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包含旧的理论结果,并且拓展了新的疆域!
这是新理论的一大特征!
我们来做一个总结,L=L0√(1… u2/ c2)这条方程究竟明显地告诉了我们什么。
物体的长度在不同的惯性系看来是不同的,在以u相对运动的坐标系看来,它们比静止时缩短了!而且是缩短到静止时的√(1… u2/ c2)倍!但是,在与相对运动垂直的方向上的长度是不变的。当处于低速(u比较小)时,近似回到旧的理论;而当u很大时,缩短的效应将非常明显。
这就是狭义相对论中著名的收缩效应。
值得指出的是,事实上,物体的长度也可以延伸到空间的距离,也就是说,在相对运动的方向上,空间将会发生收缩!
这就与前面的时间效应呼应了——空间收缩和时间膨胀!在相对论中,空间和时间不再是绝对的了,而都是相对的!在不同的惯性系中,时空将会可能不一样!
“妈的!俺跑得太快,竟然被人家看‘扁’了!”兔子非常痛苦。
哇!运动物体的长度将会缩短!空间竟然可以收缩!
惊世骇俗!意料之外!
不过,细细回想一下,我们前面好象不是也听过类似的说法吗?不知你还记得不?
对!洛伦兹!当年他为了解释麦克尔孙…莫雷实验的惊人结果,也曾经动用了这个收缩效应!
其实,当年洛伦兹从数学手段出发,也曾经得到这条长度缩短的方程,跟现在爱因斯坦的真是一模一样!
哈!历史跟我们开了一个玩笑,兜了一个大圈子,竟然又回到了这个起点上!
天道轮回!
不过,真的如我们上面所想,这只是简单的回归而已吗?
不!绝对不是这样!
别忘了,当年洛伦兹可是死抱着以太不放,而现在爱因斯坦的出发点只有两条原理,根本就没有以太的位置!起点都不一样,怎么又会是完全相同呢?!
事实上,洛伦兹的收缩假设跟爱因斯坦的收缩效应是非常不一样的!
洛伦兹认为那是物体跟以太相互作用的结果。他说由于物质构造中原子的距离被以太压缩了,所以呈现了这种缩短的现象!再说了,洛伦兹当时是凭借数学的手段得到这条公式的,它并没有稳固的基础,更像是孙猴子那样,突然间迸出来的!
而爱因斯坦则从两条原理出发,非常自然地得到了这样的结论和这条式子,基础可是硬邦邦的呀!而且他把收缩效应理解为一种普遍的时空属性,认为空间距离本来就不具有绝对的概念,而应该相对于某个参考系来说方有意义,对于不同的惯性系可能具有不同的长度!
是的,那是时空本身的属性!
现在,我们再回头来看看麦克尔孙…莫雷实验,那个悬而未解的谜题!当年我们站在迷雾当中,走了一条又一条的死胡同,是那么的无助,是那么的痛苦!
为什么?为什么没有干涉条纹?
现在,我们必须记住,光速对于任何观测者都是一样的!空间长度对于不同的观测者可能有不同的结果!
好,我们来看看麦克尔孙…莫雷实验的装置。
首先必须注意到的是,它跟我们是相对静止的,所以两路镜子的长度都是一样的!没有收缩!再一个,由于光速不变原理,两路光的速度都是c!它们并没有因为地球的运动而产生不同!
呵呵!问题很简单啦!
同样的路程,同样的速度,自然同样的时间,自然没有条纹!
怎样?在狭义相对论的范畴下,很容易就解决了吧?
其实,说到底,空间收缩的结论跟时间膨胀一样,根源都在于光信号的传播速度是一个不变的有限的常数。从这里出发,我们得到了洛伦兹变换式,再从变换式中得到这些结论,一切如行云流水,一气呵成!
然而,在经典物理学中,假设存在一个无限大的信号传播速度。在这种基础上,时间和空间的绝对性都是合理的!
不同的出发点,截然不同的落脚点!
人生何曾不也是如此呢?!
我们已经说了时间、空间和经典物理学中的是如此的不同,也着实让我们感到不可思议,甚至非常痛苦,试问有谁不对自己曾经的常识感到留恋呢?
但是,痛,并快乐着。
虽然心在流血,但是,我们又更接近真理,更接近上帝的秘密了!痛苦但很幸福,这就是探索大自然的一种奇妙的感受!
别伤心着,我们还有更多的苦难需要去经受!
一说到时间,还有空间,你能够想起什么呢?
空间、时间!速度!对!速度!路程除以时间不就是速度吗?
空间和时间都和以前的那么不一样,速度还会好到哪里去吗?
我们就来看看狭义相对论中有关速度的结论,跟经典物理学的究竟有没有不一样。
有关速度合成的结果,在经典物理学中是简单的直接相加。
打个比方,兔子相对于你以v速度向前奔跑而去。在它看来,一只小蝴蝶向前飞舞的速度是u’ 。那么请问你看到蝴蝶的速度应该是多少呢?
站在经典物理学的基础上,我们很快也很自然能够得出这样的结论——你看到的速度u=v+u’!这非常地符合我们的生活经验,也是我们的常识来的!
慢着,前面我们已经掉下了不少“常识”的陷阱,也别忘了,我们不过是生活在一个低速的世界,并没有高速世界的说话权!
这些成为了我们怀疑速度相加原理的理由!
在这里,我希望交代几句。
其实,速度相加定律源自于伽利略变换式,不过具体的推导过程我就略去了。而前面,我们已经用洛伦兹变换式代替了伽利略变换式,所以速度的合成原理可能会发生变化,而且应该也是从洛伦兹变换式推导得来。
而严格的推导过程虽然不能说难,但是也得用到微商(或者叫做导数),所以在这里就不写出来了,以免让某些读者感到不适。^_^
好,那我就直接把推导所得到的结果写出来便罢,不过,希望诸位明白它的出发点依旧是那两条原理,或者说是洛伦兹变换式。
u(x)’+v
u(x)=--------
1+vu(x)’/c2
u(y)’√(1…v2/c2)
u(y)=-----------
1+ vu(x)’/c2
u(z)’√(1…v2/c2)
u(z)=-----------
1+ vu(x)’/c2
或者把带撇的放到左边,也就是它的等价式子为
u(x)…v
u(x)'=--------
1…vu(x)/c2
u(y)√(1…v2/c2)
u(y)'=-----------
1…vu(x)/c2
u(z)√(1…v2/c2)
u(z)'=-----------
1…vu(x)/c2
这就是洛伦兹速度变换关系式。带撇的就表示兔子那个惯性系看到小蝴蝶的速度,v是兔子那个惯性系相对于你的惯性系的速度,剩下的不带撇的就是你的惯性系看到小蝴蝶的速度。
哇!好复杂是不是?
不要怕,慢慢来,你只需要注意一下我所让你关注的地方就行了,没有必要把它记住。
来,我们来欣赏一下这堆式子。
速度u是矢量(有大小和方向的量),所以把它分解成为了三个方向——沿x、y、z轴的方向。因此每组就有了三个式子。
前面兔子和小蝴蝶的例子,我们不妨说它们都是沿x轴方向运动的。于是,就用到新的速度合成式中的第一个式子。你注意一下,当那个v(兔子的速度)和ux’远远小于c时,下面的分母就基本上等于1了,这样就相当于简单的速度相加了!又回到了伽利略的速度相加定律!
但在高速,也就是v和ux’比较接近c时,就跟伽利略的预言不太一样了!
又一次看到,经典力学不过是相对论的一级近似!它只是低速时的近似规律!
还有一点,你注意到了没有?本来,在y轴或z轴上,按照旧的理论,也应该是直接相加呀!但是,在新的变换式中,却并没有这么简单!它可是一大堆!
不过细细想来,在y和z轴出现这种事情也并不是没有道理的!
v只是沿着x轴方向的速度,而在y、z轴你和兔子并没有相对速度!所以,按照长度收缩效应,在y和z轴上并不存在空间上的变化!
但是,时间的膨胀却是存在的,它不分什么方向,因为时间本身就是一个标量(只有大小而没有方向的量)!
虽然空间距离没有变化,但是存在时间的膨胀,所以最后的速度出现这种“奇怪”的形式也就显得情理之中了!
好,你只需要注意这些地方:x方向上的速度在某些情况下会退化回到伽利略的形式;在y和z轴方向上的速度跟伽利略的预言很不一样!它是由于时间的相对论效应造成的,在经典力学中没有这种奇特的效应!这完全是一种相对论效应!
我们从两条原理出发,可以最终得到新的速度合成式子。在这里,你看到小蝴蝶的速度不再是简单的相加了——u=v+u’,而应该是u=(u’+v)/(1+vu’/c2)!
慢着,说了那么多,我怎么知道这组式子究竟是不是正确的?!
那咱们就做实验呀!如果它预言的结果跟实验数据不一样,好,否定后件!一刀“咔嚓”掉,不仅干掉这组式子,连爱因斯坦的那两条原理也一连葬送!
看来,爱因斯坦又走到了一个关键的时刻!
但是,前面的一次次检验,早已练就了我们沉着冷静的处事方式,哼,来吧,终归需要一个了结的!尽管放马过来!
在真正做实验之前,我觉得我们有必要先在纸上分析、验证一下这组新的式子,以防它存在着一些很低级的错误,免得我们浪费了实验的经费!说不定,它本身就和相对论的某些结论相悖,而且可以很明显地看出来,根本就不需要做实验!
在这之前,为了方便讨论,我还是先把新的式子再写一遍,毕竟它实在是有点难记住!
u(x)’+v
u(x)=--------
1+vu(x)’/c2
u(y)’√(1…v2/c2)
u(y)=-----------
1+ vu(x)’/c2
u(z)’√(1…v2/c2)
u(z)=-----------
1+ vu(x)’/c2
或者
u(x)…v
u(x)'=--------
1…vu(x)/c2
u(y)√(1…v2/c2)
u(y)'=-----------
1…vu(x)/c2
u(z)√(1…v2/c2)
u(z)'=-----------
1…vu(x)/c2
接下来,当涉及到这些式子时,你就可以翻回到这里看一看,对照一下。
好,我先来假设,假如兔子相对你的速度是0。5c,而它看到小蝴蝶的速度又是0。5c!那么请问,你将看到小蝴蝶的速度是多少呢?
当然不存在那么厉害的兔子和蝴蝶,有的话八成也是基因变异的!假设!这里只是假设而已!你就不要管那么多,按照新的式子去算便是了。
由于这两个速度都是x轴方向的,我们直接运用第一组的第一条式子就ok了。好,
我看到的速度将是u=(0。5c+0。5c)/(1+0。5c×0。5c/c2)=0。8c!
在我看来,那只小蝴蝶应该是0。8c!而按照伽利略的算法,将会是0。5c+0。5c=c!
两家式子的预言确实不一样!
我们在来看一个假设。
假设,兔子相对你的速度是v,从它的坐标系里面,看到一束光以速度c向前射去,请问在你看来,那束光的速度是多少?
简单嘛!根据光速不变原理,很明显是c!
这是没有错误的!但是,你为什么不尝试用速度合成的式子去算一下呢?如果算出来的结果跟这个不一样,那……嘿嘿!
根据式子,我看到那束光的速度应该是u=(v+c)/(1+vc/c2)=c!
确实是c!看来,新的式子自动跟爱因斯坦的原理吻合了!我们“谋反”的企图初步宣告失败!
其实,失败的原因也是相当明显的,新的式子本来就来源于爱因斯坦的两条原理,只要中间的推导过程没有问题,那么很明显它也不会跟原理相悖!毕竟,它来源于原理!
那再来玩一下,假设有一个光子,自然地,它相对你的速度是c!而在它看来,又有一个光子以速