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四维时空中的间隔选取没有绝对性

已有 2209 次阅读 2023-12-3 17:32 |个人分类:大学教育|系统分类:科普集锦

本文主体主要针对非理论物理专业人士,而且更多的内容是事情的前因后果而非物理内容。如果您对故事不感兴趣,且是理论物理的专业人士,只需要读如下这几句话:相对论中的物理量按Lorentz协变性来分类,分为标量(或称为不变量)、矢量和高阶张量。固有长度不是Lorentz标量。利用固有长度构造Lorentz标量的时候,没有唯一性。

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12月1-3日,在成都参加了物理学哲学的年会。本来,这个期间我应该在珠海。原计划从珠海返回长沙的时候顺路去华南理工大学拜访哲学家吴国林教授。希望请教他,什么叫测量?为什么他认为波函数可以测量?他是物理学哲学专业主任委员,正好这个时间要到成都组织年会,建议我不妨也去参加。这当然是一个很好的机会,不仅可以见到吴老师,还能够见到很多哲学家,请他们看看我一些“野生”的哲学思辨,是否“民科”。感谢会务组提供报告的机会,我简单讲解了从物理学基本理论结构出发,如何理解波函数的不可直接测量性。没想到我的报告激起一些涟漪,国际哲学名家刘闯教授表示赞赏。晚饭时分,川渝大才子轻舟兄过来,我们组团向刘闯教授海阔天空请教了很多问题。刘闯教授曾是佛罗里达大学哲学系教授,现任中国科学院哲学研究所学术所长,另外还有一些显赫的头衔。向学养深厚的前辈请教问题必须切问,近距离看他如何答问和化解。刘闯教授每一答问不但一针见血,而且令人信服,对一些现象的评述也非常深刻。轻舟兄大呼过瘾。刘闯老师有个评述如下:

Maxwell的真空观,爱因斯坦提出光量子、狄拉克提出负能量海、还有wilczek最近提出的准粒子和准世界的观念,等等其实是回到了柏拉图的空间物质观,而不是回到牛顿的空间原子观。(爱因斯坦的广义相对论也认为时空就是物质的一种形式。) 这些人之所有能回到柏拉图,因为柏拉图的思想就在西方文明的血脉中。对于他们来说,柏拉图从来就没有走远,就在他们的观念中。

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 --三十多年的心结未解自炼成"民科"--

会议上有位哲学界的前辈报告了如下“反相”的结果:从狭义相对论的四维不变量出发,不能直接推出尺缩效应;尺缩效应不容于狭义相对论。

我对这些问题毫无兴趣,对这些人士也是敬而远之。但是,就这个问题,何祚庥先生点名批评过。而他三十多年既没有没有被说服和自我说服,不但耿耿于怀,还一直孜孜以求,终于发现了相对论的“破绽”。这太反常了,激起了我无穷的好奇心。另外,老先生态度至为诚恳,不太像特别轴的人。我觉得有必要弄清楚先生问题的症结到底何在。

--四维时空中的间隔选取没有绝对性--

 在动系  $  S' $ 中的 $  x' $ 轴上放一根长度为 $  L_0 $ 的刚性杆。取 $ a = \sqrt{1-v^2/c^2} $  ( 打公式有难度!我至少试了20次才成功。)

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问四维时空的间隔不变量是什么?三十年来,老先生认为: $  L_0 $ 就是这个不变量。但是,如果选取了这个 $  L_0 $ 作为不变量,没有杆的长度收缩,而是伸长。这一点,何先生狠狠地批评了他。但是,老先生觉得何先生"耍滑头",总是回避问题,不从正面回答他的问题!这也很容易导致怨恨:当年还是登门求教,诚心诚意,为什么不来直接回答我呢?我立即和何先生印证。何先生回复说,他们沟通了很多次,诚恳做了回答,但是,沟通无效啊。何先生因此觉得很无奈。

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而如果要得到长度长度收缩,必须在  $  S $ 系中进行同时测量。但是,这个同时测量之后,两个系中的四维不变量是 $ L_0 $ a 。由于a和两个参考系的相对运动速度有关,不是一个"真正的"不变量。因此,爱因斯坦“尺缩效应”与狭义相对论不相容!

问题的症结是:杆长称之为固有长度,可以当成一个不变量;四维时空中的间隔在Lorentz变换下不变,也是一个不变量,但是,这两个不变量,完全不是一回事。例如,能量就是一个不变量(守恒量),但是不是四维不变量。四维时空中的间隔选取没有绝对性!不能把固有长度 $ L_0 $ 理解为四维间隔;完全可以选取  $  L_0 $  为四维间隔

四维间隔的选取是一个约定。这件事完全可以这样理解,如果没有杆长,也要有不变的四维间隔,这个间隔的选取不就是相当任意了吗? 不过一旦选取之后,就不要再变了。

所谓尺缩效应是另外一个约定。这个约定是:有一根固有长度  $  L_0 $ 杆,沿杆的方向运动以恒定的速度  $  v $ 运动,静止的观测者对这个杆的首尾位置同时记录。结论是,静止的观测者测得得长度比固有长度短。

--我是一个倾听者--

在我们讨论的时候,会务美丽的戴小姐,抢拍了一张照片。可以看出,我在先生书上的这一页的页眉、页脚、页边到处写了很多公式。为什么要写写画画这么多?

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三十多年的独自摸索,使得老先生的表达非常"民科":使用的不是物理学家通常使用的语言,例如位置、时间、测量,不变,不变性,等等;故事、情绪和事实混杂;不但反对何先生反对爱因斯坦、似乎还反张元仲先生。我只有靠写下来的公式一点一点地辨析分解,终于在写了到第六点的时候,才彻底明白问题何在。可以清楚地听到,不远处有会议代表已经发出轻笑声。相信是为了我们的有效交流而欢呼。

相信,三十余年,老先生曾经试图和很多物理老师讨论过,也没有能说服他。估计也没有人愿意倾听,如果是这样,我就是一个例外。

--这是一个悲伤的故事--

老先生的问题,是一个相对论初学者在学习阶段必须解决的问题。一旦过了学习的最佳时刻,有人能自通,有人不行;有人放弃,有人坚持。坚持的人中,少数人会越滑越远。老先生年轻的时候,碰到了这个问题,首先寻求何祚庥先生的帮助。这种找大科学家回答小问题的做法,非常不可取。高度完全不同,交流不会顺畅。这是因为,即使同一学科之内,二者兴奋知识区域和对同一知识的默认理解,重叠度都很低。对于这种问题,何先生的基本态度是不加理睬,最多只言片语。世纪之交的时候,曾经有位先生提出了一个理论,影响巨大甚至惊动了高层,让何先生回复,何先生也是寥寥数语就打发了。不过,对于这个问题,何先生自认为做了诚恳而详尽的回复。

即使此时,我依然无意于说服老先生。我们讨论的时候有个约定,就是我告诉先生,物理学如何看待这个问题。老先生对于这个约定也不满意。他觉得,问题就是问题,不应以物理圈分内外。

对一个已有定论的东西,却一直不知道定论是什么,独自在错误的道路上摸索了三十多年,直到把一个误会当成重大发现。这是一个悲伤的故事。

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