通常的方式,系数会取作a,b,c,d,但是c会跟光速符号混淆,而d出现在t的前面看着像微分符号,怕引起误解,故此这里用p和q作为z和t的系数)。
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今天就到这里了。找首歌来听吧~
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注:本文首发于群邮件[Graduate Gate..Saturday] ,原标题“论推敲”。略有修订。

 



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