与相对论相关的分析

第1页共23页与相对论相关的分析数学是一种游戏，可以在规则范围内任意发挥；物理学需要数学结合物理实践，反复论证总结。相对论更多的或许属于数学游戏。光速不变或许应是：任何光线在“静止的”光介质中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。惯性系可以分为封闭惯性系、开放惯性系、部分封闭惯性系，光在(光介质)封闭惯性系具有惯性。伽利略速度变换不是简单地速度叠加。本文思路1、相对论自诞生起，争议就没有间断过，其核心是光速不变；2、本文试图对光速不变进行分析、解释；3、光速不变是受到声速不变的影响推测的；4、声速不变需要与宏观粒子运动状态进行比较；5、这种比较直接涉及坐标变换，所以会简单介绍伽利略坐标变换、洛伦兹坐标变换；6、本文提出的光速不变，可以对一些问题合理解释；7、之后的反复验证工作，不在本文范围，本文仅提出验证试验方法。本文的顺序：坐标变换分析→惯性系分析→声速不变分析→光速不变猜测→几个问题的解释→相对论的矛盾分析第一章坐标变换分析坐标变换通常指伽利略坐标变换、洛伦兹坐标变换。第一节老生常谈伽利略坐标变换某人A对C有他的认识，某人B对同一C也有自己的观点，由于A、B所处角度不同，他们对同一C会产生不同的理解。第2页共23页伽利略坐标变换即是描述当A静止，B相对A匀速直线运动状态下，A、B对C的相对固定关系。下面是大家都熟悉的图例及公式：AyBy’yy’vC(x,y,z)vtx’(x’,y’,z’)oo’xx’zz’xzz’当t=t’=0时，o与o’重合，空间任意一点P相对两坐标系有：1、坐标变换公式：x’=x-vty’=yz’=zt’=t且有：x2-x1=x2’-x1’2、速度变换公式：vx’=vx-vvy’=vyvz’=vz3、加速度变换公式：ax’=axay’=ayaz’=az4、力学变换：F=maF=ma’请注意：1、速度变换仅指A、B对C的认识关系，与惯性系统A、B是否封闭没有关系；2、速度变换与速度叠加不是一个概念（或者说，B系为封闭惯性系，速度叠加；否则，B系速度会受到外界因素影响，不再是简单的速度叠加）。第二节伽利略相对性原理伽利略相对性原理举例萨尔维阿蒂的大船：从船舱中发生的任何一种现象，无法判断船究竟是在运动还是停着不动。萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。在一个惯性系(A)中能看到的种种现象(C)，在另一个惯性参考系(B)中必定也能无任何差别地看到(C’)。亦即，所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态，哪一个又是绝对运动的。第3页共23页伽利略坐标变换讲的是A、B、C之间的关系；伽利略相对性原理讲的是A、B、C、C’中，C与C’的关系。本节需要注意的是，萨尔维阿蒂的大船的种种现象，都是发生在船舱内，如果是发生在甲板上，伽利略相对性原理不再成立，因为甲板上会受到外界空气的影响，船舱的作用之一是对外界影响（例如空气）进行屏蔽，即：伽利略相对性原理成立的条件之一是在封闭惯性系内。第三节洛伦兹坐标变换洛伦兹坐标变换讲的也是是A、B、C之间的关系；它把伽利略坐标变换中的不变量时间t大胆的分开，使之拥有独立意义；增加的k，主要说明一个系统相对于另一个系统变化是线性均匀的；洛伦兹坐标变换在数学上是一个进步。洛伦兹坐标变换，或许与伽利略坐标变换没有区别，具体分析见第四章第一节。第二章惯性系分析惯性系可以分为封闭惯性系、部分封闭惯性系、开放惯性系。三种惯性系均符合坐标变换（A、B、C)。封闭惯性系符合相对性原理（A、B、C、C’）。本章主要进行空气影响状态下惯性系分析。第一节惯性系模型我们引用“萨尔维阿蒂的大船”，修改并建立如下模型（图2-1）：第4页共23页y系统3系统2系统1基础系统Aox图2-1模型解释：此船共三层：相同的上下两层船舱、一层平滑甲板。其中底层船舱是封闭的，上层船舱前后舱壁开有均匀孔洞，空气通过孔洞可以均匀进出船舱。在两层船舱及甲板的相同中心位置设置以下相同装置：一个小球，它可以在水平面自由滚动；一个点声源，可以向任意方向发出声波信号；一个点光源，可以向任意方向发出光波信号（下一章讨论）。暂且认为：底层船舱是封闭系统(系统1），上层船舱是部分封闭系统（系统2），甲板是开放系统（系统3）。当此船静止于地面时，系统1、2、3与地面系统（基础系统A）相同，A系统作为比较系统。惯性系之间关系：A包含B（如大地与船）；A、B相离（如船与船）。惯性系之间不可能重合，只能是离得很近时，可以认为“重合”。试验目的：模型中，小球代表宏观粒子，声波代表波，通过实验分析粒子与波的异同；将声波分析应用在光波上，看会出现什么结果。第二节惯性系中的小球分析一、实验条件：空气相对地面静止（无风）；第一节中大船两艘，其中一艘A相对地面静止，另一艘相同大船B相对A惯性运动，速度u；两船“重合”时，分别对每个小球向右方施加一个相同的作用；经过单位时间后，如下图2-2：（两艘船，共有6个小球，第一节提到了A船3个小球状态相同，由基础系统A小球代替比较。）第5页共23页yy系统B3B3△B3右侧舱壁示意系统B2uB2△B2系统B1B1△B1基础系统AoAx△A图2-2其中左侧小球表示A、B重合时各小球位置，右侧小球表示经过单位时间后小球位置（移动后的大船未画出）。二、小球分析：我们暂时不考虑所谓的相对论效应，可以看到：1、A船（未画出）三个小球运动状态完全相同；其中A船甲板相当于地面系统；2、B船小球由于受到惯性影响，无论是由A来看，还是由B来看，B系3个小球都在A船小球右侧；3、由系统B内部来看，小球B1等于其静止时移动距离，或者说，等于静止系统A中小球A移动距离，即△A=△B1；由于受到风的影响不同，又有△B1〉△B2〉△B3；4、由于受到风的影响不同，分别在各自系统测量，可有uA=uB1〉uB2〉uB3（图中未标出，见红色箭头线）。5、小球A、B1、B2、B3运动状态均符合伽利略坐标变换、速度变换、加速度变换、力学变换。（A、B、C）6、注意：所有小球，都受到本系统大船惯性影响；所有小球均受到空气影响，但只有小球B2、B3受到风的影响；只有小球A、B1符合相对性原理。第6页共23页另外：如果垂直方向（如向上）发出小球，与以上总结基本相同，只是要增加重力影响。（此处从略）三、几个概念：封闭惯性系：B船封闭船舱（系统B1)---小球与其相关联，且不受风影响；部分封闭惯性系：B船上层半封闭船舱（系统B2)---小球与其相关联，部分受风影响；开放惯性系：B船上层甲板（系统B3)---小球与其相关联，受到风的影响。四、动系与静系因为空气相对于A系静止，而且要考虑大地参考系，所以设A系为静系在理解和计算上都较反过来方便。五、真空中惯性小球分析：1、如果因为真空排除空气的影响，真的没有（？）其他影响因素，那么B系统三个小球的表现合并为B1状态。2、真空状态对小球影响是“小至可忽略”，还是真的不会对小球产生丝毫影响？第三节惯性系中的声波分析一、实验条件：空气相对地面静止（无风）；第一节中大船两艘，其中一艘A相对地面静止，另一艘相同大船B相对A惯性运动，速度u；两船“重合”时，分别向右发出一个声信号；经过单位时间后，如下图2-3：（两艘船，共有6个声信号，第一节提到了A船3个声信号状态相同，由基础系统A声信号代替比较。）其中左侧小球表示A、B重合时各点声源位置，右侧小球表示经过单位时间后声信号所在位置（移动后的大船未画出）。第7页共23页y△B3’y系统B3B3△B3右侧舱壁示意系统B2uB2△B2系统B1B1△B1基础系统AoAx△A图2-3二、声波分析：我们暂时不考虑所谓的相对论效应，可以看到：1、A船（未画出）三个声波运动状态完全相同；其中A船甲板相当于地面（基础系统）；2、需要注意的是：声信号B3的运动状态与声信号A运动状态完全相同（频率发生改变，但波速不变）即△A=△B3’；两个声信号在速度上：“就像一个声信号一样，不分彼此，齐头并进”；静系A中声速为通常我们说的空气中声速υ0，但在动系中测量υB3声速，因为受到外界逆向风的影响，此声速小于υ0。原因：理想状态下，点声源B3在发出声信号后，其原有惯性瞬间降为零，此声信号的运行规律就与声源再无关系，只会遵循其在外界空气中的传播规律。3、B船另外两个声信号，由于受到惯性影响，无论是由A来看，还是由B来看，其终点位置都在声信号A右侧；由系统B内部来看，声信号B1等于其静止时移动距离，或者说，等于静止系统A中声信号A移动距离，即△A=△B1；由于受到风的影响不同，又有△B1〉△B2〉△B3；4、由于受到风的影响不同，分别在各自系统测量，可有uA=uB1〉uB2〉uB3（图中未标出，见红色箭头线）。仅在基础系统测量，则有：uA=uB3’，当然，此声速不变与相对论的光速不变含义不同。第8页共23页5、声信号A、B1、B2、B3运动状态均符合伽利略坐标变换、速度变换、加速度变换、力学变换。（A、B、C）6、请注意：理想状态下，仅有声信号B1（有惯性的声信号）、B2（有部分惯性的声信号）受到本系统大船惯性影响，声信号B3（没有惯性的声信号）受到惯性影响为零；但只有声信号A、B1符合相对性原理。另外：如果垂直方向（如向上）发出声信号，与以上总结基本相同。（此处从略）总结：理想状态下，声信号的传播，只与传播它的介质有关。介质受到惯性影响，声信号也会受到影响（关联）；介质独立于某惯性系统，声信号则与此惯性系统无关（速度也不会叠加）。三、几个概念：封闭惯性系：B船封闭船舱（系统B1)---声波与其相关联；部分封闭惯性系：B船上层半封闭船舱（系统B2)---声波与其部分关联；开放惯性系：B船上层甲板（系统B3)---理想状态下，声波与其无关联。四、动系与静系因为外界空气相对于A系静止，声波的传播本质上与惯性系无关，设A系为静系应该在情理之中了。五、真空中声波分析：1、声波不能在真空中传播；2、光能在真空中传播。注意：空气相对A船静止，此惯性系只能设定A为静系，B为动系，不能反过来设置。六、静态空气声波恒定举例分析：1、火车鸣笛试验及解释，如图2-4：y基础系统ACoBx图2-4第9页共23页图形说明：基础系统相对地面静止，无风，原点处静止C设置声信号测速仪，火车A匀速驶向C、鸣笛；火车B匀速驶离C鸣笛。已有的经验告诉我们，C处测得声信号均为空气中声速υ0，并无通常认为的速度叠加导致的声速增加或减少。原因就是上面提到的：声信号的传播，只与传播它的介质有关。介质受到惯性影响，声信号也会受到影响（关联）；介质独立于某惯性系统，声信号则与此惯性系统无关，速度也就不会叠加。火车发出声信号，经过一段距离后，由于火车运动产生的空气涡旋不再影响此声信号，此声信号脱离火车惯性系统，进入外界静止的空气系统（基础系统），则此声信号波速仅遵循外界静止空气传播规律，而与原始声源运动状态无关。需要注意的是：是C处测得声速为υ0，而不是A或B处测得声速为υ0。2、进入惯性系统声信号分析（未见相关实验，猜测），如图2-5：yS1C’u基础系统AoS2CxB图2-5(1)、图形说明：基础系统相对地面静止，无风，火车B匀速u右向行驶，火车内C点设置声信号测速仪，基础系统静止A点右向同时发出两个声信号。(2)、则应有：火车内C点测得的声速为υ0；同时，外界另一声信号位置滞后，如图C’点，其测得的声速也为υ0。解释：声信号进入火车后，有一个加速过程，使之最终达到火车内静止空气中的声速，拥有火车同样的惯性。（为什么会发生此种情况，不知，不在本文考虑范围）(3)、若其他不变，火车左向行驶，则应有：火车内C点测得的声速为υ0；同时，外界另一声信号位置传播较远，其测得的声速也为υ0。（此图未画出，仅简述）第10页共23页第四节一个有点意思的推论如图2-6：yy’o’B△x’x’oA△x△ABx图2-6图形说明：地面，无风，xoy静止于地面，x、x’表示光滑地面；x’o’y’右向匀速u运动，当y、y’重合时，同时对两系统相同小球施加一个右向相同作用。我们知道，虽然受到外界空气的