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浅述“狭义相对论”的物理图景

已有 1053 次阅读 2021-9-11 15:28 |系统分类:教学心得

浅述“狭义相对论”的物理图景

自1905年狭义相对论问世以来,虽然质疑声不断,但早已被主流物理学家接受,成为现代物理学两大基础理论之一。

无论“维相”或“反相”,都需要以明确狭义相对论的基本物理图景为前提。故此,综合爱因斯坦本人和利·英费尔德合著《物理学的进化》,以及物理学家方励之所著《从牛顿定律到爱因斯坦相对论》这两本物理图景非常清晰之狭义相对论权威科普著作的论述,简明扼要地介绍一下“狭义相对论”的基本物理图景。

先简要复习一下高中物理:生活中,我们乘坐的列车静静停靠在站台上时,车窗外另一列车从旁边驶过,我们以窗外驶过的列车作为“参照物”,会认为自己在运动;以站台为“参照物”,会认为自己是静止的;当我们以站台为参照物,认为自己是静止的时,若以太阳作为参照物,我们正以大约每秒30千米的速度随地球做绕日公转运动。

动,还是没动?取决于我们选择哪个物体作为“参照物”。和参照物绑定的直角坐标系,可简称“参照系”;和受到合外力为零、呈静止/或匀速直线运动状态参照物绑定的参照系,简称“惯性系”。

以下,综述狭义相对论的基本物理图景:

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一.  基本假设:
1.在“列车惯性系”内,做任何物理实验,都不能分辨列车当时处在静止/或匀速直线运动状态(简称:相对性原理)。
2.在任何“列车惯性系”内,所测真空中光速都是定值C(简称:光速不变原理)。

二.  重要结论:
1.同时刻,是相对的(请注意区分:“时刻”,对应于数轴上的“点”;“时间”,对应于数轴上两个“点”之间的“线段”)。
来自理想实验图景的依据
  考虑一列做匀速直线运动的列车从站台驶过过程中,发生了两个闪电、击中列车车头和车尾,并在铁轨上留下了痕迹,在铁轨两个痕迹中间点上的观察者报告,自己在t时刻,“同时刻”观察到电击铁轨两点的光信号,因此认定,两个电击是此前t
0时刻,“同时刻”发生的。(不失一般性)假定,在站台时刻t0,铁轨两个痕迹连线的中间点恰好和列车的中间点重合,由于光信号的传递需要时间,闪电发生后,列车的中间点已经不再与铁轨两个痕迹连线的中间点重合,所以,无论是站在“铁轨两个痕迹连线之中间点”的观察者,还是站在列车中间点的观察者,都会认定:站在列车中间点的观察者,一定先收到来自车头方向的光信号,后收到来自车尾方向的光信号,并不能“同时刻”收到两个电击列车头、尾的光信号,列车中间点的观察者势必认定:两个电击不是“同时刻”发生的。因此,狭义相对论认为:同时刻,是相对的
2.动尺缩短
来自理想实验图景的依据
  既然同时刻是相对的,对于列车中间点上的观察者而言,两个闪电电击事件,先电击到车头,后电击到车尾,所以,留在铁轨上两个痕迹间长度一定比列车本身长度短。在列车惯性系上的观察者看来,列车是静止的,静止状态下物体的长度以下称为“本征长度”,记作L0;本征长度L0比铁轨上两个痕迹间长度L要长,狭义相对论告诉我们:
      L=L0*√[1 -(V/C)2].
狭义相对论将之概括为:动尺缩短
3. 动钟变慢
来自理想实验图景的依据
  考虑两个沿同一X轴线方向运动的两个惯性系,各自从两个惯性系的坐标原点,沿Y轴正向、向Y=1反射面发射一束雷达波,并以雷达脉冲前沿发射到脉冲前沿返回作为各自的时间基准。假定,两个惯性系相对静止、原点重合时两个雷达钟的时钟周期完全一致;一旦这样两个惯性系经过一个沿X轴方向的暂态加速过程,彼此相对速度不再为零,那么,两个惯性系的观察者认定:自己所在惯性系之雷达钟的波束是沿垂直X方向往返的、行程短,雷达钟周期短、走得快,一切物理过程都比另一个惯性系要快;另一个惯性系的雷达钟的波束并不是沿垂直X方向往返的、行程长,雷达钟周期长、走得慢。狭义相对论概括为:动钟变慢
  不仅动钟变慢,运动参照系中的一切物理过程都相应变慢。狭义相对论也以此解释宇宙射线中观察到的、高速运动的μ介子,比实验室中的μ介子寿命更长这个现象。

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对于基于上述物理图景得到的狭义相对论结论,1911年4月法国物理学家朗之万就意识到狭义相对论违背了对称性原理——存在孪生子悖论(可参考拙作《狭义相对论确实错了!》)。这个明显违背对称性原理的悖论,之所以迟迟难以确定,根源在于:爱因斯坦根据光速不变原理,为“同一惯性系内应该如何对钟?”,确定了具有可操作性的物理方法;但从未就“不同惯性系间应该如何对钟?”,确定一个具有可操作性的物理方法(拙作在《狭义相对论好像真的有问题?!》中,试提了一个在两个不同惯性系之间“对钟”的物理方法,却是维相的朋友绝对不可能接受的。维相朋友提出要“扣除多普勒效应”的想法也是合理的。但是,应该按什么准则 “扣除多普勒效应”?维相的朋友却迟迟不能确定。因为,一旦按合理准则“扣除多普勒效应”,结果应该是:动钟既没有变慢,也没有变快——同样可以证伪狭义相对论)。

从对称性原理出发,考虑两个彼此错车的列车惯性系,在错车过程中,分别根据自己惯性系的同时刻标准,通过两点在对方列车上用激光器烧出烧痕,然后,两个列车中的一个经暂态加速运动转为和另一列车惯性系相对静止,比对两点间距和对方列车上烧痕间距,根据对称性原理,结果都是:本车两点间间距比对方列车上两个烧痕间间距短;那么,究竟哪个列车随运动缩短了呢?只能是:哪个都没有缩短,否则,也就自相矛盾了。

从根本上说,狭义相对论的第一假设:所有惯性系平权,使得,动钟变慢,是互相认为对方“钟慢”——只能当作是一种“错觉”,没有真实物理意义。动尺缩短,也是互相认为动尺比本征长度短——也只能当作是一种“错觉”,没有真实物理意义。如同有两个一样高的山,却会有“这山望着那山高”的错觉一样。狭义相对论正确揭示了产生多种“错觉”的根源。

高速运动之μ介子,比实验室中的μ介子寿命更长这个现象,以及“洛伦兹收缩”现象,皆需深入探求其基于物质相互作用视角的动力学根源。







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