程碧波
摘 要:本文從中國(guó)傳統(tǒng)的炁的理念出發(fā)構(gòu)思炁的物理模型,其計(jì)算結(jié)果符合若干實(shí)驗(yàn)和天文觀察現(xiàn)象。本文并比較了相關(guān)理論例如相對(duì)論的推導(dǎo)及其計(jì)算過(guò)程,指出其他理論所存在的待商榷的地方,以及炁模型的猜想更具有邏輯上的一致性。
關(guān)鍵詞:炁;相對(duì)論;時(shí)空
炁是中國(guó)傳統(tǒng)理論中構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的基本物質(zhì),它無(wú)所不在又運(yùn)動(dòng)不息,形成宇宙萬(wàn)物。炁分散而為場(chǎng),凝聚而為粒子。(行炁,深則蓄,蓄則伸,伸則下,下則定,定則固,固則萌,萌則長(zhǎng),長(zhǎng)則退,退則天。天幾舂在上;地幾舂在下。[1])
炁場(chǎng)與粒子雖均由炁構(gòu)成,但已是兩種不同的物質(zhì),好比電子和質(zhì)子構(gòu)成不同元素一樣。
炁與氣不同。氣由空氣分子構(gòu)成,炁比氣更加本原。換言之,沒(méi)有氣的空間可被稱為真空,但真空中仍會(huì)充滿炁場(chǎng)。
1 炁的運(yùn)動(dòng)定律
采用中國(guó)傳統(tǒng)炁的概念,則光即由炁場(chǎng)的波動(dòng)而成,可稱之為炁波。炁波傳輸?shù)乃俣燃礊楣馑佟?/p>
粒子與炁場(chǎng)存在相互作用。粒子會(huì)吸附炁場(chǎng)。粒子越多、質(zhì)量越大,吸附炁場(chǎng)的強(qiáng)度越大、范圍越廣。可以找到類似的宏觀模型:星球質(zhì)量越大,可以吸附的大氣越多;反之,可以吸附的大氣越少。靠近星球表面愈近,大氣與星球表面愈相對(duì)靜止;靠近星球表面愈遠(yuǎn),星球的運(yùn)動(dòng)速度與大氣差距愈大——因?yàn)樾乔蛭酱髿獾哪芰τ酢AW訉?duì)炁場(chǎng)的吸附亦是如此。
粒子在炁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),就好比物體在空氣中運(yùn)動(dòng)一樣,會(huì)遇到炁場(chǎng)的阻力。此阻力隨著粒子相對(duì)炁場(chǎng)的速度增大而增大。當(dāng)粒子相對(duì)炁場(chǎng)的速度接近光速時(shí)會(huì)產(chǎn)生光障,這與物體在空氣中速度達(dá)到聲速時(shí)產(chǎn)生音障的原理類似。正如達(dá)到音障時(shí)大氣對(duì)物體的阻力會(huì)急劇增大一樣,光障時(shí)炁場(chǎng)對(duì)粒子的阻力也會(huì)急劇增大。從理論上講,光障如同音障一樣,亦可能被突破,但是難度將會(huì)很大,因?yàn)槲矬w在速度較低時(shí),電磁場(chǎng)等各種場(chǎng)的波動(dòng)可以對(duì)物體施加推動(dòng)力以加速。但當(dāng)物體的速度已經(jīng)到達(dá)光速時(shí),電磁場(chǎng)等各種場(chǎng)波動(dòng)的速度與物體速度相同,已沒(méi)有能力再加速物體。當(dāng)然,通過(guò)噴射介質(zhì)的方式,可能進(jìn)一步提高速度。
我們將粒子相對(duì)炁場(chǎng)靜止到接近光障這個(gè)速度區(qū)間,稱為光障區(qū)。在光障區(qū)內(nèi),任何物體相對(duì)炁場(chǎng)的速度上限為光速。目前人類的科技水平尚未突破光障區(qū)。所以本文重點(diǎn)對(duì)光障區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行探討。
1.1 炁場(chǎng)中的質(zhì)量關(guān)系
假定粒子質(zhì)量為,相對(duì)炁場(chǎng)的速度為,受炁場(chǎng)阻力為(為系數(shù)),則若有外力推動(dòng)粒子繼續(xù)加速,加速度為,則有公式:
由(3)式可知,若測(cè)量者意識(shí)不到炁場(chǎng)對(duì)粒子的作用力,則他將發(fā)現(xiàn):隨著粒子的速度增加,粒子的質(zhì)量增大;在粒子速度一定時(shí),隨著粒子加速度增加,粒子的質(zhì)量減小。
顯然,讓粒子減速則極為容易,只要撤掉外力,粒子速度就會(huì)逐漸降下來(lái)。
1.2 炁場(chǎng)中的速度合成關(guān)系
在光障區(qū)內(nèi),相對(duì)炁場(chǎng)的速度上限為光速。因此從表面看,速度合成不再遵從矢量合成法則。破壞矢量合成法則的力學(xué)原因,是因?yàn)橛袨艌?chǎng)的阻力。假使我們將炁場(chǎng)的阻力考慮進(jìn)矢量合成,那么矢量合成法則仍將得到遵守。
但無(wú)論是否考慮炁場(chǎng)阻力,炁場(chǎng)中速度合成均遵守以下法則:
某物體(粒子或光)在某介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)。若介質(zhì)相對(duì)炁場(chǎng)速度為0時(shí)物體相對(duì)介質(zhì)的速度為,則當(dāng)介質(zhì)相對(duì)炁場(chǎng)速度為時(shí),物體相對(duì)炁場(chǎng)速度為:
注意,(4)式并不一定遵從矢量合成法則。的具體形式要么需要進(jìn)一步計(jì)算炁場(chǎng)阻力,要么需要實(shí)驗(yàn)測(cè)量而得。并且,不同的介質(zhì)和物體,其的數(shù)據(jù)未必相同。但只要不突破光障,的絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)光速。
然后,根據(jù)矢量合成法則,此時(shí)物體相對(duì)介質(zhì)的速度應(yīng)為:
很顯然,若此介質(zhì)僅為與炁場(chǎng)不同速度的坐標(biāo)系,則直接(5)式成立。即物體在介質(zhì)坐標(biāo)系中的速度與介質(zhì)坐標(biāo)系在炁場(chǎng)坐標(biāo)系中之矢量和,等于物體在炁場(chǎng)坐標(biāo)系中的速度。因此矢量合成法則仍然適用。
2 相關(guān)理論的拓展比較
相對(duì)論與炁理論的假設(shè)和結(jié)論均有所差別。下面我們對(duì)此拓展分析。
2.1 廣義相對(duì)論介紹
2.1.1 廣義相對(duì)論的坐標(biāo)變換原理
閔可夫斯基發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論中,同一事件在慣性系與慣性系中的各參數(shù)滿足以下條件:[2]
表達(dá)式得出一個(gè)與局部坐標(biāo)系方向無(wú)關(guān)的值,它是由時(shí)空測(cè)定確定的。屬于四維連續(xù)體中無(wú)限接近兩點(diǎn)的線素的值,愛(ài)因斯坦記作。對(duì)正在討論的線素,或者說(shuō)兩個(gè)無(wú)限接近的事件點(diǎn),任何選定參照系的四維坐標(biāo)系(注意,是任意參照系,不一定是慣性參照系),其自變量分別為、、、,那么可表示為:
廣義相對(duì)論認(rèn)為,(10)式計(jì)算出來(lái)的線素與坐標(biāo)系的方向和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān),因?yàn)橹幸呀?jīng)包含了時(shí)間和空間,是由鐘尺測(cè)量時(shí)空中無(wú)限接近的事件點(diǎn)確定的量,它與特殊選擇的坐標(biāo)無(wú)關(guān)。
2.1.2 坐標(biāo)鐘、標(biāo)準(zhǔn)鐘與固有時(shí)間
(1)坐標(biāo)鐘:對(duì)于彎曲時(shí)空的任意坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn),若視為時(shí)間坐標(biāo),則以速率運(yùn)行的鐘,叫坐標(biāo)鐘,稱為坐標(biāo)時(shí)間,是從系來(lái)考察的此坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)間。為慣性系中的真空光速。
(2)標(biāo)準(zhǔn)鐘:對(duì)時(shí)空中的任意觀測(cè)者引入相對(duì)于他瞬時(shí)靜止的局部慣性系。定義靜止于系中的鐘為標(biāo)準(zhǔn)鐘,它所記錄的時(shí)間為慣性系的固有時(shí)間,即靜止于的觀測(cè)者親身經(jīng)歷的時(shí)間。此線素方程為:
(3)坐標(biāo)時(shí)間與固有時(shí)間的關(guān)系:
由于線素大小與坐標(biāo)系選擇無(wú)關(guān),而觀測(cè)者在坐標(biāo)系中的線素方程為:
由此即得觀測(cè)者A的坐標(biāo)時(shí)間t與固有時(shí)間的關(guān)系。坐標(biāo)時(shí)間t是A所在坐標(biāo)系S中的時(shí)間,固有時(shí)間是以A為坐標(biāo)系的時(shí)間,即A親身經(jīng)歷的時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)不同坐標(biāo)系之間時(shí)間的變換。而這些變換中,固有時(shí)間始終是在局部慣性系中的。
2.1.3 坐標(biāo)時(shí)間、固有時(shí)間與慣性系間的坐標(biāo)變換
假設(shè)觀測(cè)者A在慣性系S的原點(diǎn)沿x軸正向以速度V相對(duì)于S系作勻速直線運(yùn)動(dòng)。則:
觀測(cè)者A在以A為參照系中的線素方程為:
(17)式也正好是狹義相對(duì)論中A在S系原點(diǎn)時(shí)的A坐標(biāo)系和S坐標(biāo)系之間的時(shí)間變換關(guān)系。廣義和狹義相對(duì)論的這種等價(jià)性是很自然的,因?yàn)楠M義相對(duì)論是利用不同慣性坐標(biāo)系的光速不變?cè)硗茖?dǎo)而得,廣義相對(duì)論的恒等條件亦是要求不同慣性坐標(biāo)系的光速不變。
所以,無(wú)論狹義相對(duì)論還是廣義相對(duì)論,都認(rèn)同“任意慣性系中光速不變”。并且“任意慣性系中光速不變”是計(jì)算固有時(shí)間的基本前提,否則固有時(shí)間無(wú)從談起。
注意:相對(duì)論并不是假設(shè)慣性系中任何物體相對(duì)光的速度均相同。例如:若某物體相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)向左的速度為,光相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)向右的速度為,則在此慣性系中,光相對(duì)于此物體的速度為,這是符合相對(duì)論假設(shè)的。然而,如果我們建一個(gè)新慣性系,新慣性系的原點(diǎn)與此物體相對(duì)靜止,則相對(duì)論認(rèn)為:這束光相對(duì)于此物體的速度為而不是。
2.2 多慣性系中不同方向的光速
然而,我們這里切實(shí)地計(jì)算一下多慣性系中不同方向的光速是否相同。
計(jì)算過(guò)程如下:
假設(shè)S系和系是兩個(gè)相對(duì)作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性系。規(guī)定系沿S系的軸正方向以速度相對(duì)于S系作勻速直線運(yùn)動(dòng),、、軸分別與、、軸平行,兩慣性系原點(diǎn)重合時(shí),原點(diǎn)處時(shí)鐘都指示零點(diǎn)。
現(xiàn)假設(shè),,是比例系數(shù),可保證變化是線性的。相應(yīng)地,系的坐標(biāo)變換為S系,有。另有,。
兩原點(diǎn)重合時(shí),有。此時(shí)在共同原點(diǎn)向、正軸方向發(fā)射一光脈沖,在系,,在系,。
至此,證明過(guò)程就是狹義相對(duì)論的證明過(guò)程,(20)式也為狹義相對(duì)論的結(jié)論,沒(méi)有新現(xiàn)象出現(xiàn)。
現(xiàn)在我們構(gòu)造一束與之前傳播方向正好相反的光脈沖,即向、負(fù)軸方向傳播的光。按照之前的同樣證明過(guò)程有:
狹義和廣義相對(duì)論的假設(shè)中,不同慣性系中的時(shí)間變換關(guān)系只與慣性系的相對(duì)速度有關(guān)。既然同一慣性系中時(shí)鐘相同,那么同一慣性系中任何方向光脈沖的時(shí)鐘也是相同的。比較(19)和(23),這個(gè)比例系數(shù)均與狹義和廣義相對(duì)論吻合。但是,(24)式中的不等于(20)式中的。這說(shuō)明,按照相對(duì)論的證明,若選擇不同方向的光脈沖作為計(jì)算基準(zhǔn),各慣性系的時(shí)間取值將不同。這違反了狹義和廣義相對(duì)論的前提假設(shè)。那么為什么會(huì)違反此假設(shè)呢?我們?cè)賮?lái)變換一下:
由于是系中的時(shí)間,則以系為參照系且光脈沖沿正軸方向傳播時(shí),光脈沖在中經(jīng)過(guò)的距離為:
根據(jù)相對(duì)論的假設(shè),S慣性系和慣性系內(nèi)的長(zhǎng)度變換關(guān)系只與兩慣性系的相對(duì)速度V相關(guān),所以S慣性系中反向光脈沖經(jīng)過(guò)時(shí),反向光脈沖在慣性系內(nèi)經(jīng)過(guò)的距離也應(yīng)是。根據(jù)(24)式,反向光脈沖在慣性系中經(jīng)過(guò)的時(shí)間為
因此,當(dāng)S慣性系中光速在各方向上均為c時(shí),可以證明:與S慣性系有相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的慣性系中,光速不可能在各方向上也均為c。
這證明,相對(duì)論中關(guān)于“任何慣性系中光速不變”的假設(shè)是有問(wèn)題的,數(shù)學(xué)邏輯不支持這樣的假設(shè)。
回頭來(lái)看(20)與(24)式。根據(jù)這兩式,在S慣性系中光速恒為c且光速沿、正軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)恒為c,則慣性系中經(jīng)過(guò)距離為:
在S慣性系中光速恒為c且光速沿、負(fù)軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)恒為c,則慣性系中經(jīng)過(guò)距離為:
這兩個(gè)距離極其接近坐標(biāo)系之間遵從經(jīng)典時(shí)空觀下矢量合成法則時(shí)的結(jié)論。可按經(jīng)典時(shí)空觀的矢量合成法則計(jì)算如下:
若光脈沖相對(duì)S慣性系的速度為c,運(yùn)動(dòng)時(shí)間為,則當(dāng)光脈沖沿正軸運(yùn)動(dòng)時(shí),慣性系中光脈沖運(yùn)動(dòng)距離為:
當(dāng)光脈沖沿負(fù)軸運(yùn)動(dòng)時(shí),慣性系中光脈沖運(yùn)動(dòng)距離為:
比較(27)與(29)、(28)與(30)式可知:當(dāng)確定S慣性系的光速恒為c時(shí),慣性系中的計(jì)算結(jié)果將極其接近經(jīng)典時(shí)空觀下矢量合成的結(jié)果,這是因?yàn)閼T性系中的光速不可能恒為c。
顯然,若確定慣性系的光速恒為c,則S慣性系的光速就不可能恒為c,此時(shí)S慣性系中的計(jì)算結(jié)果就將極其接近經(jīng)典時(shí)空觀下矢量合成的結(jié)果。確定哪個(gè)慣性系中的光速恒為c,將對(duì)慣性系中的結(jié)果帶來(lái)巨大的不同。
更進(jìn)一步地,若取一束與x軸有傾斜夾角的光脈沖,若光脈沖的速度c在x軸方向上的速度分量為mc(),因?yàn)榇斯饷}沖與軸的夾角等于其與x軸的夾角,所以c在軸方向上的速度分量也應(yīng)為mc。故有式子:
這下連k都變了。并且隨著m從-1到1之間取不同傾角的光脈沖,k也會(huì)隨著變化。事實(shí)上,隨著光脈沖方向的變化,任何小于光速的速度都可以成為不同慣性系中既定方向上恒定的速度基準(zhǔn)。這意味著同一慣性系中,不同方向光脈沖的時(shí)鐘不同,或換言之,不同方向光脈沖的速度不同。
2.3 邏輯學(xué)上的推論
邏輯學(xué)上關(guān)于“不一致”有如下推論:“若某邏輯體系不一致,則此邏輯體系可以推導(dǎo)出任何真或假的結(jié)論”。
相對(duì)論亦是如此。如果我們無(wú)視相對(duì)論邏輯體系的不一致,那么相對(duì)論可以推導(dǎo)出任何結(jié)論。如果我們只揀選其結(jié)論中符合現(xiàn)實(shí)的部分而不考慮其矛盾部分,那么相對(duì)論可以符合任何現(xiàn)實(shí)。以上面推導(dǎo)為例:當(dāng)需要光速不變時(shí),這本身是相對(duì)論的假設(shè),自然可以滿足;而當(dāng)需要經(jīng)典時(shí)空觀時(shí),相對(duì)論同樣可以給出經(jīng)典時(shí)空觀的結(jié)果。這就是為什么到目前為止,大量的物理實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象既可以用經(jīng)典時(shí)空觀來(lái)解釋,又可以用相對(duì)論來(lái)解釋的根本原因——雖然經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀相差極大。
當(dāng)相對(duì)論在慣性系中存在這些根本性問(wèn)題后,其在非慣性系也就不可能規(guī)避這些問(wèn)題。因?yàn)槠浔仨毎逊菓T性系問(wèn)題處理為局部慣性系。
3 炁模型對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的解釋
3.1 麥克爾遜干涉儀測(cè)光速實(shí)驗(yàn)
麥克爾遜干涉儀測(cè)試出光速在各個(gè)方向上均相同[3]。按照本文對(duì)炁的猜想,由于地球質(zhì)量太大,在近地表面吸附了大量的炁,形成與地面相對(duì)靜止的炁場(chǎng)。而麥克爾遜干涉儀測(cè)試光速時(shí)相對(duì)地面靜止,也就是相對(duì)其周圍的炁場(chǎng)靜止。而相對(duì)炁場(chǎng)靜止的參考系中,光速各向均相同。因此干涉儀測(cè)得的光速各向相同。
若要測(cè)試光速相對(duì)干涉儀是否可變,干涉儀必須要相對(duì)炁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。這要求在近地表面上干涉儀相對(duì)地面作高速運(yùn)動(dòng)。
3.2 sagnac實(shí)驗(yàn)
Sagnac實(shí)驗(yàn)就是在干涉儀相對(duì)地面高速旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)試光速[4]。由于炁場(chǎng)相對(duì)地面靜止,因此干涉儀相對(duì)炁場(chǎng)在做高速轉(zhuǎn)動(dòng)。按照前述關(guān)于炁的猜想,利用經(jīng)典的速度矢量合成法則可以精確計(jì)算出圓盤轉(zhuǎn)速與兩束光脈沖程差的關(guān)系數(shù)據(jù),這個(gè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
因?yàn)楦缮鎯x放置在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上,其相對(duì)轉(zhuǎn)盤靜止。如果以干涉儀建立參照系,則圓盤沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)。按照相對(duì)論,轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不會(huì)影響兩束光的光程差,但這不符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)。于是相對(duì)論主張此轉(zhuǎn)盤為非慣性系,不能按照狹義相對(duì)論那樣建立坐標(biāo)系來(lái)計(jì)算,而必須使用廣義相對(duì)論來(lái)計(jì)算。根據(jù)廣義相對(duì)論計(jì)算的數(shù)據(jù)也能相當(dāng)精確地吻合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但這事實(shí)上是因?yàn)樵趶V義相對(duì)論的計(jì)算中,假定了地面參照系為S慣性系,將轉(zhuǎn)盤分解為無(wú)數(shù)的局部慣性系。根據(jù)本文前面結(jié)論:“當(dāng)確定S慣性系的光速恒為c時(shí),慣性系中的計(jì)算結(jié)果將極其接近經(jīng)典時(shí)空觀下矢量合成的結(jié)果”,從而導(dǎo)致了廣義相對(duì)論似乎也可以解釋sagnac實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上,當(dāng)相對(duì)論如此解釋sagnac實(shí)驗(yàn)之后,即使人們?cè)僭O(shè)計(jì)干涉儀高速勻速直線運(yùn)行(以使得運(yùn)動(dòng)的干涉儀可以構(gòu)成慣性系,來(lái)適用干涉儀參考系中光速不變條件)的實(shí)驗(yàn),已經(jīng)沒(méi)有意義。因?yàn)闆](méi)有誰(shuí)能保證自己設(shè)計(jì)的高速勻速直線運(yùn)動(dòng)是沒(méi)有任何誤差的勻速直線運(yùn)動(dòng),而只要有誤差(這個(gè)誤差一定會(huì)產(chǎn)生,先不說(shuō)設(shè)計(jì)者的工程精度,單單說(shuō)地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)、太陽(yáng)圍繞銀河系轉(zhuǎn)動(dòng)),相對(duì)論支持者就會(huì)主張干涉儀參照系不是嚴(yán)格的慣性系,不能直接適用光速不變的假設(shè),而必須適用廣義相對(duì)論,從而得到與經(jīng)典時(shí)空觀下速度矢量合成同樣的結(jié)論。
從另外一個(gè)角度,我們亦可推斷:即使按照相對(duì)論,在人類所能觀察或制造的所有慣性系中,光速并非不變,而是符合矢量合成法則的。因?yàn)槿祟愑^察或制造的慣性系不能確保是絕對(duì)的慣性系,因而應(yīng)該適用廣義相對(duì)論的結(jié)論。換言之,人類無(wú)法觀測(cè)到光速不變的現(xiàn)象。
3.3 雙星觀察效應(yīng)
在遙遠(yuǎn)的星際,有A、B雙星相互圍繞旋轉(zhuǎn)。人們發(fā)現(xiàn)兩顆星的光線幾乎同時(shí)到達(dá)地球。然而,當(dāng)一顆星A逼近地球時(shí),另一顆星B會(huì)遠(yuǎn)離地球。假如光速遵從經(jīng)典的矢量合成法則,那么星A向地球發(fā)出的光相對(duì)地球的光速大,星B向地球發(fā)出的光相對(duì)地球的光速小。經(jīng)歷若干億光年到達(dá)地球后,兩束光應(yīng)該會(huì)有很大的光程差。這與觀察數(shù)據(jù)不吻合。所以人們認(rèn)為這驗(yàn)證了光速不變假設(shè)。
首先,按照本文炁的猜想,A、B雙星各自吸附了近地炁場(chǎng),因此在雙星的近地炁場(chǎng)中,的確星A向地球發(fā)出的光速大,星B向地球發(fā)出的光速小。但當(dāng)兩束光射出雙星的近地炁場(chǎng)后,將經(jīng)過(guò)相同的宇宙炁場(chǎng),此時(shí)兩束光的速度將相同,這保證了兩束光基本同時(shí)到達(dá)地球。
其次,即使按照廣義相對(duì)論,由于觀察者所在的地球不是慣性系,所以不能適用光速不變的條件,因此應(yīng)該是觀測(cè)不到雙星光線的速度相同的。所以雙星光線幾乎同時(shí)到達(dá)地球的現(xiàn)象亦不能證明光速不變。
參考文獻(xiàn)
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(作者單位:中國(guó)民航管理干部學(xué)院)