物理科学探疑-网友天空-系统观点--吴家荣--二十世纪物理学批判-洛仑兹变换的物理意义
《二十世纪物理学批判》第一篇
论文八
洛仑兹变换的物理意义
吴 家 荣
内容提要 客观世界是绝对的，我们对客观世界的认识是相对的，洛仑兹变换反映的正是这种关系。
关键词 真实位置 虚幻位置 时空因果律
一、洛仑兹变换反映的是客观绝对世界和主观相对认识之间的关系
从我们推导洛仑兹变换新公式的过程中可以清楚地看到，我们使用的唯一计量器具就是爱因斯坦钟。观察者通过视觉认识世界，主要依靠光。光传来了钟的信息，也即事件时间的信息，我们通过先后到达的光信息，获得了本钟时间差，两钟时间差，时间差之比等概念。通过思维，我们就认识了事件的位置、形状、运动速度以及它们与光传播方向之间的关系。
洛仑兹变换可以把物理系统的状态变化所遵循的规律由静止系统变换到运动系统或由运动系统变换到静止系统，说明物质运动本身是绝对的，而物质运动的描述是相对的。洛仑兹变换是根据光速恒定原理推导出来的，因而我们可以认为相对性原理已包含在光速恒定原理之中。光在真空中的绝对速度是ｃ；在运动系统中的绝对速度是ｃ±ｖ，由于观察者随动系一起运动，他相对于动系是静止的，所以观察者在动系测量光速也是ｃ；如果观察者站在静系的立场，测量运动光源发射的光速，由于光子的运动速度和波速是不同的概念，他测量到的波速仍然是ｃ。（例如测量遥远恒星的光，就会产生光行差），但在地球上测量光速，因为测量不到波速只能测量到光子的运动速度，而这时观察者和光源必在一个系统中（相对静止），如麦克尔逊──莫雷实验就测不到光行差，只能测量到光子运动速度ｃ。若光源是运动的，本应测量到光行差，但因距离不够遥远，误差极小，也就难以确定光行差，如雷达探测飞机等，也分辨不出光行差。
按照通常爱因斯坦狭义相对论的观点，运动的钟变慢和运动物体的收缩是“真的”。而我们认为，离开我们而独立存在的世界是客观的，时空是绝对的，我们通过感官认识世界则是相对的。相离而去的钟看起来变慢，相向而来的钟看起来变快；相离而去的球，看起来变小，相向而来的球看起来变大；都是我们“看”的结果。由于光在真空中传播有定速，在不同介质中传播速度不一样，有时就会造成我们的错觉。例如半截在水中的筷子，看起来是弯的；大小相同的圆，一个是黑色的，一个是白色的，或者大小相同的圆，一个放在几个较大半径的圆中间，一个放在几个较小半径的圆中间，看起来两个一样大小的圆，却是一个大，一个小。我们不能认为它们真的弯了，真的一大一小，这些都是光在“作怪”。
凡是与光相关的观察与测量，由于光有定速，都有可能造成错觉。客观世界的大量信息都是依靠光传递的，这种错觉就一定会有。但我们人类是有思维的，感觉的经验，能上升到理性的认识。因而，虽然我们直接感觉的世界是相对的，我们通过思考，推理和判断是能够认识世界的，是能够获得真理的。
洛仑兹变换表面上看起来是惯性系之间坐标和时间关系的变换。即动系Σ′中运动参数 （ｘ′，ｙ′，ｚ′，ｔ′）可以通过静系Σ中运动参数（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）的互换，使物理体系的状态变化所遵循的规律，取得一致的形式。但其实质，却是反映了客观绝对世界与主观相对认识之间的关系，即反映的是我们看到的物质运动的“幻影”与物质运动真实之间的关系。现在让我们具体探讨一下，洛仑兹变换的物理意义。我们在论文五中推导洛仑兹变换时得到了公式
(1)
其中 （ｔK2 －ｔK1 ）是静系Ｋ钟的本钟时间差，它反映的是绝对时间的流逝。而（ｔA2 －ｔA1 ）是动系Ａ钟的本钟时间差，它反映的是动系两个不同位置的相对时间差值， 并通过公式（１）和绝对时间的流逝联系起来。
| 由图１我们知道，ｔA是观察者看到的Ａ钟在Ａ1位置 用光传回的相对时间信息，而这时Ａ钟已运动到Ａ位置。即 我们看到的是Ａ钟在“虚幻”位置Ａ1 的相对时间。而其真 实位置在Ａ，真实时间是ｔK1 ，也就是Ａ钟所到之处静钟的 时间。同样，Ｂ钟的情形也是这样。 |
 |
如果我们用坐标位置来说明的话，也即观察者看到的是“虚幻”的坐标位置Ａ1 ，而真正的物体坐标在Ａ。因此，所谓相互作匀速平移运动的两个惯性系中的动系Σ′坐标，必须选在与速度ｖ对应的“虚幻”位置，速度ｖ越大，“虚幻”位置与真实位置相距越远，我们的错觉也越大。图１的Ｂ钟参照系为Σ″，其运动速度和Σ′一样也是ｖ。但因Σ′和Σ″距观察者的位置不同，所以观察者看到它们的“幻影”坐标位置也不同。因为通过光和观察者建立联系的是“幻影”坐标原点，所以动系Σ′、Σ″的参数（ｘ′，ｙ′，ｚ′，ｔ′）和（ｘ″，ｙ″，ｚ″，ｔ″）是从“幻影”坐标原点计量的。
这样我就得出如下结论：“速度不同”或“速度相同而位置不同”，对应有不同的动系原点位置，由观察者看来，惯性系绝非是等价的，我们可以把这称为惯性系选择的唯一性原理。
我们再来看相离运动的两个公式。变换一下形式，写成
即运动钟与静止钟时间比为
。运动钟比静止钟每秒慢
秒。由图１我们还可以想到，动钟与静钟的时间比，其实就是动钟本身“虚幻”位置时间与真实位置时间之比。
同样，公式（１）也可以写成动系本钟时间差与静系本钟时间差之比，比值也是
。即
它反映的是动钟Ａ在其不同的“虚幻”位置的时间差（相对时间差）与其真实位置的时间差（绝对时间差）之间的关系。如果把动钟Ｂ与动钟Ａ之间的距离看成是杆长的话，那就是真实的长度与相对的长度的关系用时间差来表述。而真实的长度一定等于动钟Ｂ和动钟Ａ同时发出的两束光，分别到达观察者时的静系时间差（或真实位置时间差：tK2 －tK1 ）乘以光速ｃ。它就一定是我们在变换公式推导过程中表述的那样
其中 （ｘ－ｖｔ）是杆的真实长度或绝对长度.。
这杆的真实状态在静系中以参数（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）表示，而这杆的相对状态在“虚幻”的坐标系（即动坐标系Σ′）中以参数（ｘ′，ｙ′，ｚ′，ｔ′）表示，它们之间的关系可以用洛仑兹变换联系起来，也就是把绝对时空和相对时空联系起来。运动物体的真实位置参照系是和静系等价的，而其“虚幻”位置参照系是和静系不等价的。
对于不同的速度 ｖ，就会有不同的 “虚幻” 位置。 这许许多多的 “虚幻”位置所对应的动坐标系Σ′，就构成了一个群，这就是洛仑兹（闵可夫斯基）时空群，而许许多多的真实位置就构成了另一群，那就是牛顿时空群。牛顿时空群与静系是等价的，洛仑兹时空群与静系是不等价的。
对每一个速度ｖ，在其“虚幻”的位置上，有一个与之对应的唯一的洛仑兹时空（ｘ′，ｙ′，ｚ，ｔ′）。我们通过光获得的运动物体的信息，是在“虚幻”位置上的信息，而物体真正位置由于物体的运动，已不在“虚幻”位置。运动物体不断发回信息，我们所看到的总是它们的“幻影”，物体真实位置在何处，我们是看不到的。因而，也可以理解为运动物体被洛仑兹时空“挡住”了，或者说成是运动物体进入了牛顿时空，因为光有定速，我们每个人所能“看”到的只能是洛仑兹时空。牛顿时空是绝对时空，洛仑兹时空是相对时空。
我们已经知道，对相离而去的加速平移运动来说，物体在相同的时间差内，可以获得更远的空间位置，因而我们看到随它一同运动的钟，会变得更慢。这时坐标系Σ′的速度ｖ可以写成：
于是我们的变换公式，对加速直线运动来说，可以把β中的ｖ换成：
上述运动钟变慢的速率为
这是一个变动速率。
同样，相向运动道理也如此，只是公式不同。洛仑兹变换新公式推广到加速系统的形式，我们在论文六《洛仑兹变换的推广》中都已列出。
对于ｖ≥ｃ时，相离运动理论上仍是说的通的，而相向运动，则传递信息的不仅是光，运动物体本身也参与了信息的传递，因而公式不再适用。否则，就会出现时间反演。这就是洛仑兹变换中为什么必须满足条件：
ｖ＜ｃ．
二、时空因果律
设空间某点Ｏ，有一待发的火箭，如图１所示。空间各点都可看成是距Ｏ半径为Ｒ的各点。当火箭速度满足下式
０≤ｖ＜ｃ
时，无论是火箭向空间各点发出的信号，还是空间各点发向火箭的信号，都可以用光联系起来，满足因果律的要求。当火箭速度
ｖ≥ｃ
| 时 ，“前方”
无论多么远的空间各点，发向火箭的信息，仍 可用光信号联系起来，满足因果律的要求。而火箭发向“前 方”各点的信息，空间各点仍可收到，但因为物体本身运动 的速度等于或超过光速，物体本身参与了信息的传递。光信 号的传递速度相对地慢了，就会出现“先看到结果，后看到 原因”的情况。这相当于倒放电影，但绝不会出现“起死回生”。只不过先看到死亡，后看到生病而已，因果律仍然有效。这是相向运动情况。 |
 |
再看“后方”各点。“后方”各点无论多么近，空间各点发向火箭的信息，火箭再也接收不到，“既使有原因，也看不到结果”。而火箭发向“后方”各空间点的信息，空间各点仍可收到。这是相离运动情况。
不过，我们目前还没有发现超光速的物质运动现象，因而我们的时空（宇宙）是因果律有效的时空。
如果我们把“既使有原因，也看不到结果”和“先看到结果，后看到原因，相当于回顾阅历史”也理解为因果律有效的话，那么我们的时空，那怕物质运动超光速，也还是因果律绝对有效的时空。因为，相当于回顾阅历史，并不等于事件本身逆转，所谓因果律无效的时空事件是不存在的。
我们这个世界传递信息的光速ｃ是每秒约30万公里。如果光速不是这个数值，比如说无穷大，则我们就能看到绝对世界。如果光速很小，比如说每秒几千公里或几百公里，这对于我们推导洛仑兹变换是毫无影响的。但是，我们这个世界出现所谓“时间反演”的现象，将会是履见不鲜的！就好象我们先看到闪电，后听到雷声一样。而因果律仍然有效，绝不会出现“起死回生”、“返老还童”的事情。
我们再作个类比：
当船的速度小于水面波速时，水波将超前船速而传播，当船的速度大于水面波速时，将产生水的“激波”。
当飞机以亚音速飞行时，声波将超前飞机而传播；当飞机以超音速飞行时，将产生空气的“激波”。
同样，当物质运动速度小于光速时，光波将超前物质运动而传递信息，当物质以超光速运动时，在光的海洋──光以太中，将产生光的“激波”。物质运动的当前信息将由物质本身传递，而随后到来的光波，传递的仅仅是物质运动的、过去的、反演着的信息。所以，依赖于信息传播速度（这里指光速ｃ）的时间现象，绝不会出现通常误认为的倒流。
版权所有，保留一切权力，未经授权使用将追究法律责任 版权说明
© Copyright Authors
物理科学探疑