段绍节   草根首页 | 设为首页 | 加入收藏
草野山人 - 段绍节首页
对物理学的思考(十三)
2019-10-24
字号:
    ——超光速与复空间

    爱因斯坦在“论动体的电动力学”(狭义相对论)论文一开始,就郑重提出“光在空虚空间里总是以一确定的速度v传播着,这速度同发射体的运动状态无关。” 〖1〗这里特别强调了“空虚”空间,这点往往也是被后人忽略了的。显然这里是抛弃了机械的以太,但更深层的意思又是继承了相互作用不是舜时完成的,不是超距作用。因为以太的引入就是为了拒绝超距相互作用的。爱因斯坦这里是用光来完成相互作用联系的。

    其实现代物理学已经表明,光是电磁场的波动,即其为电磁场物质的一种运动形态。同时按现代的时空观,时空是运动物质的存在形式,没有运动物质就不存在其存在形式的时空,当然没有时空也就不可能有物质运动存在。由此事实上“空虚空间”是不可能存在的,只要这个空间存在,其中就一定有物质运动在其中存在,这种运动物质当然不一定必须是实物质的粒子,也可能是场物质。即现在理解这“空虚空间”只能是没有实物质粒子但却存在电磁场物质的空间。

    宇宙的任何地方,都有运动物质存在,没有运动物质也就不存在什么宇宙了。在太空中确实存在有很多很少实物质粒子的地方,但光却可以在太空传播。也就是说一般现在所谓的真空,其实是极少实物粒子的空间,但场物质却仍然存在着,由此光才能在其中传播。

    在运动物质存在的时空中,其实实物粒子只是时空中的一个个奇点,而大部分是被场物质所占据着。在真空中是如此,在通常的物质存在形式中也是如此。现在已确知了一些原子分子的空间限度,原子的限度为10-10米,核子限度为10-15米。若将原子核当作一个小球,它的体积只占原子体积的几千万亿分之一。如果假设原子是一座庞大的体育场,而原子核只相当于体育场中央的一只蚂蚁。而粗略计算可知,在1立方厘米的水中,水分子粒子所占的体约为0.1左右,即水介质的空间其实绝大部分被场物质占据,而水分子粒子只是较均匀散据于场物质中的一些小点而已。可见在时空中,场物质是时空的大部分占有者,而实物粒子占有的时空限度是少部分。

    场物质与以往的以太绝然不同。过去的以太是刚体性的,即过去的以太具有实物粒子的特性,由此才引出了迈克尔逊-莫雷实验。而场是完全与实物粒子不同的运动物质形式,并不具有实物粒子的性质,而是一切性质恰恰与实物粒子相左的运动物质形态。正是由于场物质运动形式的存在,才使宇宙成之为宇宙,才使坐标系可以成为空虚空间。否则,没有运动物质也就不可能有什么时空了。

    狭义相对论的基石是相对性原理和光速不变原理,其假设(定义)为:

    “1.物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所选参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

    2.任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度V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。”[2]

    也即:

    1 .相对性原理:物理体系物质运动状态的变化规律,在任何相互匀速运动的坐标系(惯性系)中是等价的;

    2 .光速不变性原理:光传播在空虚的空间中速度为一常数,与所在坐标系(惯性系)的运动无关。

    其中相对性原理是从经典力学继承并加以发展确定的,到目前为止,物质运动的相对性显然是成立的,就是在物理学的进一步发展中,这种运动的相对性内函也只是内容的扩充,而并无本质的变化。但光速不变性原理却从一开始就已经是有条件限制才成立的假设了。这个条件就是在空虚的空间中。同时在狭义相对论中,所讲的所有时空(坐标系)都是空虚空间。由于时空是物质运动的存在形式,即选坐标的原因就是要讨论或研究物质运动,故这个空虚空间的假设与要进行研究的本意也就存在着矛盾。事实上从一开始,就已假设坐标中是有物质的,只是这种物质不是实物质的粒子,而是均匀分布在坐标系中的一种非实物质粒子的运动物质而已,否则光也就无法在时空中(坐标中)传播了,且假设在任何均匀介质中光速都是一个常数。即在过去的研究中,都是将时空与物质的运动形态分割开来,时空只是一个无任何运动物质的坐标架。但事实上运动物质与时空是不可分割的,有时空则必定有在其内运动的物质,有物质运动则必定存在其存在形式的时空。这也就是说,光速不变原理是指光速不随坐标系的运动速度变化而变化,但当坐标系(时空)内物质运动形态不同时,光速是可能不同的常数值。正如光在真空中、空气中、水中或一切透明介质中速度是不同的。这些早在物理学中已有充分显示。也就是说这里的光速不变性,主要是指光速不随坐标系的运动变化而变化,是在空虚空间中。

    而客观事实是时空(坐标)是物质的存在形式,没有运动物质存在,也就失去了时空存在的依据。即在宇宙中不可能存在这种空虚空间。事实是在每一个坐标系(时空)中都必然存在有场物质,并可能存在不同形态的场,否则光也就不可能在时空(坐标)中传播了。这样描写物质运动的坐标系就不可能避开其内的场物质存在了。

    但为了使研究简化及更有普遍性,可选择或假定在坐标系(时空)内的场物质是均匀分布的,是各向同性的。这是完全可能的,因为可以使选择的时空范围任意小,如微积分的运算一样以达到这一要求。

    研究物质运动规律是通过时空(坐标)中的物质运动变化来进行的。而各时空间的联系是通过光来进行的。因为所有各坐标系之间的比较都是靠光来进行的。由此在任何时空(坐标系)中都必然满足: 即光在任何坐标系中都是以恒定的速度c各向同性传播。但由于在各时空中所具有的场物质形态不同,这时在各个时空中的光速值并不尽然是相同的。

    也就是说,这时研究物质运动的坐标系已不再是空虚的,而是必须要包函其中的场物质,即任何时空中都必然存在有相应的场物质,且这场物质也决定了时空的性质,这表现在其时空中光速值的不同上。相对论只是假定了所有的坐标系都是没有实物粒子的所谓真空中,其光速也就自然的为一个统一的常数了。这样在描述物质运动的时空变换上,就必须包含时空中的场物质运动形式,这就与狭义相对论有些不同了。这时运动的相对性原理并末发生变化,但光速不变性原理则有不同。这时假设:光的传播速度与所在时空(坐标系)运动无关,为恒定值,但却随时空内场物质形态不同而为不同的恒定值。

    爱因斯坦在定义同时性时,是用了在时空(坐标)中A、B两点,若则A与B处的时间是同步的[2],但这里必须注意,这里的时间是光到达的时间,即这时同时性是靠光作为联系而得到的,这实际上是:   即

    在狭义相对论中由于是讨论的在空虚的时空中,光速为恒定值C,这时时间间隔如相对论中所述,但在有场物质的时空中,由于光速会随时空内的场物质运动形态不同而不同,这时的时间间隔则会有相对的不同。这时在S系中为, 而在S’系中为

    这时S与S'坐标系若其二者是相对静止的,则有:

    由于在S、S'坐标系中的场物质形态不同,即Cc’则:

    而S与S'系为相对静止的,这时 两个坐标系之间的时间差异完全由光在不同坐标中的速度决定:

    这就表明同一时间间隔在S系与S'系中是不相同的,也就是在空间有场物质的情况下,时间间隔也就具有了相对性。这显然与狭义相对论有所不同。在狭义相对论中时空(坐标)中是没有实物粒子的所谓真空中,由此也并不存在时间间隔的相对性。而在时空(坐标)中有了物质以后,则存在时间间隔的相对性。这完全是由于光速的不同引起的。这样在不同的惯性系之间的相对变换性则成为,假设:

    1.相对性原理:物理体系的状态变化规律,在任何相互均速运动着的时空(惯性坐标系)中是等价的;

    2.光速恒定原理:光的传播速度与所在时空(坐标系)的运动速度无关,但是随时空中均匀场物质运动形态不同而有不同的恒定值。

    第一点与相对论完全一样,并无改变,但第二点则强调了在不同运动形态的均匀场物质中光速是不同的,同时明确了在时空中必然有运动物质,否则时空也就不复存在了,即光是作为物质运动时间关联的纽带。这样在不同的时空(坐标)变换时,不仅涉及其之间的相对运动,还必须考虑到时空内的运动物质存在情况,从而将时空与物质运动的相互关系更加明确起来。实际上现代物理学早已明确,在均匀场物质中光速为 :

    其中ε、μ为时空中场物质的介电常数、导磁率。由此可同样导出时空(坐标)间的变换关系:

    这里应特别注意的是光速c'是观测坐标中的光速。其中:

    可以看出,这与狭义相对论的结果似乎并无太大的不同,但是在时空变换时,不仅考虑到了时空的相对运动,同时也考虑到了时空内的运动物质形态的不同。如果变换时时空内物质形态并无变化,显而易见这就是狭义相对论的结果。这里的讨论表明,时空与物质运动是不可分开来的,时空的变化可影响物质运动,而物质运动的变化也同样可以改变时空的形态。

    在场的电动力学中,由于确定了随时空中均匀场物质运动形态不同而有光速不同的恒定值,由此在不同的时空中,可能出现超光速现象。如图所示,在真空中有一个粒子Q以近光速运动,若v=0.99c,当该粒子进入S系,而在S系中光速为0.8c,即这时n=c/c'=1.25,此时S系中场物质形态比水中的场物质形态的n还要小。这时该粒子进入S系后则要以大于S系中的光速运动,也就是粒子运动速度出现了超光速现象。这种现象是客观存在着的,比如在现实的核物理实验及高能物理实验中,加速器轰击物质时,经常出现这类情况。

    现在则要讨论这种情况。在S系中粒子Q以超光速运动,这时按相对论的空间变换:,其中的:    则成为一个虚数,即相当Q的运动进入了虚空间。

    这时粒子Q发出的光就被限制在一个光锥S'时空中,即Q发出的光信息只能在S'时空中传播,而不可能进入S系的其它时空中,也就是说S系与S'系时空中的信息是不可能进行相互交换的,从而使其时空间的运动物质也就不可能发生相互作用,故S'系也就成为S系中的特殊时空,成为一个独立的时空系统,在这个系统时空内物质运动不会与S系时空中运动物质发生因果关系的事件。尽管S'系存在的时间可能十分短暂,由于相互作用q的速度会很快减慢低于S系光速而时空S’逐步消失,但必竟可能存在这种独立时空系统。这种状况正是切仑科夫辐射的过程。

    可以知道,这时光锥母线与运动方向的夹角θ为:

    式中c为真空中光速,c'为光在S系中的光速,v为粒子Q的运动速度,Λ为该粒子Q运动的德布罗意波长,Λ=h/mV ,m为粒子的静质量,mc'2为粒子在S系中的静能量,λ为该粒子发出辐射波的波长,hν为该粒子发射波所具有的能量,n为S系的光折射率,n=c/c'。可见只有当v>c'时,才可能出现这种情况,即当S系中光速越慢(n=c/c'越大)时,越易出现这种情况,同时还与进入系统粒子的静能量及发出的辐射波能量的大小有关。即这种独立时空系统的出现,与入射粒子的性质及S系内场物质状态有关。

    这显然是切仑科夫辐射现象。由于粒子以超光速运动时,会与时空内物质发生极强的相互作用,从而辐射掉自身所具有的能量,逐步使运动速度降低下来,最终使其运动速度降至小于S系中的光速。也就是说粒子进入S系后,当其速度超过系统内的光速时,会形成一个时空的独立S'系统,该系统内的物质运动不会与S系内物质运动发生相互作用,即该粒子发出的光不会进入S系,这个时空的独立系统逐渐随入射粒子的速度减慢低于光速而变化。也就是时空随物质运动形态的改变而改变,而时空又是物质运动存在的形式。

    那么可否能使这种时空独立系统保存下来,或是使其形式固定下来呢? 这是个过去从来未曾讨论过的问题。不过从罗辑上讲,只要有物质运动在其中存在着,这种时空状态是会一直保存下去的。显然这种物质运动状态不会是S'系统外物质运动造成的结果,而只能是粒子Q发出的光。什么光可能一直存留在S'系统内呢?光波只要一开始就必将沿直线一直运动下去,是不可能留在一个狭小的时空中的。但作为波也有特例,可一直留在一个狭小的时空中,这就是驻波。如果在S'系中有一种物质运动,可能使这一时空存留下来,而这种独立时空又反过来使这种物质运动形式固定下来,这样相辅相成的结果,是使这种物质运动形式及其存在形式时空得以确定下来。

    而这种独立时空的最大特点则是在独立时空内的物质运动不会与系统外物质发生相互作用,但系统S’会作为一个整体物质运动与其它物质发生相互作用。这样独立系统内的物质运动就不会与系统外物质有因果关系。由此独立系统外时空对独立系统内物质运动的研究也只能得到几率的可能预言结果,而不可能得到由因果关系确定的结果了。

    参考文献

    〖1〗爱因斯坦文集  第二卷 84页  商务印书馆1977 北京。

    〖2〗爱因斯坦文集  第二卷 86-87页  商务印书馆1977 北京。

所有文章只代表作者观点,与本站立场无关!
评分与评论 真差 一般 值得一看 不错 太棒了
姓名 
联系方式
  评论员用户名 密码 注册为评论员
   发贴后,本网站会记录您的IP地址。请注意,根据我国法律,网站会将有关您的发帖内容、发帖时间以及您发帖时的IP地址的记录保留至少60天,并且只要接到合法请求,即会将这类信息提供给有
关机构。详细使用条款>>
草根简介


1938年7月15日生。北京大学毕业,分配到中国工程物理研究院核物理与化学研究所工作,直到退休。研究员。现居住北京海淀区。
最新评论 更多>>

最新文章 更多>>
关于我们  联系我们:QQ513460486 邮箱:icaogen@126.com
CopyRight © 2006-2013 www.caogen.com All Rights Reserved 浙ICP备11047994号