21世纪的牛顿力学 作者:程稳平程实平-第3章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
犯缮嬉亲侥囊桓龇轿唬疾换岽庸庀呓邮芷辽峡吹礁缮嫣跷朴腥魏我贫Ｈ嗣窍匀徊荒芫荽送贫纤担汗庠谡婵占捌渌纱ス庀叩氖滴锝橹手卸际窍嗤乃俣取�
实验证明，光在不同传播媒介中的运动速度不同，本质上是光在不同传播媒介物质中传播时具有不相同的波长。好似人在好走的路上行走时迈出的步子会大一点，在难走的路上行走时迈出的步子会小一点。但只要走过的路线及其起始、终止位置已经确定，不管人在行走时的速度是快是慢，他所走过的路程都完全相同。由于光在均匀的每一种传播媒介物质中传播时所具有的每个波长都恒定相等，光在确定的空间路线经过后，它需要〃迈出〃的波长〃步子〃数值，就已经由具体经过的几何路程及其在传播媒介物质中所特有的波长长度完全决定了。人们可以在麦克尔逊干涉仪器的45°半反半透镜与互相垂直的全反射镜位置各安装上1个滑轮，分别用两根完全一样的黑白相间的链条沿着〃麦克尔逊干涉实验〃中两条相干光线经过的光路拉起来。在这里，黑色链子用以表示光波的负半波长，白色链子用以表示光波的正半波长，每个黑色链子与每个白色链子的大小完全相同。当人们以快慢不同的速率同时拉动汇合在一起出来的两根链条时，都会看到汇合在一起出来的两根链条上黑白链子之间挫开的位置变化永远保持着完全相同的距离，它们只与两根链条沿着两条相干光线经过的光路长度有关，而与运动速度无关。按照波动理论，两条相干光束所产生的干涉条纹只与它们之间的位相差有关，两条相干光束走过的光程差保持不变，也就等同于它们之间的位相差没有发生变化，〃麦克尔逊干涉实验〃除了否定光是在绝对静止的〃以太〃海中以恒定不变的速度进行传播外，只是证明了光在真空中传播时其波长保持不改变。
正是由于光在真空中传播时其波长保持不变，而且这是与参照系的运动状况无关，显然可以在任意参照系中直接传递应用的事实。人们在20世纪后期，已改成采用光在真空中传播时的波长来作为长度计量的基准。
有人提出，可以把麦克尔逊干涉仪看成一个系统，在运动系中看这个系统的质量增加了，因而作为系统一部分的光子的能量也应该增加，从而使光子的波长也按洛仑兹收缩缩短。如果这种见解属实，就意味着干涉条纹之间的间隔也要发生相应变化。然而实际情况是，干涉条纹没有发生移动，干涉条纹之间的间隔也没有发生变化。此外，采用扬氏双缝干涉实验，可以更加简单明了的证明不存在这种波长会按洛仑兹收缩系数缩短的推测。
从原理上讲，真正的光速不变，只有在只使用同一个光源发出的光线在空间传播呈现出来的波长和振动周期同步定义长度与时间的单位标准，并永远将其作为长度与时间的计量基准时，该光源发出的光线相对于任何参照系测量出来的相对运动速度才是一个由定义造成的比例常数。
人们在做光学干涉实验时，从同一个光波分解出来的两束相干光已经分别扮演了担任长度计量基准与时间计量基准的角色，人们当然也就不能通过所做的光学干涉实验，发现光在传播过程中相对于不同运动速度的参照系是否发生了相对速度上的改变。所以，人们得出光在真空中的传播速度相同，与光源的运动状态无关的结论，其判断根据是人们在对天体的观察中发现所有星体的光行差都相等，并不是来源于在实验室中所做的光学干涉实验。鉴于人们不可能在任何场合中或任何情况下，都只用惟一的一个发光光源发出的光波同时既作为空间长度的计量基准，又作为标准时间的计量基准，人们根据定义得到的〃光速不变原理〃在实际的研究工作中没有使用价值。它反而到是提醒人们，在对物理世界中的物体相对运动作理论上的研究探讨时，一定要注意防止由于人为给予的某种规定所导致的误会理解。
三、怎样解释光的多普勒效应
光具有波粒二象性，光波是光子在通过光传播媒介物质时所表现出来的宏观特征。人们以往所说的真空，仅仅指的是没有电子、质子、中子等构成实物的基本粒子的空间。在现实自然界中，除了存在着构成实物的基本粒子外，还存在着许多不构成实物的基本粒子。由于光波属于〃几率波〃，人们根据电磁波数学方程推导得出的公式，只是正确地描述了光子在实际的运动过程中能够到达空间每个位置的几率是多大。而导致光子在实际的运动过程中能到达空间每个位置的几率，不仅与光源所发出的光子振动频率有关，同时还与实际空间的具体构造、传播媒介物质有关。光既能在构成实物的基本粒子的某些空间中传播，也能在不构成实物的基本粒子的空间中传播。光在物质媒介中的传播速度，将由分布在宇宙自然界中的光传播媒介物质所决定。
从原理上讲，光子还可以在没有任何物质媒介的绝对真空中运动前进，从光源发出的光子还未进入到光传播媒介物质中之前，光子的运动速度仍然要遵守速度合成法则。所以，当光源相对于理想惯性参照系进行相对运动时，它向任何方向发出的光子在进入周围的媒介物质中后，虽然都表现为完全相同的传播速度，但光源朝不同空间方向上发出的光子会伴随着光源的运动增加或减少动能，它们的振动频率就将发生相应的改变。请注意，牛顿第二定律已经不适用于对高速的光子运动进行分析。人们不能继续使用牛顿第二定律分析光子的运动规律，同时也不能用根据牛顿第二定律推导得出的质速关系式计算光子在速度小于C时对应的质量是多少。譬如，光在水和玻璃等光传播媒介中的传播速度都小于光在空气中的传播速度，但光子在不同的光传播媒介中传播时并没有改变过振动频率，它说明光子具有的能量并不只是由光子在前进方向的动能所构成。人们从光子具有振动和前进两个方面的运动特性，可以知道光子具有的能量应该由振动方向的能量与前进方向的动能两部分所构成。
我们先考虑一下光源相对于理想惯性参照系处于静止状态，周围空间为绝对真空的情况。此时，光源发出的光子，其振动频率ν与发射光子的物体给予它的能量E之间存在着关系 E＝hν。同时，光子在离开发射光子的电子时具有电子绕原子核转动和自身旋转所共同形成的切向线速度C 。根据质能换算关系可得出光子具有的能量为 E ＝ MC2 ＝ hν，光子的质量为 M ＝ hν/ C2。由于光子具有的能量由振动方面的能量L 与前进方面的动能E′ 两部分所构成，因此有 L ＋ E′＝ E 。显然，光子在振动方面的能量与在前进方面的动能之间不一定是1比1的关系。但是在光源相对于理想惯性参照系处于静止状态，周围空间为绝对真空的情况下，光子在振动方面与前进方面所分配到的能量似乎应该表现为均分状况，即：L ＝ E′＝ MC2/2 。根据质量为m的物质以速度u前进具有的动能正比于 mu2，如果光子在前进方面所分配到的能量E′＝ MC2/2 ，则意味着光子以速度C前进具有的动能等于 MC2/2 。那么在｜V … C｜＜＜ C的条件下，光子以速度V前进具有的动能就应该等于 MV2/2 。
图1。光子发射速度矢量合成图
参见图1，如果发光物体相对于理想惯性参照系以速度u进行运动，在实际的每一个空间方向上，光源发出的光子所具有的速度V将是光源相对于理想惯性参照系处于静止状态时发出的光子运动速度C与光源运动速度u的矢量和。根据矢量合成法则，我们可以推导出与光源前进方向成θ角度的方向上，沿该方向运动的光子具有的前进速度为：
因此光子在前进方向具有的动能为：
如果光源四周是绝对真空，光子在实际前进就以合成速度V运动，只是光子的振动频率会改变为：
由此可得到光子在前进方向上的振动频率的改变率为：
在θ等于0°、90°、180°的三个方向上，光子振动频率的改变率Δν/ν分别表现为：
如果光源四周具有光传播媒介物质，光子进入光传播媒介物质后，光子将改变为按照光波特有的传播速度前进，而其在前进方面增加或缩减的动能自动转变成缩减或增加振动方面的能量，光子的总能量保持不变。当光子从前一种光传播媒介物质进入另一种光传播媒介物质时，光子只是按照光波在不同的传播媒介物质中传播所特有的传播速度改变前进速度，而其在前进方面增加或缩减的动能自动转变成缩减或增加振动方面的能量，光子的总能量保持不变。
接下来我们考虑光子在遇到相对于理想惯性参照系进行运动的镜面发生反射时的情况。图2、图3分别是与镜面的运动方向成θ角度的光子到达镜面物体时的示意图，在镜面附近很薄的空间范围内可认为没有光传播媒介物质，光子与镜面发生完全弹性碰撞时，光子与镜面组成的物体系统将遵守动量守恒定律。
根据图4、图5对应给出的速度合成分析图，我们可以计算得到从镜面反射回来的光子相对于理想惯性参照系的运动速度V分别为
镜面背离入射光方向运动：
镜面迎着入射光运动运动：
由于反射光的速度发生变化，从镜面反射回来的光子在前进方向具有的动能也相应的改变为
镜面背离入射光方向运动：
镜面迎着入射光方向运动：
于是从镜面反射回来的光子振动频率改变率可计算得到
从原理上说，人们可以对光线遭到镜面物体反射后光子振动频率的改变情况进行检测，但在现实当中，人们几乎不能获得可做出有效实验结果的条件。人们实际上能够观察的乃是由运动光源引起的光子频率改变，而且实验结果与上述分析相吻合。它表明：由运动光源引起的光波频率改变和光线遭到运动物体反射引起反射光波频率发生改变，是光子特有的运动表现形式，人们不能将它们解释为经典波动理论中的多普勒效应现象。尽管在它们给出的频率改变公式很相似，但它们的物理意义完全不相同。
现在我们来考虑一下光源与光传播媒介物质都处在场强为α的均匀万有引力场空间之中，光源与光传播媒介物质相对处于静止状态的情况。由于光源相对于理想的惯性参照系在引力场中进行运动，光源向各个方向发出的光子在离开发射光子的电子时具有的速度V是电子绕原子核转动和自身旋转所共同形成的切向线速度C与光源运动速度u之矢量合。但由于光传播媒介物质相对于理想惯性参照系以速度u运动，从光源发出的光子相对于周围的光传播媒介物质具有的综合速度都还原为C，等效于光源与光传播媒介物质都相对于理想的惯性参照系处于静止状态中的发光情况。这样就出现了一个疑问：光子在光传播媒介物质中表现出来的振动频率是由光子具有的绝对能量决定，还是由光子相对于光传播媒介物质具有的能量所决定？如果是前者，人们在地面上检测静止光源向不同方向发射的光子，应出现不同的振动频率。
但实验结果证实，地面上的静止光源向不同方向发射的光子都是相同的振动频率。这表明光子在光传播媒介物质中表现出来的振动频率应该是由光子相对于光传播媒介物质具有的相对能量所决定。这也是本文在所画出的示意图中，将实际使用的参照系标名为媒介参照系的原因。显然，如果光子在空间表现出来的振动频率与该空间中的光传播媒介物质的运动状况直接相关，光子在具有相对运动的两种光传播媒介物质中经过时，将发生频率上的改变。人们在观察天体时，应该发现相关的现象。
显然，人们可以采用这个数学模型来解释光子的运动规律。要知道，人们用经典的电磁波动理论解释光子在光传播媒介物质运动所表现出来的波动现象，本身也属于一种具有实用价值的数学模型理论，我们没有理由拒绝另一个也有其成功之处的数学模型理论。而且，把光子具有的能量解释为由振动方面的能量与前进方面的动能两部分所构成，已经与量子物理学的分析思路相吻合。真正使我们感到理由不足的地方是高速运动的光子，为什么可以使用低速运动物体的动能计算公式来计算它具有的动能？对于这个疑问，我们只能依照实验结果去进行处理。
四、正确理解质能关系
质量与能量是物理学中最基础的概念，人们只要翻开程守珠、江之永主编的高校教材《普通物理学》第1册（1978年9月第三版）第253页，就会看到如下叙述：
质量和能量都是物质的重要属性，质量可以通过物体的惯性和万有引力现象而显现出来，能量则通过物质系统状态变化时对外作功、传递热量等形式而显现出来。质能关系式揭示了质量和能量是不可分割的，这个公式建立了这两个属性在量值上的关系，它表示具有一定质量的物体客体也必具有和这质量相当的能量。
自从质能关系发现以后，有些物理学家错误地解释了这个公式的本质。他们把物质和质量混为一谈，把能量和物质分开，从而认为质量会转变为能量，也就表示物质会变成能量。结果是物质消灭了，流下来的只是转化着的能量。其实，这些论点是完全站不住脚的。因为第一，质量仅仅是物质的属性之一，决不能把物质和它们的属性等同起来；第二， 质量和能量在量值上的联系，决不等同于这两个量可以相互转变。事实上，在一切过程中，这两个量是分别守恒的，能量转化和守恒定律是一条普遍规律，质量守恒定律也是一条普遍规律，并没有发生什么能量向质量转变或质量向能量转变的情况。
我们从上述这段话中应该知晓：质量和能量都是物质的属性，质量和能量不可分割，具有一定质量的物体必具有和这质量相当的能量，反过来具有某种能量的物体也必具有和这能量相当的质量。由于质量和能量是完全对应的关系，人们只要引入一个换算系数K，即可将质量M与能量E之间的关系表示成E＝KM 。 于是，质量的增减和能量的增减就有着相应的关系：
dE ＝ d（KM） ＝ KdM
由于：
dE ＝ F·ds
而：
F·ds ＝ F·Vdt ＝ V·（Fdt）
根据牛顿第二定律的微分公式：
Fdt ＝ d（MV） = VdM ＋ MdV
对两边同时求定积分得：
当V0 ＝ 0时，M0 ＝ m ； 故此可得到：
这就是物质在不同的运动速度之时，对应具有的瞬态质量M与其在静止状态时的静质量m之间所存在的关系。该式子中的待定系数K是由Rogers等人通过实验测试得出来的数值，它非常接近真空中的光速C的平方值。有了K≈ C2 ，就有： E＝KM≈C2M 。由于M不可能无穷大，1―V2/K 必须大于0 ，所以V2 ＜ K ≈ C2 。它表明：静质量不等于零的实物体，根据质速关系式子可以在数学上推测出它们的最高速度必须小于光速C 。
在V ＜＜ C时，物体获得的动能P可从如下式子计算得到：
1905年，爱因斯坦提出相对论，即把洛伦兹给出的质速关系作为已知式子来推导出质能换算关系E ＝ MC2。这实际上犯了一个严重的逻辑错误。要知道，在牛顿第二定律的微分公式 Fdt ＝ d（MV） 与质能换算关系
