万维宇宙全书第三部分-第1章

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　　第十一章　宇宙漂移论
　　仙界一日内，人间千岁穷。观棋未偏局，万物皆为空。
　　樵客返归路，斧柯烂从风。唯余石桥在，忧自凌丹虹。
　　——孟郊
　　一、光速悖论
　　时间相对曾经被认为是神话，结果科学的发展证实了古人的观念。
　　爱因斯坦狭义相对论基本假设：光速是个常数，光速与光源运动无关，即真空中光的传播速度在各个方向都是相同的，与光源的运动无关。
　　根据这个假设，推论光子的静止质量是零，运动质量为m=hν/c2。当物体的速度接近光速时，时间变的越来越慢，并且推论任何有质量的物体运动速度不能超过光速，因为超过光速就会出现时间倒流。根据质能公式，任何有质量的物体运动速度接近光速时质量无穷大，进一步加速需要的能量也趋于无穷大，所以没有办法增加其速度。
　　相对论已经取得系列证实，但这理论仍是公理，仍然存在很多问题。
　　光速为什么是宇宙中最大的速度？为什么正好是30万公里/秒，而不是60万公里/秒？宇宙为什么要将最大的速度给光子而不是给人呢？是谁制订了这个规则？
　　光子静止质量为零是理论的推论，谁见过静止的光子，不但是光子，宇宙中有哪个物体是绝对静止的呢？
　　根据量子理论测不准原理，不能同时确定两个量：如果光子是静止的，那么说明空间就确定了，就不可能再确定质量，更不可能质量为零；如果光子的质量为零，那么就不可能再确定空间是静止的，所以光速静止质量为零是违反量子理论的基础，又如何成为量子理论一部分呢？
　　如果解释光速悖论？
　　二、狭义相对
　　1．绝对时空
　　绝对时间和绝对空间概念源于古希腊思想，特别是亚里士多德、牛顿等许多人构想过一种参考框架，一种绝对静止的状态，它类似于一个巨大的、延伸到整个宇宙的网络。
　　相对于这个框架或状态，一切物体的运动就可以在实验上和理论上与它比较。例如一个在火车上走动的乘客，如果以火车为参照系，他的速度可能每小时几公里，如果以静止的铁轨为参照系，他的速度可能每小时200公里。那么研究物体的速度应该依据什么参照系为最基准的呢？
　　牛顿认为宇宙中存在绝对时间和绝对空间：绝对时间是存在于物质之外均匀流逝，与空间没有任何关系。具体的时间计量单位，如秒、分等只是相对的时间。绝对空间也是与物质无关，是均匀、恒定不动，且能容纳物体及其运动的大容器。具体的空间计量，如长度或容积的米、公里、光年、秒差距等或其立方则是相对空间。
　　牛顿认为绝对空间应与太阳系的中心重合，后来有人进一步认为应该用所谓固定恒星的参照系，作为绝对空间的框架。
　　从逻辑上讲，牛顿力学存在问题。
　　首先宇宙中能看到的任何物体都在运动，那么绝对空间的中心就是在不断地运动，既然是运动的中心那么就不是牛顿希望出现的那个不变的空间中心。用所谓恒星系来代替太阳系的中心也存在同样的问题，恒星之间也在变动，只是因为它们距离我们很远，不容易观察而已。
　　其次牛顿定律的运动都是相对的，即两列火车对面开来，速度都是100公里/小时，在匀速运动时，大家都感到自己没有动，是对方的火车处于200公里/小时运动，这与我们处于静止状态，看到一列火车以200公里/小时运动是一样的。那么如果存在绝对空间，我们对这两种情况感觉不一样才对，可现在是一样的，说明并没有绝对空间，至少证明绝对空间与意识感觉到的运动性质是有区别的。
　　因为宇宙中没有特殊的网格，也没有一个像图表中的原点那样，可以被唯一地指出来，所以在所有的参照系中，牛顿定律描绘的是相同的物理现象。在数学上，可以通过伽利略变换的方法来解决相对运动的转换。
　　绝对空间尽管逻辑上站不住脚，但绝对空间的观念对于19世纪的物理学家是太根深蒂固了，于是他们设想，宇宙中存在以太，以太是宇宙的属性，就像地图上的经纬一样。任何距离的测量，都可以相对于以太作出。以太弥漫于整个绝对空间中，电磁波就是在这云雾状的以太中的扰动。
　　1887年迈克尔逊—莫雷实验没有检测到“以太风”的存在，各种弥补以太假说开始出现：牵引假说、完全带动说、附面层牵引说、发射假说等，结果，一个个的假说都被证明不能成立。
　　与此同时，洛伦兹假定，原子间的作用力主要是电磁力，原子就分布在其他原子对它的电磁作用的平衡位置上面，根据麦克斯韦方程组可以计算出粒子周围的电磁场，洛伦兹电子理论推论到一系列的惊人的结论：
　　长度缩短：当粒子以速度u相对于以太运动时，计算发现力场不再是球对称的，等势面变为一个旋转椭球，垂直于运动方向上的直径不变，而在运动方向却以比率　缩短。一条相对于以太静止时长L0的测量杆，当它以速度u沿着长度方向相对于以太运动时，将具有长度L=　L0　。但是，如果杆垂直于运动方向，它的长度不会改变。
　　质量变大：电磁质量是粒子相对于以太的速度u的函数，在用阴极射线（即电子束）测量荷质比（e/m）的研究中，发现整个质量随着u的增大而以比率1/　增大，即m=m0/　。其中m0是粒子在静止以太中的有效质量，因为物质是由原子构成的，而原子又是由一些带电部分组成的，一般质点的质量，包括谐振子的质量，也遵从上面这个关系。
　　时率变慢：由于倔强系数也源于分子间的电磁力，它也应该是u的函数。
　　通过计算，洛伦兹得出T=T0/　，T0是钟相对以太静止时的周期，即运动的钟比静止的钟走得慢！
　　洛伦兹理论的出发点是：在电磁现象中存在一个绝对静止的“以太”参考系，因而相对性原理不适用于电磁现象，可它本身又导致“以太漂移”无法测知，光速在所有惯性系中都相同这样一个逻辑结论。洛伦兹理论中存在着“绝对时间”和“绝对长度”，它体现在对“以太”静止的钟和尺的测量结果中，但因为“以太漂移”无法测定，我们又无法修正我们的时空测量结果去得出这些绝对量。
　　结论：洛伦兹推论已经走到科学的前沿，他根本的问题是被绝对空间和绝对时间的思维给困死了，没有进一步提升理论。
　　2．相对原理
　　1905年爱因斯坦发表狭义相对论，题目为“论运动物体的电动力学”。
　　狭义相对论的第一个基本原理：物理定律对所有惯性参考系都具有相同的形式。也就是说，在实验室进行任何物理实验都无法确定实验室是绝对静止的，还是绝对处于均匀直线运动状态。
　　狭义相对论的第二个基本原理：光速与光源运动无关。可以表述为：真空中光的传播速度在各个方向都是相同的，与光源的运动无关。
　　狭义相对论得出一个自相矛盾的结论。我们认为速度从一个参照系转换到另一个参照系的“常识相对论”和爱因斯坦的“光在所有惯性系中速度相同”的假设相抵触。只有在两种情况下爱因斯坦的假设才是正确的：要么距离相对于两个惯性系不同，要么时间相对于两个惯性系不同。实际上，两者都对：第一种效果被称作“长度收缩”，第二种效果被称作“时间膨胀”。
　　狭义相对论的价值在于否定了绝对时间和绝对空间，爱因斯坦实际上是将洛伦兹理论的前提换一下，即不承认以太，而假定光速不变，理论的结果则引用了洛伦兹推论。
　　结论：首先做出惊人推论是洛伦兹，爱因斯坦后来提出光速不变这个假设，否认了绝对空间和绝对时间思维的束缚，另外将洛伦兹推论从电子理论提升到整个物理学的高度。
　　3．长度收缩
　　狭义相对论第一推论：长度收缩。
　　长度收缩有时被称作洛伦兹收缩。在爱因斯坦之前，洛伦兹就已经求出了用来描述长度收缩的数学公式。爱因斯坦意识到了它的重大意义并将其植入到相对论中。这个原理是：参照系中运动物体的长度比其静止时的长度要短。
　　图一：　长度收缩图
　　上图的尺子在参照系中处于静止状态。一个静止物体在其参照系中的长度被称作它的“正确长度”，一个码尺的正确长度是一码。下图的尺子在运动，用更准确的话来讲：我们相对于某参照系，发现尺子在运动。长度收缩原理指出在此参照系中运动的尺子要短一些，这种收缩并非幻觉。
　　当尺子从我们身边经过时，任何精确的试验都表明其长度比静止时要短。尺子并非看上去短了，它的确短了！然而，它只在其运动方向上收缩。
　　结论：图一下图的尺子是水平运动的，它在水平方向变短。两图中垂直方向的长度是一样的。当速度接近光速时，尺子长度缩成一个点。长度收缩公式为L=　L0　。
　　4．时间膨胀
　　狭义相对论第二推论：时间膨胀。
　　所谓的时间膨胀效应与长度收缩很相似，它是这样进行的：某一参照系中的两个事件，它们发生在不同地点时的时间间隔，总比同样两个事件发生在相同地点的时间间隔长。
　　图二：时间膨胀图
　　图中两个闹钟都可以用于测量第一个闹钟从A点运动到B点所花费的时间，然而两个闹钟给出的结果并不相同。
　　假使两个事件分别是“闹钟离开A点”和“闹钟到达B点”。在我们的参照系中，这两个事件在不同的地点发生（A和B）。然而，让我们以上半图中闹钟自身的参照系观察这件事情。从这个角度看，上半图中的闹钟是静止的（所有物体相对于其自身都是静止的），而刻有A和B点的线条从右向左移动。因此“离开A点”和“到达B点”这两件事情都发生在同一地点！（上半图中闹钟所测量的时间称为“正确时间”）按照前面提到的观点，下半图中闹钟所记录的时间将比上半图中闹钟从A到B所记录的时间更长。
　　相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系，发现运动的惯性系时间进度慢，这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为，运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了。
　　时间膨胀并非是个疯狂的想法，它已经被很多实验证实。
　　例如基本粒子中有一种叫做μ子，它是一种不稳定的粒子，在静止时平均经过2　10…6s就衰变为电子和中微子。μ子在地面参考系中运动速度可以极高，达到0。998C。假使不考虑时钟延缓，那么这样速度的μ子从产生到衰变平均通过的距离就只有600m，而考虑时钟变慢效应后，距离应该为9500m，理论的预言和实验的结果完全相符。
　　结论：运动的钟比静止的钟走得慢，时间膨胀公式为：T=T0/　，或
　　（T是钟的运动周期，表示速度越大，钟的运动周期越长，当u接近c的时候，钟的运动周期接近无穷，即钟停止了。）
　　5。　质量膨胀
　　狭义相对论第三推论：质量膨胀。
　　狭义相对论中，物体的质量不再是绝对量，而与物体的运动紧密联系在一起。经典力学中的“绝对质量”称为静止质量，用m0表示。
　　当测量相对于观测者有高速运动的物体时，得到的质量称为相对论质量，用m表示。质速关系式：m=m0/　。
　　结论：物体质量与速度有关，速度越大，质量越大，当物体的速度趋向光速时，质量趋于无穷大。
　　6．视觉旋转
　　狭义相对论第四推论：视觉旋转。
　　根据狭义相对论长度收缩原理，一个运动物体在它的运动方向上要发生洛伦兹收缩，那么，人们是否能看到一个高速移动的球体呈现出“被压扁”的形状，即变成椭球状呢？
　　以一个高速运动的立方体视觉形象为例。
　　首先我们必须明确，物体的视觉形象是由来自物体的不同部分但同时达到观察者的视网膜（或照相底片）的光构成的，这就意味着这些光一般不是同时发出的。离观察者较远的点在较早时发出的光，与较近的点在较晚时发出的光同时显现在观察者眼中。
　　如果物体在运动，观察者看到的是物体各部分在不同时刻的位置所构成的形象：从这个原理来说，即使按照非相对论的观点，物体的形象也是会发生畸变的（只不过对于通常的低速移动的物体，这种效应难以觉察罢了）。
　　以立方体各棱与三个坐标轴平行为例，它的边长为L，并沿x轴正方向以速度u=　c　运动＇见图3（a）＇。假定观察者或者照相机在垂直于运动方向上（例如在z轴上）并且远离运动物体，即物体所张的视角很小，它上面各点发出并射至观察者的光线可以认为是互相平行的。
　　当立方体运动时，由于立方体中的e和f发出的光要比a和d早L/c秒，那时e和f的位置在置在e′和f′，比e和f落后一段距离　。对于adef面上
　　其他各点可以做类似的考虑，可以推出，adef面看起来将是一个高为L　、宽为　的矩形。
　　与此同时，abcd面由于ab和dc的洛伦兹收缩，看起来也是一个高为L，但宽为L　的矩形＇见图3（b）＇。另一方面，如果上述立方体相对于观察者静止，但沿逆时针方向转过一个θ=sin…1（　）的角度＇见图3（c）＇。
　　则同一观察者（或照相机）也将看到（或拍摄到）adef面的投影是高为L、宽为Lsinθ=（　）L的矩形，而abcd的投影是高为L、宽为Lcosθ=L　的矩形＇见图3（d）＇。
　　由此可见，高速运动物体的视觉形象与它静止时转过一个θ=sin…1（u/c）角度的透视图是一致的。也就是说，我们看到（或拍摄到）的高速运动物体的形象，不是沿运动方向被“压扁”了，而是相当于物体转过一个与运动速度有关角度的形象。
　　图三：视觉旋转图
　　7．孪生佯谬
　　相对论诞生后，曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题：孪生佯谬。
　　假定地球上有一对孪生兄弟甲和乙。乙在地球上，甲乘宇宙飞船做星际旅行，宇宙飞船的速度为0。8c，目标是离地球8光年的某天体，到达后马上掉头以同样的速度返回地球。
　　如果将地球近似地看作一个惯性系的话，那么在整个过程中，就地球系而言，飞船的钟都变慢了一个因子（　=0。6）。对地球来说，飞船往返经过了：
　　2　8光年/　0。8c=20年
　　但与此相应，飞船上的钟只走了：20年　0。6=12年。
　　当甲旅行回来时，孪生兄弟乙比他老了8岁！
　　理由很明显，飞船往返必须要经历一段变速过程。如果将地球看作是惯性系，那么飞船在整个过程中就不是一个惯性系——尽管在其中大部分时间里，当它匀速飞行时，它是惯性系。因而，地球系同飞船系是不“平等的”。从本质上说，旅行之所以使得甲变得年青一些，是因为他的运动状态（非惯性运动）同乙有所不同。
　　进一步论证：
　　对于留在地球上的孪生兄弟来说，飞船上的钟变慢了：从地球到某天体，其间甲只长了6岁，归程又长了6岁，因此到重逢时，甲共长了12岁，这是地球参照系钟描述飞船上时间的流逝情况。
　　对于飞船来说，总的不是一个参照系。如果我们把“去”和“来”的飞船分别看作两个不同的参照系，而认为在调头前后，飞船上的观察者对事物的描述应该从一个惯性系的观点急遽地过渡到另一个惯性系的观点。那么狭义相对论