狭义相对论素描

　　(1)

　　以前提到过民间物理学家的问题, 他们被定义为未经严格训练, 满足于用初等 推导来讨论物理学重大基本原理的科学爱好者。这些人是真热爱物理学, 投入 的时间精力也远大于所谓职业物理学家, 而且甘于贫困。我个人非常尊重他们 这些优点, 这也是为什么一直致力在bbs上花时间回答他们问题的原因。

　　但是这些民间物理学家的另外一个特点就是: 他们从来不了解他们所讨论问题 的全貌。这样他们和专业人员的讨论变得异常困难, 而且直接导致专业人员不 愿意看他们相对贫乏的推导。

　　我个人非常不理解的是, 他们既然可以化如此多时间精力在这里, 智力一般也 很高, 为什么不愿意踏实的全面掌握自己要讨论的东西, 多学一些数学呢? 也 许一开始看到专业理论所需要的深厚基础就使他们不敢踏出这第一步。抛开他们的热情和努力, 这也算得是一种好高务远。

　　再有, 即便是理科生, 出基础理论物理和自己对相对论有特殊兴趣的人, 一般 说来也就满足于承认原理之后的推导, 不太管理论原理的实验基础以及当初为 什么要被迫提出这些原理来。

　　这几篇文章将专门讨论狭义相对论, 为这方向的民间物理学家指出如下几点:

　　1。狭义相对论只有两个基础假设。

　　1-1。所有惯性系对描述物理规律都是等价的 1-2。光速独立于光源。

　　其它比如光速最高等等都不是假设, 而是结果。这两个基本原理各自有自己的 实验基础。

　　1-1在电动力学建立之前是很自然的。它是两个东西的数学自然结果: a).运动 学上的Galilean相对性。Galilean变换是先验的, 而且几乎就是彻底自然, 容易接受的。关于坐标的变化那没有可说的, 直接就是矢量运算的定义。

　　但是这里面有一个隐含假设: 只有时间在两个系统中是一样的, 那矢量运算的 定义才能用来退出Galilean变换 但是时间作为独立于空间的量, 这是所有人 的自然感觉, 不会有任何神经病企图在这里责备这原理。b).在这如此自然的 Galilean相对性之下, 讨论Newton力学, 发现力是独立于参考系坐标变换的 这意味着两个惯性系里面的力学规律完全等价。这结论又天衣无缝的符合了 人们的实践经验。提醒注意一下:

　　倘若Newton力学刚好不独立于Galilean变化,那人们首先要责难的保证是 Newton力学, 而不是相对性。我强调这点, 是要说明为什么狭义相对论在思想 上的突破是多么不容易 另外一方面也是指出, 若非被现实逼到无路可走, 是 不会出现这理论的。当然也许数学家作数学游戏倒有可能作出来。

　　2。关于狭义相对论的实验。

　　基本上所有民间物理学家都在企图通过批判19世纪末期对相对论出现起重大 影响的实验来否定相对论。这里我要不客气的指出, 这是完全错误的。尤其是Michelson-Morley(1887)的实验, 虽然在历史上占有重要地位, 但是这其实是个无物理意义的实验。这原因涉及Extinction theorem of Ewald(1912) and Oseen(1915)。

　　提醒那些在打算由这实验入手的民间物理学家注意这点。关于光速的假设, 真正算得上决定性的新实验是60年代才做出来的。要想了解这些新实验, 要求具备远超科普水平的物理数学知识, 这是我强调不理解相关知识就开始 讨论基本问题的危害性之处。这里列出一个实验的reference:

　　T.Alvager, J.M.Bailey et al, Phys.Lett., Vol.12, 260(1964)。

　　另外, 要想理解Extinction theorem, 需要深厚的电动力学基础。

　　3。关于Lorentz变换。

　　Lorentz变换的推导也是民间物理学家要推翻的。这里强调, 科普级别的推导 极大的忽略了数学严格性, 所以给了初学者自由想象的空间.我在后面文章会 详细谈这个问题。

　　4。总结:

　　两个相对论基本假设, 是由于电动力学波动方程(要理解这点,你又得学几年 物理了)在Galilean变换下不协变引起了困难。这困难要在物理上消除, 必须 为电磁波假设某种神秘介质, 同时假设Maxwell方程组只在这介质上的参考系才成立。

　　这样我们就得到一个区别于所有其它惯性系的绝对参考系。在这思路下, 就要寻找这神秘介质存在的证据, 所有相关实验都失败了。60年代的新实验, 用到 Mossbauer效应(所以你只好又得读几年物理), 可以以极高精度测量地球和这神秘介质, 假如它存在的话, 之间的相对运动, 还是失败。

　　既然出现了这样的局面(即电磁学定律和Galilean相对性无法共同正确), 就只 给出两个可能性:

　　a)。Maxwell方程组错误 b)。该有更普遍的相对性, 使Maxwell方程组协变。

　　Maxwell如果你学过物理, 就知道它是物理学中最漂亮, 最基于实验的理论。Maxwell方程组共四个方程, 每个对应一个电磁学实验定律, 比如欧姆定律, 库仑定律, 等等。而且经受无穷实验考查, 有无穷多应用, 错误可能性极小。这四个方程三个是实验的直接归纳, 另外一个是实验直接归纳后发现数学上和 另外三个不兼容, Maxwell加进一个位移电流的概念后保证数学兼容, 而且依 然满足实验。要抛弃这个理论是困难的, 所以Einstein选择了b)。我看过的 民间讨论, 知道这些的没有几个, 原因他们的相对论知识来自于科普, 无法 讨论这些深奥的物理学问题。

　　另外, 满足a), b)惯性系变换叫做Lorentz变换。这变换的严格数学理论, 不是科普上那个。有兴趣的话, 先学线性代数, 然后学点群论, 才有资格来 评论这个变换。此处我简单声明, 它是绝对没有疑点的, 千万不要浪费时间 精力在这里。

　　最后, 剩下的事情全是数学了。能评论相对论的地方只有三处:

　　1。两个原理对应的实验。你需要阅读所有的著名实验, 以及它们的问题。尤其要读60年代的决定性实验。为此你需要极其深厚的物理知识。

　　2。Galilean相对性为什么必须抛弃。

关于这个, 你需要更可怕的知识, 数学物理都强才行。起码电动力学和波动 方程要懂。提醒一下的是, 历史上严肃的物理学家很多作过这方面的尝试, 连Maxwell定律都有改的, 最后被实验否定。

　　3。Lorentz变换。

　　这是民间物理学家最有可能讨论的部分, 仅需半年时间(假设具有高三水平) 可以学通。为什么不试试这个呢? 然后就知道你的问题在何处了。

78　冰冻人之谜
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