物理科学探疑-网友天空-系统观点-尹保华-运动的绝对性原理、场论及物理学问题--物理学基本理论两大发现
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运动的绝对性原理、场论及物理学问题
—物理学基本理论两大发现

尹保华

摘要:作者立足于绝对时空观,证明物体间相对运动的运动学量、动力学量的参照系无关性,得出了运动学绝对性原理和动力学绝对性原理;提出了新的场及场效应理论,从而揭开了光速不变之迷;指出了磁效应的本质,说明了麦克斯韦方程组为什么不适用伽利略变换及洛仑兹变换;作者证明洛仑兹变换本身是不自恰的,在推导过程中利用光速不变原理时含有悖论,指出电磁现象不符合狭义相对性原理;对斐索流水实验的微观机理分析的成功,为确立新场效应理论及根本否定相对论及其时空观提供了实验依据;根据光现象的本质,对波粒二相性、光电效应、量子理论等进行了简述。

关键词:时空绝对性;参照系;绝对性原理;相对性原理;场;场效应;磁效应;洛仑兹变换;光速不变原理


    物理学的最基本问题都建立在物理观念、假说或模型的基础上。关于同一物理现象提出各种不同的甚至冲突的物理观念,属十分正常的现象。

    理论要由实验来检验。物理学理论不断地被实验否定、证实或丰富,从而得到发展。正确的物理理论要在体系上自恰,要能解释实验结果及物理现象,并能一定程度上预言未知现象。由于基本理论涉及广泛的物理现象,通常,一个不正确的理论不可能走得太远,一个反证就足以动摇其地位。但是,也有一些物理现象一时无法完全认识,相关实验不易实现,因而对现行理论未能达成共识;有些已基本确立了地位的理论,也不时受到实验结果的挑战。

    现行物理理论在以下方面存在缺憾:

1、伽利略相对性原理与狭义相对性原理的矛盾,对应着伽利略变换与洛仑兹变换的矛盾。
2、引力场、电磁场的本质问题。电磁波的本质是什么?存在引力子吗?
3、光的本质是什么?光的波粒二相性机制如何解释?
4、光速(也即电磁波速度)不变原理的物理机制?
5、相对论及其时空观一直受到质疑,而量子物理、宇宙学已与相对论相结合。

上述问题3、4与问题2相联系,实际上是同一个问题;问题2解决了,问题1、5也就顺便解决了。

因此,以上问题(及相关的许多其他物理学问题)归结为两个基本问题:

1、相对性原理的物理意义是什么?各种相对性原理的适用范围如何?
2、场(包括引力场和电磁场)的本质是什么?其作用机制如何?

    针对以上两个基本问题,从经典的《普通物理学》教材[1]出发,作者分析、综合既有物理学成果,提出了:

1,全新的相对性原理,实质则是运动的绝对性原理。
2.全新的场作用理论:场作用理论证明,场作用效应仅是作用对象间空间关系及相对速度的函数,对任意参照系,给定场作用的效应是不变的。该理论可圆满解决一系列重大理论疑难。

    在以上两个理论的基础上,物理现象呈现出异常清晰的景象和完美的逻辑形式,现行理论的矛盾不攻自破,悖论自行消失,物理学的宝库敞开了……

1.运动的绝对性原理

    物理学首先要确立正确的时间和空间观念。我们认为,经发展(剔除了以太、绝对静止等)的牛顿绝对时空观念反映了客观宇宙的实际。

1.1时空观与时空尺度的绝对性

    现实空间、时间是互相独立并不同于物质形式的客观存在。空间均匀、连续、各向同性;时间均匀、连续、单向流逝。

    用以度量空间的尺度和度量时间的时钟(抽象化而非具体的尺度、时钟)具有时空不变性,亦即尺度和时钟具有时空普遍性或称时空绝对性。

    现实空间本身并不具有平直或弯曲等几何性质。

1.2物质运动的描述与参照系

    广义运动指物质本身性质及其之间相对位置的任何改变。

    狭义运动指物质之间相对空间位置的改变,这也是运动学所研究的运动。下文中,均指狭义运动。

    我们无法描述质点在空间中的运动或相对于空间的运动(空间是无法直接作为参照物的),只能描述一物相对于另一物的运动,为此我们引入下述概念:

    参照系:被选取作为描述其它物体相对运动的任一物体。

    运动描述的相对性:在不同参照系中,对同一物体的运动具有不同描述的事实,称为运动描述的相对性。

    运动速度(瞬时速度):沿用经典的速度概念,即在给定相对矢径位置平均速度的极限。

1.3惯性参照系与伽利略相对性原理

    惯性参照系:凡是牛顿运动定律成立的参照系叫做惯性参照系,简称惯性系。

    根据牛顿第一定律,惯性系的实质是不受外力,严格的惯性系是不存在的。现实中的参照系是不是惯性系,只能根据观察和实验的结果来判断。

    伽利略相对性原理(也称力学的相对性原理):常见有2种表述。1,在一个惯性系的内部所作的任何力学的实验都不能够确定这一惯性系本身是在静止状态,还是在作匀速直线运动(这是伽利略本人的表述,实际上这一表述是有缺陷的,因为谈论本参照系是静止或匀速直线运动,应以另一个参照系相比较为前提)。2,一切彼此作匀速直线运动的惯性系,对于描述运动的力学规律是完全等价的。

    相对保持匀速直线运动的不同惯性系间,根据古典力学时空观进行伽利略坐标变换时,牛顿第二定律的方程不变(包括数学形式和数值)。

1.4运动的绝对性原理

1.4.1运动学绝对性原理

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    如图1所示。相对于地面以速度 匀速直线运动的车厢中,O为粒子发射源,以相对于发射源的速度yddjdxylch003.gif (770 字节) 向上发射一粒子到达A点时,地球引力忽略不计。

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    由此两参照系对粒子运动描述对比看,粒子运动的路径、速度是不同的,但粒子对于发射源的运动距离、速度是相同的。

    如果车厢相对于地面以任意瞬时速度yddjdxylch005.gif (768 字节)运动,仍有此结论。

    推而广之,两个作相对运动的物体O、A,对任意参照系M、N,虽yddjdxylch006.gif (1373 字节)yddjdxylch007.gif (1371 字节)但恒有:

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    由此,我们得到运动学绝对性原理:对于任何参照系,描述给定物体A、O间的运动规律和物理量量值(包括动力学量加速度a和运动学量速度v)都是等价的。从本质物理意义上讲,它反映了给定物体A、O间运动的客观性或绝对性,因此,称之为运动学绝对性原理。

    运动绝对性原理突出的是两物体间运动对此外的任意参照系的独立特性,它是对事物客观实在性独立于观察(参照系速度)的物理、数学表述。

    当涉及到参照系间进行比较时,可运用运动学绝对性原理进行分析,并把此时的物理意义称为运动描述的相对性原理,或称参照系选定的相对性原理(这样的作法决非作者故弄玄虚,纯粹是为了加深对运动学绝对性原理的认识,并纠正传统上对相对性原理理解的种种偏差)。运动描述的相对性原理决不是说,对于两个参照系,描述给定物体对参照系的运动规律是否等价;也不是说,两个运动物体间互为参照系描述对方的运动是否等价,因为这样的比较是无意义的。

    通俗地讲,根据运动描述的绝对性原理,在火星上描述太阳与地球间的相对运动规律,与在土星上描述是一样的;但在火星上描述地球的运动与在土星上描述地球的运动决非等价的;在太阳上描述地球的运动与在地球上描述太阳的运动相互比较是无意义的,只能以第三物为参照系才能判定日心说与地心说的区别,也只能以第三物为参照系,才能判定太阳和地球间的引力是地球绕太阳作圆周运动的向心力,而不会认为该引力是太阳球绕地球作圆周运动的向心力。

1.4.2动力学绝对性原理

    从运动学绝对性原理可分离出动力学绝对性原理:物体间相对运动的动力学量本质上由运动物体系统所受外力及系统内作用力决定,而与参照系的选用无关。

    我们完全可以利用达朗贝尔原理在非惯性参照系上适用牛顿第二定律。

    容易证明,如果两物体A、B(质量分别为yddjdxylch009.gif (974 字节))受到背景引力场作用的强度相同,且物体质量 yddjdxylch010.gif (1124 字节),则无论相对引力场的运动状态,A是B的适用惯性系。事实上,有时我们在非惯性系中直接使用牛顿第二定律,如在地球和太空中的卫星上,这并不是因为地球或卫星是一个近似的惯性系,而是符合动力学绝对性原理。

    2.场论之质量、电荷篇

2.1质粒模型简说

    物质最终归结为密实的质量微粒,简称质粒。质粒处于极化运动状态中,极化方向(相位)按固有频率周期性改变。匀质极化质粒对外呈电中性,如中子;两种相反的非匀质极化质粒对外分别呈相反电性,我们称这类质粒为电荷。

2.2场、场效应及场效应特性

2.2.1感应、场及场效应

    感应:相离的质量或电荷间发生的极化状态改变和极化方向相对固定,伴随的外在表现为质量或电荷间作用力。

    对应质粒之间的质量感应,外在表现为质粒间的质量引力,即万有引力。

    对应质粒之间的电荷感应,外在表现为电荷间的电荷引力或斥力,即库仑力。

    我们把一质粒对于周围空间的它质粒产生质量感应或电荷感应的效应,定义为该质粒的场效应,并认为,在该质粒的周围存在一个场,参与感应的质粒或电荷统称场源。万有引力和库仑力,统称场效应、场力或场作用力。

    场效应由质量间相互感应或电荷间相互感应而产生,至少与两个场源相联系。单独存在的质粒或电荷无所谓场效应,因而,严格地讲,说某质粒的周围存在一个场是不准确的概念。

2.2.2场效应的特性

2.2.2.1场效应无需介质特性

    与机械作用截然不同,场效应无需介质传递。如果空间存在介质,则与介质材料发生场作用,介质材料一般要削弱场效应。

2.2.2.2场效应传播的纯空间特性(传播速度独立特性)

    两质粒间的场效应(感应)传播所需时间仅与起传点至到达点的空间距离有关(与传播过程中质粒间因相对运动发生距离变化并不矛盾),而与质粒间相对运动速度无关,且在真空中的传播速度为常数yddjdxylch011.gif (2010 字节)分别为真空介电常数和真空磁导率),数值上等于光速(该不变光速的参照物既非场源,也非作用对象,而是客观空间,后面将详细说明)。

    场效应的传播速度独立特性充分证明了空间的客观性、均匀性。

2.2.2.3场效应的相对速度效应特性

    虽然场效应的传播速度与质粒间相对速度无关,但场效应的大小与质粒间相对速度相关,其原因在于相对速度改变了质粒感应状态—感应区域的大小。综合分析现有物理实验(运动电荷的荷质比实验等)分析,近似的相对速度效应系yddjdxylch012.gif (1866 字节)(或者任何其它符合实验结果的数学形式,不一定要保留相对论痕迹),yddjdxylch013.gif (4368 字节)

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    以速度效应系数yddjdxylch015.gif (790 字节),即得运动质量间的质量引力公式和运动电荷间的库仑力公式。

    对场效应的相对速度效应的一种误解,是认为引力质量或电荷数随相对速度发生变化。实际上是电荷引力减小了,而电子质量和电荷数并无任何改变。

2.2.2.4场效应的参照系无关性特性

    根据运动的绝对性原理,场效应的大小(由质量或电荷的大小及相对运动状态决定)与参照系的选取无关。

3.场论之磁篇

    磁作用本与电荷相对运动相伴生,但为了便于理解其独特作用及行文方便,把磁作用单独讨论,然后再统一讨论电磁作用。

3.1磁作用的本质

    磁作用是由电荷间电场作用(电荷感应)的纯相对转动引起的附加效应,也属场效应。由实验验证的毕奥-萨伐儿-拉普拉斯定律yddjdxylch016.gif (2126 字节)及运动电荷的磁感应强度yddjdxylch017.gif (1914 字节)均明白无误证明这一论断。

    无论是相对静止或相对运动的两电荷,只要发生感应方向的转动(电荷自转或发生垂直于连线方向上的线动分量),其电荷感应的极化相位就发生改变,产生磁效应。电荷的电感应效应与磁效应共同组成电磁场效应。

    由磁作用的本质可知,我们不能说运动速度为yddjdxylch018.gif (1678 字节)处的磁感应强度为何值yddjdxylch019.gif (4726 字节)这样的叙述实际上以观察者本身为默认参照系。
经典理论认为由于磁场力总是垂直于电荷运动方向,因而磁效应不作功,对磁场中自由运动的电荷的确如此。但是,对相对转动受到约束的电荷,磁场力就改变电荷的电感应效应的极化能量状态,在电荷间出现能量转移,这种能量转移就是所谓的电磁辐射—电磁波。电磁波的本质就是相对转动、相位变化、通过感应状态变化传递极化能量的电荷感应。只要空间电荷系统中有一个电荷发生相对于系统的转动,感应极化状态的改变就会发生在它与周围所有电荷间,因而电磁波发生在各个方向上。容易理解,电磁波的频率等于电荷感应的极化相位变化频率,电磁波的传播速度等于电荷感应的传播速度。两电荷间的能量转换除了直接放电形成电流外,磁效应导致的感应极化能量的传递是另一方式。

    地磁场的形成被认为是一个科学难题,根据本磁作用理论解释非常简单。地球本身是一个带负电体,地球电荷与外空电荷由于电荷感应处于相对固定的空间状态,由于地球的自西向东自转,相对于地球表面来说负电荷自东向西运动,相对于地球表面就形成自西向东的环行电流,南极为地磁场的N极(地球内部相反)。带电球体因自旋而对其表面上相对静止磁针产生磁效应,应能在实验室被很简单的实验证实。当前,主流论认为地磁场是由所谓地球内部外核液态铁质围绕内核旋转产生,而外核厚度达2200千米,地下检验的路被理论堵死了。

    根据场论,根本排除所谓磁单极和质量引力子的存在。

    电磁作用规律已由麦克斯韦总结为麦克斯韦方程组,方程组正确全面地反映了电磁作用规律,所要进行的修正就是方程中本质上涉及到的电荷数要加入电荷相对运动引起的速度效应yddjdxylch020.gif (858 字节)这并不导致方程组形式的任何改变,因为可以认为方程组中涉及的物理量是客观上的真值(已包括了任何已明或未知因素的影响)。其它电磁学方程的电荷数也均应加入电荷相对运动引起的速度效应系数yddjdxylch021.gif (857 字节)

    3.2电磁效应的能量特性与视频率

    穆斯堡效应实际上精确地证明了电磁效应及其能量传递与运动电荷间相对速度有关。

    光谱红移应区分能量红移和视频率(视波长)红移,它们的本质是截然不同的,应区别具体测定了哪种红移。

    能量红移有两种来源:

    (1)相对速度使场效应减弱。

    (2)天文尺度超远距离的场效应减弱(减弱规律尚不清楚,应与路径上的介质相关)。

    对于相对速度引起的能量红移,设相对静止的电荷间的场效应为yddjdxylch022.gif (924 字节)相对运动

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    视频率红移(多普勒红移):对于对场源相对运动的作用对象,在电磁效应的传播过程中质粒间距离变化,因而与磁效应周期性(由场源对作用对象的相对运动决定)相联系的相对于作用对象的视频率必须计入作用对象间的相对速度影响。相对运动电荷间的电磁作用,视频率为yddjdxylch027.gif (1443 字节)yddjdxylch028.gif (1809 字节)为电荷间相对运动速度的径向分量,相向时取正,相离时取负;yddjdxylch029.gif (2804 字节)

    视频率yddjdxylch030.gif (1645 字节)根本不能反映接受到的光的能量变化,即使能量公式yddjdxylch031.gif (1922 字节)也不成立。把能量红移混同于与视频率或视波长的变化相关的多普勒红移yddjdxylch032.gif (2787 字节)是完全错误的。

    3.3电磁效应与参照系变换

    根据场效应的参照系无关性,作用对象间的电磁效应的大小及场效应在作用对象间的传播速度与参照系的选取无关。

    如果要研究两个相对于观察者(参照系)运动的电荷间的电磁作用,在应用麦克斯韦方程组或其它所有电磁学定律时,就涉及速度变换问题。如何变换速度才能正确地反映电磁效应?我们从对错误的批判开始,因为这将为许多当代物理学理论的正确与否提供根本性判据。

3.3.1麦克斯韦方程不适用伽利略变换的根源

    历史上曾认为麦克斯韦方程不是普遍适用的,因为它对伽利略变换是不协变的。我们在此给出麦克斯韦方程不适用伽利略变换的客观原因。

    我们从磁效应本质开始分析。显然,前述的毕奥-萨伐儿-拉普拉斯定律公式及运动电荷的磁感应强度公式不适用于伽利略变换,否则,对两相对运动的电荷A、B,A对B的磁感应强度将因参照系不同(因而电流强度不同)而成为不定值。同样原因,安培环路定律yddjdxylch033.gif (3471 字节)不适用于伽利略变换。

    麦克斯韦把变化电场看作“位移电流yddjdxylch034.gif (1246 字节)”引入了全电流的概念,扩大了安培环路定律的适用范围(扩展至变化的电场,如电容器间),得出了全电流定律:

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    虽然位移电流适用于伽利略变换(因为仅由单位时间内电荷数变化决定,不涉及速度),但由于传导电流、运流电流的磁场强度不适用于伽利略变换,所以,麦克斯韦方程组中的全电流定律不适用于伽利略变换。可以推论,所有磁效应规律都不适用于伽利略变换,因为速度的变换都将使电流改变,使得一电荷对另一电荷的磁效应不能适用现有形式的涉磁公式。

    3.3.2洛仑兹变换的矛盾

    当代物理学认为,由洛仑兹假设并符合爱因斯坦狭义相对性原理的洛仑兹变换符合电磁现象规律,这不过是因为条件所限才未被实验证伪罢了。即使洛仑兹变换使麦克斯韦方程组保持了形式的不变性,变换所得结果也是完全错误的,不符合电磁效应的客观情况。

    由于麦克斯韦方程组中之全电流定律中的传导电流、运流电流不适用于伽利略变换,那么对不同运动速度的参照系如何应用全电流定律呢?这种变换应该对不同的参照系,导出与相对于磁源电荷静止的参照系相同的磁感应强度或磁场强度。洛伦兹变换实际上根本没能解决这一问题。

    3.3.2.1洛仑兹变换证伪

    关于洛仑兹变换,许少知、程稳平等从数学方面及插入过渡参照系的不适用性[2]等方面进行了证伪。我们从经典的《普通物理学》教材出发从物理意义上完成这项工作。

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速度定义求出该粒子在坐标系K′中的运动速度为:

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    显然,公式(4)与公式(5)矛盾,即相对论速度变换公式求出的在坐标系K′中的速度不等于根据速度定义在坐标系K′中求出的速度!!!

    洛仑兹变换使同一参照系内长度及时间不再是均匀的、线性的,这说明在洛仑兹变换中时间、空间的概念是错误的,因而速度概念已失去物理意义!

     3.3.2.2—麦克斯韦方程组如何变换

    根据3.3.1的讨论,在相对运动参照系中,研究两相对运动电荷间电磁作用时不能直接应用麦克斯韦方程组(因为决定电磁量的电流由两电荷间相对运动速度而非对其它参照系的速度决定),因而,正确的变换应保持电磁效应的不变性,而非什么抽象的“物理规律”或“数学形式”的不变性。这就要用到任意参照系运动描述的绝对性原理,而惯性系的要求纯属多余限制。正确的处理方法是把两电荷对同一参照系的速度直接矢量相减,求出作用电荷之间的相对速度即可,将欲求电荷作为参照系,将另一电荷对它的相对速度运用于麦克斯韦方程组或其它电磁学公式。这就是场效应的参照系无关性。

    看来,20世纪的物理学大师们对麦克斯韦方程组并未真正理解。

4.光速不变原理与狭义相对论

4.1光速不变原理

    光速不变原理的实质是前面提到的场效应传播的纯空间特性(传播速度独立特性):在真空中,两质粒间的场效应(感应)传播所需时间仅与起传点至到达点的空间距离有关,而与质粒间相对运动速度无关,且在真空中的传播速度等于光速 。本质上讲,光速是场效应在给定的空间距离内的传播速度,等于场效应传播给定的空间距离对所需时间的比值。

    场效应的传播速度仅反映了效应传递的空间—时间关系,并非真实的物质形态的位移—时间关系,其传播速度既非相对于场源 ,也非相对于作用对象,而是相对于客观空间。

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    如图3所示。设场效应传播的起点位置为O,到达点位置为A,客观空间为参照系M;场源为参照系为N,相对于M的速度为yddjdxylch043.gif (2274 字节)相对于yddjdxylch044.gif (1936 字节);根据运动的绝对性原理,有

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    即场效应相对于客观空间、场源、作用对象的传播速度均为光速 。光速不变原理反映的是在任何参照系看来,场效应在起传点与到达点之间的传播速度不变。这个速度是在两点间传播的绝对速度而非相对于某参照物(除了客观空间)的相对速度,因而是不能在参照系之间迭加的。

    对于相对静止的场源和作用对象,它们相对于客观空间的速度相同,场效应的传播速度貌似相对于场源及作用对象,是由于均暗含迭加了光源和作用对象对客观空间的相对速度,掩盖了不变光速的实质;但在相对运动的场源和作用对象间,光速与场源或作用对象相迭加,就必然暴露出矛盾,均导致一些物理学疑难。
以上分析充分证明,在场源与作用对象间有相对运动时,不能在场源与作用对象间对场效应传播速度进行伽利略变换或任何其它速度变换,这就是场效应传播速度对于场源、作用对象的无关性。

    对于同一作用对象,给定距离处的相对运动光源的光或相对静止光源的光传到该点所需时间是相等的,根本不存在爱因斯坦所认为的运动光源的光先到或后到的情况,因为此时作用对象处于同一特定的客观空间位置。

    上面所讨论的光速实际上是在真空中(介质外)的情形,因此光速不变原理应称为真空中的光速不变原理。

4.2狭义相对性原理

    爱因斯坦对所谓简单性、对称性、形式不变性等有着执著的信念,甚至不顾与直观真理(如伽利略变换)的矛盾。

    爱因斯坦的狭义相对性原理:一切彼此相对作匀速直线运动的惯性参照系,对于描写运动的一切规律来说都是等价的。教材解释:“这说明运动的描写只有相对的意义,而绝对静止的参照系则是不存在的,在任一惯性参照系中所作的任何实验都不能确定这一系统本身的‘绝对’运动”。

    问题仍然出在对电的磁效应的不理解上,把电磁效应理解为纯运动学问题了。

    伽利略相对性原理是由运动学实验归纳出来的规律,有其实验基础;而狭义相对性原理不是经归纳而是由爱因斯坦推论的,他不理解电荷的磁效应依赖于作用对象间的相对运动速度,只看到了参照系的相对性,而不理解物质作用的绝对性。洛仑兹变换本身的理论错误未能被发现,而电磁效应在相对运动参照系中的比较实验又无法实际进行,这使洛仑兹、爱因斯坦都未能发现狭义相对性原理对电磁效应不成立。

    有的书上把“运动的一切规律”写为“所有物理规律”,应属相对论者的新发展。

4.3爱因斯坦对光速不变原理理解的错误

    已如前述,光速不变原理根据电磁效应的产生机制本是容易理解的。

    光速不变原理虽由爱因斯坦本人提出,但并未搞清其物理机制,故虽有“追光实验”的猜想,却仍根深蒂固地认为光是粒子(从对光电效应解释到光子的质量等),因此对爱因斯坦来说,光及光速都仍然是神秘的。

    爱因斯坦并不理解真正的光速不变原理的物理意义。他既认为光速不变,事实上又以粒子的观点理解光速,如在运动火车与路基上的观察悖论、同时性与参考系有关(所谓同时性的相对性),都出现了光速与物体运动速度相加减的概念。

(注:悖论,将指向不同实在内容的同一概念混用而造成的逻辑矛盾。)

4.4揪出深藏在洛仑兹变换推导中的神秘幽灵—光源悖论

    不管从粒子说、波动说或者电磁效应说,都推导不出所谓洛仑兹变换。

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结论:无论真实的光源固定在K坐标系的原点O,或是固定在K′坐标系的原点O′,都只能导出yddjdxylch048.gif (888 字节),即导出伽利略变换!

    欲得出yddjdxylch049.gif (1460 字节)的方程,只能使光源在任意时刻都在O、O′两点以无限大速度跳来跳去(这才是相对论的真正神奇之处),才能达到既在O处又O′处!

    爱因斯坦先生真是一位创造悖论的超级大师!

    所有形式的洛仑兹变换推导都有这类悖论隐藏在内,包括所谓不需利用光速不变原理而仅利用几何条件(实际上就是勾股定理)的相对论发展者的理论。阐解相对论使用的火车、闪电、光信号对钟、相对同时性等方法和概念,也无不暗藏精妙的悖论!

    我们终于揪出了在相对论中深藏了一百年的幽灵!

4.5深入微观—场作用原理对斐索流水实验的完美解释

    对斐索流水实验[3]的解释被认为是证明狭义相对论速度变换正确性的重要证据。其实,无论是狭义相对论的解释或得出同样数据的菲涅耳以太拖动系数解释都是错误的。

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    斐索实验的布置如图4所示。自狭缝S发出的单色光分成两条,这两条光线分别穿过A管和B管。两管中装着流动很快的水,水流方向相反。两条光经过M1反射后,互换路径,在它们回到透镜L1时,光线(1)穿过A和B,其方向与水流方向相反,而另一光线(2)穿过同样的A和B,其方向却与水流方向相同。透镜L1把这两光线聚到一起,在S′处形成干涉条纹。改变管中水流的方向,即会观察到干涉条纹的移动。

    比较两光线的传播路径,在空气、玻璃管壁及透镜中的光程是完全相同的,在界面的半波损失也相同,只需分析光线在水中的光程差。

    下面我们首先分析光在介质中传播时相对于光源的速度。

yddjdxylch051.gif (19885 字节)

    如图5所示,S为光源,(a)、(b)、(c)分别示意介质(折射率为yddjdxylch053.gif (761 字节)对光源静止、相向、相离三种情形,设yddjdxylch054.gif (3603 字节)为此后某一时刻。

    根据光速不变原理,在真空中光速为yddjdxylch055.gif (1985 字节)

    (2)在(a)情形中,相对于光源静止的介质中,yddjdxylch056.gif (2305 字节)所以光在介质中传播时相对于光源的速度为yddjdxylch057.gif (1932 字节)

    (3)在(b)情形中,相对于光源相向运动的介质中,yddjdxylch058.gif (1130 字节)光在介质中向前传yddjdxylch059.gif (5639 字节)所以光在介质中传播时相对于光源的速度为yddjdxylch060.gif (2047 字节)

    (4)在(c)情形中,相对于光源相离运动的介质中,yddjdxylch061.gif (2197 字节)光传播前沿始终在介质界面,相对于光源的速度为yddjdxylch062.gif (2809 字节)yddjdxylch063.gif (5754 字节)

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yddjdxylch065.gif (4917 字节)处相遇时的相位差,其中 为所用单色光的频率。当水流反向时,相位差改变为此相位差的2倍,即可由此计算干涉条纹的移动量。

    代入实际数据计算结果证明,按公式(10)计算的结果刚好为按赫兹以太完全被

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所述实验值为赫兹理论值的二分之一的结论。狭义相对论的解释或菲涅耳以太拖动系数解释(二者竟得出近似同一数值)都误差较大(计算数值偏小);当水流速度很大时,狭义相对论的公式将与菲涅耳理论偏差较大;可以预言,当把水换成折射率为的1.195的二氧化碳或折射率为的1.626的二硫化碳液体来进行斐索流水实验时,狭义相对论或菲涅耳以太拖动系数都将无法对实验结果进行解释,而实验结果将完全符合公式(10)的结论,期待有条件的人士早日完成该实验来验证(附:关于斐索流体实验结果比较分析表)!

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4.6光在介质中的传播速度

    光在介质中的传播实际上是电磁感应在介质质粒间的再激发的传递过程。设介质的折射yddjdxylch068.gif (3052 字节)由上面4.5对光在介质中传播的分析,我们可以得出以下结论:

(1)光源与介质相对静止:在介质外及介质表面,相对于光源及介质的光yddjdxylch069.gif (3915 字节)

(2)光源与介质相向运动:在介质外及介质表面,相对于介质的光速为yddjdxylch070.gif (770 字节)相对于光源的速度为yddjdxylch071.gif (3227 字节),相对于光源的速度为yddjdxylch072.gif (990 字节)

(3)光源与介质相离运动:在介质外及介质表面,相对于介质的光速为yddjdxylch073.gif (822 字节)如果yddjdxylch074.gif (5507 字节)
,则光不能传到介质内。

4.7评相对论时空观

    狭义相对性原理不过对电荷的磁效应不成立而已,一条不完善的原理没有什么大不了的问题,因为它根本就没什么具体用途;用荒谬的洛仑兹变换来变换麦克斯韦方程危害也并不大(反正你只能在你的实验室测定特定电荷的电磁量,管它在月球上的效应是多大;反过来在月球上也是一样道理),但别真用来解决普通运动学问题;光速不变原理理解不透也没什么,偏偏又搞出一个相对论时空!从此,物理学在迷茫中摸索了一个世纪,物理哲学倒退了几个世纪,宇宙学进入神话时代,天上地下,葬送了多少人力物力。这次第,怎一个乱字了得!

    相对论时空观,借用CCTV节目主持人常用的一句褒奖话:“整整影响了几代人!”

5.光的其它部分特性简述

5.1波粒二相性

    所谓波粒二象性,是在对电磁效应的本质认识不很清晰的情况下对光现象表观特征的概括。光实际上既不同于机械波,更不是什么粒子。光的波动性实际上对应着与磁效应相联系的电荷感应的极化相位变化的周期性,所谓粒子效应其实是电磁作用对象间能量状态转移的外在表现。

5.2物质波—德布罗意波

    物质波—德布罗意波不同于场作用效应。戴维森—革末耳实验中,观察到的所谓波动性,实际上不过是质粒间碰撞后的散射作用而已,已推导出了其电流的余弦规律。

5.3光电效应

    光电效应其实是电荷间通过电磁作用发生的能量转移导致的电子逸出。

5.4物质的视觉特性

    光源与被视物间的电磁作用在人眼中的反映(这种反映也是电磁作用)。

5.5波动性与量子物理

    原子作为多电荷粒子系统,其中任何一个电子的运动都将改变对系统其它电荷粒子的电磁作用状态和运动状态,这种改变又导致新的改变,因而多电荷粒子系统内的电磁作用与运动是一个无比复杂的问题,甚至在数学上还无法求解。由于电磁作用的特性,原子系统内电磁作用和运动呈现出拟周期性,当然也可理解为波动性,因此,量子力学一定程度上符合了电磁作用的波动特征(要区分电磁作用的波动特征与实物粒子的散射作用),但具猜测性,物理图象不清晰,唯心因素在日益发展。应按电磁效应理论重整量子力学。

5.6宇宙学问题

    从光的电磁效应本质来看,以所谓奥伯斯(奥尔勃斯)佯谬来证明宇宙的有限性显得就象堂吉诃德斗风车,而大爆炸学说等许多现代宇宙学理论比这更加荒唐可笑,实在不值得浪费精力来批判它们。

6.速度概念再探析

6.1无参照物的速度

    对光速(场效应传播速度)本质的分析证明,真空中不变的光速既非相对于光源,也非相对于作用对象,而是相对于客观空间,但因空间之“空”使其无法作为可观察的参照物,从而无法测出光源或作用对象相对于客观空间的速度。光速相对于客观空间的不变性,来源于场效应的客观本性及空间的客观性、均匀性。

    仅仅在光速不变的意义上,可以说客观空间类似于“以太”媒质,但光速相对于客观空间的速度不能与光源或作用对象的速度相迭加。认为迈克耳孙—莫雷实验中应该观察到干涉条纹移动的依据,就是将光速与实验环境对以太的速度相迭加,在认为光是媒质中的机械波,而以太是光传播所必需的客观实在媒质的前提下,不得不如此。按不变光速是相对于客观空间的速度并且不与光源及作用对象的速度相迭加,就必然得出干涉条纹不动的结论。

    光速相对于客观空间的不变性,使相对速度概念遭遇了尴尬:自然中最普遍的现象的速度,竟然是以摸不着、看不见的客观空间为参照物的。不变光速似乎“有实无名”。

6.2无物理意义的速度

    对两个互相转动的物体,可以求出一物对另一物的切向线速度yddjdxylch075.gif (1616 字节)中,只有其方向和方向变化率yddjdxylch076.gif (3827 字节)是无物理意义的,虽然它具有速度的概念和形式。可以推论:平动的相对速度数值具有完整的速度意义,由相对转动导出的相对速度数值不具有完整的物理意义,这是相对速度中的“有名无实”。

    以上推论并不否定转动轮子中的质粒的线速度的物理意义:转动轮子上的质粒的线速度是在的空间的真实平动运动,其轨迹是空间的圆弧,平动的参照点是转体物体;相对转动切向线速度的参照点是转动中心,它是变动中的线速度的法线之交点。对相距地球10亿光年的某星体,由于地球的自转,其相对于地球转动的切向速度数值非常巨大达1020 m/s却不具有物理意义,而在宇宙中似没有这样的平动的参照点,使其平动相对速度超过1010m/s。

    区分平动与转动线速度意义并举出以上例子,是为了驳斥以转动线速度超过光速来证明存在超光速现象。

7.历史的教训

    从拉格朗日把广义坐标用于运动学开始,物理学开始进入数学化时期。变分原理、哈米顿原理等最小作用原理思想把力学发展到数学化的至高点,但电磁效应具有区别于机械力的本质特征,描述电磁效应借用的脱胎于力学的公式失效了。这并非物理学数学化的错误,而是物理学本身的错误。从数学形式(尤其是张量分析)中寻找物理原象这种缘木求鱼式的方法论,已充斥物理学前沿研究中。

参考文献
〔1〕程守洙,江之永.普通物理学(第三版).北京: 人民教育出版社,1978.
〔2〕宋正海,范大杰,许少知等.相对论再思考.北京:地震出版社,2002.
〔3〕母国光,战元龄.光学.北京:人民教育出版社,1978.

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物理科学探疑

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