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科普 狭义相对论 素描(转贴+整理)  

来自文采武略   2013-06-19 01:52:50|  分类: 天文知识 |举报 |字号 订阅

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今天 再网上 看到一篇 非常好的 科普文章 ,关于相对论的,我加一点我自己的话 整理一下,发给大家.

原文在这里:

http://www.oursci.org/ency/physics/020.htm

原作者的话:

       以前提到过民间科学家的问题,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骛远。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。

 

评论: 这是我看过的对于民科最精准的定义了,我想还有一些连民科也算不上的,我们姑且只能叫他们神棍了,这样的人在国内的论坛,Q群还很多科普 狭义相对论 素描(转贴+整理) - 深圳市天文学会 - 深圳市天文学会(深圳观星会) 一点简单的讨论 ,他们往往能演化成一场骂战,甚至他们数学都市不承认的,他们是大仙,具有怀疑一切的能力还美其名曰这叫有怀疑才有创新. 问题是他们知识实在是太贫乏,贫乏到没法想象,这样的无知带来的怀疑也叫创新吗?

言归正传,讨论点有营养的东西,说道相对论大家一定是认为爱因斯坦是个天才,相对论就是光速最高不能超越,或者 是E=mC^2,其实这是个误区。要想理解相对论的思想,首先你要知道一点科学历史,起码你要看看爱因斯坦的原始论文 ,了解当时的科学实验进程,越是到那些难以解决的问题和矛盾,然后是爱因斯坦是如何思考这些问题……继而提出相对论的,直到这些前因后果那么理解和学习相对论就是个相对简单的事了。

 

原作者的话:

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)。运动学上的伽利略相对性。伽利略变换是先验的,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伽利略变换;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)在这如此自然的伽利略相对性之下,讨论牛顿力学,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:倘若牛顿力学刚好不独立于伽利略变化,那人们首先要责难的保证是牛顿力学,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。

 

我的解释:

   作者的话对于普通人来讲还是稍有点难度,俺来翻译以下,首先 什么是 伽利略变换:

     伽利略变换的数学表达式,其中(x,y,z,t)和(x′,y′,z′,t′)分别为同一个事件在两个坐标系S和S'中的坐标。两个坐标系以相对均速运行(速度为v),运行方向为x和x′,原点在时间为t=t'=0时重合。则:

x'=x-vt\,
y'=y \,
z'=z \,
t'=t \,

最后一条方程式意味着时间是不受观测者的相对运动影响的。

其实很简单,伽利略变化就是我们日常经验感知的,时空分离的,空间矢量的一种自然的逻辑判断。正如作者所说不会有任何神经病企图在这里责备这原理。

 

 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)在伽利略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,同时假设麦克斯韦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(即电磁学定律和伽利略相对性无法共同正确),就只给出两个可能性:

  a)、麦克斯韦方程组错误;
  b)、该有更普遍的相对性,使麦克斯韦方程组协变。

  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。


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