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[原创] 狭义相对论三问

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发表于 2018-1-5 13:49:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
狭义相对论三问

        一、狭义相对论是完全正确的吗?

        考虑狭义相对论热力学结果。沈惠川先生于2005年在《物理学报》上发表的《分析热力学的应用:平衡态热力学中温度的相对论变换》,汇总分析了所有温度相对论变换的观点,并利用分析热力学的观点和方法进行了研究,认为狭义相对论的必然结论是运动物体温度降低。

        直观的理解:如果运动热力学系统具有确定温度且物态方程仍符合P=NKT/V,按照狭义相对论,运动体积收缩γV'=V,为保证力(压强)是线性变换,只有两种结果:一是运动系统的压强不变P'=P、温度降低T'=T/γ;二是压强降低P'=P/γ、温度不变T'=T。又根据热力学第一定律dU'=P'dV'+T'dS'必须具有不变形式,则温度降低似乎是狭义相对论一个必然的结果。

        但是,考虑这样一个多系统理想实验:以一个很大的不具有热力学系统性质的理想静止箱体,封闭包围多个静止时温度相同的独立的热力学系统。如果这些系统都是静止的,整体温度必然与单个系统的静止温度相同;如果这些系统象热力学系统中的粒子一样作不同的运动,则箱体外面的观察者必然得到整体温度高于所有系统全部静止时的温度,从而推得运动系统的温度是升高的。

        狭义相对论结论是运动物体温度降低,而多系统理想实验的结果是运动物体温度升高,说明至少应对狭义相对论进行修正

        二、如果狭义相对论存在问题,整个理论体系中的关键点在哪里?

        问题的关键点是,本来想得到是关于相对于两惯性系分别静止的时间的变换,但在洛伦兹变换的推导过程中,不自觉地用运动时钟的时间代替了相对于惯性系静止的时间(爱因斯坦只是单纯地强调两者同步,并没有证明。事实是,证据指向它们不同步)。

        例1:《论动体的电动力学》推导方法。爱因斯坦首先得到并作为狭义相对论出发点的函数式是:[τ(0,0,0,t)+τ(0,0,0,t+x'/(V-v)+x'/(V+v))]/2=τ(x',0,0,t+x'/(V-v))。式中的时间t,爱因斯坦的初衷是指放在静系中的静止的钟的时间。但式中τt的对应关系,是基于运动钟的对钟过程,因此t实际是运动钟的时间。然而,爱因斯坦并没有给出t作为静系时间的理由,他只是单纯地强调运动钟的指示与静止钟的时间相一致:在运动“杆的两端(AB)都放着一只同静系的钟同步了的钟,也就是说,这些钟在任何瞬间所报的时刻,都同它们所在地方的‘静止时间’相一致,因此,这些钟也是‘在静系中同步的’”;又在脚注里宣称:“这里的‘时间’表示‘静系的时间’,同时也表示运动着的钟经过所讨论的地点时的指针位置。”

       事实上,狭义相对论关于运动钟慢的结论,不支持运动钟和静止钟重合即同步。那么,既然运动钟与静止钟不同步,两者就不能对等,用运动钟的时间t替代静系时间,就成为偷换概念的逻辑错误。

        如果将错就错,看作讨论运动钟时间t与动系时间τ之间的关系。那么,逻辑上,就需要预先赋予式中用运动时间表达的 (c-v)t、(c+v)t以明确的物理意义。但作为狭义相对论基础的经典力学只有参照系时间,并没有所谓的运动时间概念。出发点物理意义的不明确,必然造成逻辑混乱,使得所有关于狭义相对论正确与错误的讨论,循环证反,得不出结论。

        运动时间代替静止时间的问题,是狭义相对论最根本的问题。

        例2:由x2+y2+z2-c2t2=x'2+y'2+z'2-c2t'2推导洛伦兹变换的方法。一般设变换关系是线性的,用两个关系式表示: x'= a1x+a2t和t'= b1x+b2t。然后代入间隔等式并令等式两边对应项的系数相等,可得一组方程。再利用x'= 0时x=vt,可得a2=-a1v。由此解方程组,可确定系数a1、a2、b1、b2。

        这个方法的问题存在于变换关系的线性表示。当否定了超距作用后,两惯性系中的物理量,如果可以表示为一定的变换关系,两者必须具有某种联系,才能共同变化。如:x'= a1x+a2t和t'= b1x+b2t中的空间量,其端点在两个惯性系中都认为是同一个“点”。那么,其中的时间t't呢?我们认为,表示时间t't的时钟是同一个时钟,才可认为两个时间相互联系,在两惯性系间具有线性变换关系。也就是说,设定两个线性关系x'= a1x+a2t和t'= b1x+b2t的同时,实际默认了t't是同一个时钟在不同惯性系中时间。由此,如果其中一个惯性系的观察者认为时钟静止,那么,另一个惯性系的观察者必然认为时钟运动,根本的问题仍然是运动时间和静止时间的问题,与例1相同。

        如果对时钟作如下区分,可以让我们的概念更清晰。两个惯性系可以区分四个不同的时间:静止惯性系静止观察者的时间t静静、运动惯性系静止观察者的时间t动动、运动惯性系静止观察者的时间t动动在静止惯性系静止观察者看来是运动的时间t静动、静止惯性系静止观察者的时间t静静在运动惯性系静止观察者看来也是运动的时间t动静由此可得三个不同关系:关系1:两个惯性系自身静止观察者的时间t静静与t动动之间的关系;关系2:一个惯性系自身静止观察者的时间(以t静静例)与这个观察者看到的另一个相对运动的惯性系自身静止观察者的时间(以t静动例)之间的关系;关系3:一个惯性系自身静止观察者的时间(以t静静为例)与另一个相对运动的惯性系自身静止观察者看到的这个的时间(以t动静为例)之间的关系,这是是同一个时钟在不同惯性系中的观察结果。

        根据以上区分,相对论时间变换关系应为同一个时钟在不同惯性系中的观察结果,即关系3;不可能是毫无联系的两个参照系的时间标准变换,即关系1。另外,说句题外话,狭义相对论时钟实验验证的是不同观察者对不同时钟的观察结果,即关系2。

        三、如何修正狭义相对论?

        问题牵扯到基本概念,不可能只对牛顿经典力学加光速不变原理得到的狭义相对论进行简单修补。应当认识到,超距作用下的牛顿经典力学,对物理实际的反映并不全面。如:物理公式中的时间、空间量,是具有起止点的空间距离、时间间隔;既然空间距离由两端点决定,那么,运动的本质是相对运动,两端点的性质应同时反映而不是割裂开来,等等。我们的任务是据此重新建立包含速度极限作为变量(可有限数值或无限大)的运动理论体系,而光速不变原理不再作为这个理论体系的基本原理。

        光速不变原理告诉我们的仅仅是,如果光的运动和有静质量物质的运动可以统一描述,则光速成为物质速度的极限,相当于对经典速度概念增加了限制,速度应当重新定义;同时,光速的不变性作为物质运动的边界条件,用以确定运动的待定系数。

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 楼主| 发表于 2018-1-23 16:55:29 | 显示全部楼层
“二是压强降低P'=P/γ"应为”二是压强升高P'=Pγ“
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 楼主| 发表于 2018-1-24 16:28:10 | 显示全部楼层
liu0522 发表于 2018-1-23 16:55
热力学第一定律dU'=P'dV'+T'dS',应为:热力学第一定律dU'=P'dV'+T'dS'-p(k)*dq(k)*(q上有一点)。可参阅沈惠川先生的文章。
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