关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 电磁相对论

电磁相对论

电磁相对论

上传者: 冯天岳 2010-12-29 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《电磁相对论pdf》,可适用于高等教育领域,主题内容包含冯天岳!编著电磁相对论武汉出版社!"#$!"'()*,#$#',(':<)'<=>*!,!'$'"!":<'=A>BC:AB,CB,,DEF()G#符等。

冯天岳!编著电磁相对论武汉出版社!"#$!"'()*,#$#',(':<)'<=>*!,!'$'"!":<'=A>BC:AB,CB,,DEF()G#$H!,!#I!,D',JKL,MJNOPQRSTJ=)UVWX=J<=>>YJ<Z<$^,!'`,J!!,aJ!#"D!D!"D!!DEFFG)HHHHEIJKILM:::::::::::NMOPQ)RJKSHEIJKILMbcJdefgbchijJ$)klFJ""!MMT,!MM'',bmJJ,,!noJ!,!pqI,!,!pqI,obcrsJ!!!tuvwVxbyCzw{|}~€bh‚Kƒ„…!"#$'i目录第章名词与符号……………………………………………第章假设………………………………………………………惯性系平等假设………………………………………光速不变假设电磁相对性原理第章洛仑兹变换……………………………………………准备……………………………………………………洛仑兹变换公式………………………………………洛仑兹变换的条件…………………………………洛仑兹变换的目的……………………………………不可观测性……………………………………………剖析洛仑兹变换………………………………………洛仑兹变换的价值……………………………………一般洛仑兹变换………………………………………第章可观测量………………………………………………电磁事件………………………………………………同地性同地异时电磁事件…………………………………同时性…………………………………………………ii同时异地电磁事件……………………………………同时性和同地性的讨论………………………………同时同地电磁事件……………………………………第章光速合成………………………………………………光速的相对论效应……………………………………光速合成公式…………………………………………光行差…………………………………………………小结……………………………………………………第章抽象时空……………………………………………电磁时空的性质………………………………………抽象时空的意义………………………………………第章电磁动量………………………………………………电子的质量……………………………………………电子动量的洛仑兹变换………………………………中性粒子的动量………………………………………宏观物体的动量………………………………………质速关系………………………………………………第章电磁能量……………………………………………电子的电磁能质能公式质能关系参考文献………………………………………………………附录………………………………………………………………后记………………………………………………………………第一章名词与符号参照物电磁相对论中以光源或电磁源为参照物用来判别那个坐标系是运动坐标系那个坐标系是静止坐标系。正确的选择参照物是研究相对论的关键。观测信号电磁相对论中的观测信号是光。信号性质是电磁性质。信号速度是电磁场的传播速度。光是信号也是被观测对象。观测对象电磁相对论中的观测对象是具有电磁属性的客体和电磁现象。电子带有电荷具有电场参与电磁作用所以电子是观测对象。光和光源是观测对象。宏观物体及其运动生物学规律和生命现象等不是电磁相对论的观测对象。观测者电磁相对论中的观测者是人和电磁学仪器。观测者所在的坐标系应当是惯性系。观测者的位置很重要不同的位置将有不同的观测结果。静止坐标系S没有运动光源或电磁源的惯性坐标系叫静止坐标系也叫实验室坐标系。静止坐标系是观测者所在的坐标系应当是经典时空中的坐标系即宏观体系中的坐标系。静止坐标系用符号S表示其空间用x表示时间用t表示。S系中只有观测者没有被观测对象。因此只有在S系中才能观测到相对论效应。运动坐标系S′有光源或电磁源的惯性坐标系叫运动坐标系它相对于静止坐标系S作匀速直线运动也就是相对于观测者运动。用符号S′表示运动坐标系其空间坐标用x′表示时间坐标用t′表示。S′中的光源或电磁现象是被观测对象是具有电磁性质的微观客体。一般情况下S′系是依附在微观客体上的坐标系是近似的惯性系。S′系中不存在观测者只有被观测的对象。例如遥远发光天体退离地球的运动。这时地球是静止坐标系S遥远发光天体是运动坐标系S′确切的说是随天体一起运动的发光原子。在遥远天体上不存在观测者只有被观测的对象在地球上没有被观测对象只有观测者。相对运动速度v相对运动速度是指S′系相对于S系的相对运动速度即相对于观测者的速度是匀速直线运动的速度。用符号v表示。有时v也是即时速度或瞬时速度。有些情况下变速运动的某一微小区域内其平均速度也可看作是近似的匀速直线运动。这里的速度大部分情况是指速率因为我们研究的运动一般都是沿坐标轴X方向的运动。惯性系某一系统相对于参照物作匀速直线运动那么这个系统就是惯性系或惯性坐标系。按照这样的定义参照物必须是近似的惯性系。如何判断参照物自身是惯性系要靠相对性原理。某些微观客体的运动近似于匀速直线运动时可以把它当作惯性系来处理。惯性系是一种近似大都是局部区域。惯性原理在惯性系中相对性原理一定成立反之相对性原理成立的系统一定是惯性系。这就是惯性原理。由于是原理性质的所以正反两种说法都是无法证明的。但它不同于能量守恒原理和质量守恒原理因为它只适用于惯性系。惯性系与相对性原理是互相依存的两个概念两者是一个整体。今后一提到惯性系就默认相对性原理成立只要相对性原理成立一定是惯性系。惯性系平等一切惯性系对力学现象是平等的一切惯性系对电磁学现象是平等的。惯性系平等是指所有惯性系对同一电磁事件有相同的描述而相对性原理是每个惯性系对自身的考察。对于观测而言S系与S′系是不平等的前者是观测者后者是被观测对象。标准钟和标准尺标准钟和标准尺是对惯性系而言的。由于假设了惯性系对力学现象和电磁现象都平等所以S′系与S系应当使用相同的时钟和相同的尺也就是它们有共同的时间标准和统一的长度标准。标准长度:刚性米尺。S系中原子发光的波长。标准时间:机械钟。S系中的原子钟。本征值在静止坐标系S中用标准尺和标准钟对电磁现象A的时空进行观测观测的结果是数值x和t。假设S′系中有观测者他对S′系中的电磁现象A进行观测其结果也应当是数值x和t。也就是说不会因为S′系相对于S系的运动而改变。其中x和t叫本征长度和本征时间统称本征值。本征值的含义是观测者与被观测对象处于相对静止状态下的时空坐标数值。电磁事件事件:指时空坐标组。例如:(x,t)(x′,t′)。间隔:同地发生的两事件之间的时间间隔。间距:同时发生的两事件之间的空间距离。间隔和间距是相对量具有观测意义。空间与时间物质本身是没有间隙的是一种物质挨着一种物质的。由于物质的疏密不同使人产生了空间的概念。所以说空间是经验的。时间不是物质。人们在比较物体运动快慢时得到了时间概念。时间是经验的和抽象的。空间和时间都是经验的经验是绝对的是不会变的。特别是假设了惯性系平等之后使得经验的绝对性更为合理。例如一个人在某个惯性系中获得了时空经验当他进入另外一个惯性系后他的时空经验是不变的。不存在时空经验的收缩或膨胀。不存在一会变得年老一会不会变得年青。经验不是速度的函数。经过几十亿年的获得性遗传人类对空间和时间有了先验性。时空物理上一种时空代表一种时空坐标变换。类似于数学中一种空间代表一种运算一个运算系统或运算结构。经典时空对应于伽里略变换电磁时空或四维时空对应于洛仑兹变换。同时时空也是通用名词它代表时间和空间譬如时空坐标时空观等等。经典时空经典时空的特殊性在于人类生活在其中。人们可以亲身体验伽里略变换这使得经典时空成为现实的宏观环境。牛顿力学是经典时空中的力学规律。人们观测到的电磁现象或是电磁现象发生变化的时空都属于经典时空。抽象时空物质的性质和物质的运动反映到人的思维中形成了一些抽象的概念和规律。其中时间和空间的规律是最基本的这些概念和规律的总体叫抽象时空。抽象时空只存在于人的思维中。抽象时空的意义在于区分出物理量的可观测性和不可观测性。可观测性的内容对实验物理非常重要不可观测性的内容对物理学理论非常重要。抽象时空的概念不仅是相对论的理论工具同时也是物理学基础理论研究的工具。如同数学中出现了抽象抽代数一样。经典时空也是抽象时空但由于经典时空的特殊性使它成为现实的时空。洛仑兹变换与抽象时空洛仑兹变换中的空间坐标和时间坐标只具有变换性不具有可观测性所以叫作抽象时空。但是从洛仑兹变换推导出的结果具有可观测性。时空的洛仑兹变换是物理学中典型的抽象时空。四维时空洛仑兹变换推广为四维后使电磁时空成为抽象四维时空简称四维时空。不过原来的电磁时空也含有抽象的意义。时空的独立性经典时空中的规律不可用于电磁时空电磁时空的变换规律不能应用于经典时空。这就是时空的独立性也叫系统的独立性因为每种时空形成一个封闭的体系或系统。电磁现象电磁规律在经典时空中表现为电磁现象。电磁现象是可观测的。抽象电磁时空是不可观测的。电磁现象不一定都遵从洛仑兹变换所以电磁现象不等于电磁规律电磁规律一定遵从洛仑兹变换。现象与时空是不同的。电磁时空电磁时空是双关语一方面是用来区别经典时空和电磁时空或者说是区别力学现象和电磁现象。另一方面电磁时空是四维抽象电磁时空的简称即遵从洛仑兹变换的时空。从电磁现象中抽象出来的规律如电磁场方程属于电磁时空中规律。或者说电磁学中的物理量所遵循的时空规律属于电磁时空。电磁铁周围的空间既是电磁空间也是经典时空的空间。类似的还有电磁波传播的空间等等。电磁波本身的时空规律是电磁时空而不属经典时空。人们无法直接进入电磁时空和原子空间。属性属性也叫物理意义。属性是用来区分物理量和公式的物理意义以便恰当的使用物理概念和物理公式。例如:汽车行驶米与光运动米从性质上说是完全不同的。汽车的米遵从伽里略变换而不遵从洛仑兹变换光运动的米遵从洛仑兹变换而不遵从伽里略变换。这种区别的重要性在电磁相对论建立之后才凸显出来。观测效应举一个例子说明什么是观测效应。在夜晚用手拿住光源以手臂为半径划圈远处的观测者将会看到一个圆形的光圈。这是视觉暂留造成的观测效应。上面的例子中除了有视觉暂留的原因之外还有一个原因是观测者与光源之间存在着相对运动。如果观测者跟随光源一起运动将看不到光环也没有观测效应了这一点很重要。再举一个例子人的生命是一个演化过程假设人的平均寿命是年。有一位观测者在距离地球很远的地方观测地球上人口的总数他会发现在一定的期间内人口的总数不是常数而是在某一数值(岁)附近摆动这个数量的波动叫演化效应。演化效应是观测效应的一种又如类星体视星等的弥散。在电磁学中和力学中都有观测效应。观测效应的特点是观测它它就有不观测它它就没有。效应不是实在是存在。实在和存在是并行的是同时存在于宇宙中的。效应是可以感知的它不同与精神。精神与物质是平行的存在于宇宙之中抽象时空是精神世界的一个子域。相对论效应相对论观测效应是观测效应的一种是由惯性系的相对运动速度引起的。相对论效应只在电磁现象中出现也在微观粒子的相互作用中出现。在牛顿力学中没有相对论效应。但是用光信号观测力学现象和宏观物体的运动将产生视觉形象问题。这种情况下要对光信号进行洛仑兹变换从而产生光信号的相对论效应。这不是力学本身的相对论效应。第二章假设电磁相对论有两个基本假设惯性系平等和光速不变假设。本书不把相对性原理作为单独假设而是把相对性原理与惯性系结合在一起采用惯性原理的说法。只要是惯性系则相对性原理一定成立只要相对性原理成立则一定是惯性系。惯性系平等假设惯性系平等是指两个惯性系之间的关系在什么情况下两个惯性系平等在什么情况下不平等。惯性系平等无论惯性系之间是相对静止还是相对运动它们都是等同的这就是惯性系平等。这使惯性系的概念绝对化了从而避免了不应有的悖论。例如惯性系S′系中有一电磁现象无论S′系是静止还是惯性运动都不影响该电磁现象。所谓静止和运动都是相对S系而言。本征值(绝对量)图中S系与S′系的原点重合从原点发出光矢OA。S系和S′系中应有相同的OA如图所示。图图和图表明两个惯性系在相对静止情况下它们互相平等并且有下面的关系:S′A′O′x′B′SAOxBS′x′O′SAOxB图AOOABOOBxx()当S系与S′系相对运动时如图所示。根据惯性系平等关系式()仍然成立。上图中光矢量OA与O′A′是相同的即把它们叫本征值或绝对量。O′A′的投影O′B′也是绝对量。观测量事实上当S系与S′系相对运动时如图所示。AOBA′vO′B′S′图SAOBA′vO′B′S′图SS系中的观测者观测S′系中的O′A′时得到的结果是O′A。于是在S系看来有:AOOABOOBxx()显然关系()与关系()不同了。本来绝对相等的量变得不相等了如图所示。图中O′A应当是S′系中的O′A′但是它在S系中表现为O′A。O′A不等于OA叫观测效应。O′A叫观测值。注意:S′系中不存在O′AO′A只是S系中的观测值。S′系中只有图中的O′A′。可以看出就观测地位而言S系与S′系是不平等的。一个是观测者一个是被观测对象。解读惯性系平等很明显惯性系平等必须有两个惯性系这是与相对性原理不同的地方。S′AOBSO′图()惯性系全同惯性系平等的重要理念是S系与S′系是全同的无论它们之间是否存在相对运动。()观测效应从惯性系平等得到的重要结果是当惯性系之间相对运动时将产生观测效应。()惯性系不平等从惯性系平等得到的最重要的结论是对于观测而言惯性系是不平等的。S系是观测者S′系是被观测的对象。两者的地位是不允许互换的不允许S′系对S系观测或者说这样的观测没有意义。()绝对量惯性系平等中的绝对量就是本征值的概念。()惯性系平等的真谛首先认定AOOA(图)。然后认为AOOA是观测效应从而建立了洛仑兹变换。光速不变假设光速不变的两种说法()惯性系内在某一惯性系内光速是常数。例如地面是惯性系光对地面上一切静止物体的速度是常数c。在地面上运动的汽车中光对汽车的速度是c。()惯性系之间光对任何惯性系的速度都是常数c。这种说法的结果是光对地面的速度是c光对运动的汽车的速度也是c。第一种说法比较容易接受。第二种说法不容易接受因为它不符合逻辑也就是不符合思维的基本规律所以只能作为一种假设。通俗的说法是谁是惯性系对谁就是c。众所周知速度的大小必须有参照物光速的参照物本来是以太现在改为惯性系。惠更斯原理是波前可作为新的光源。由此联想到光速不变是惠更斯原理的延伸。任何惯性物或惯性系都可当作一个新的光源新光源发射的光一定是光速。光速不变与惠更斯原理的区别是光速不变是对所有惯性系而言。为了叙述方便本书中把这一假定简称为“光速不变”。光速不变的解说()迈克尔逊莫雷实验用光速不变假设解释迈克尔逊莫雷实验是最简便的方法。反之光速不变假设的根据就是迈克尔逊莫雷(MichelsonMorley)实验。()假设性迄今人们无法说明这个假定是正确的也无法说明这个假定是错误的所以作为假设是合适的。()实用性这个假定具有实用性和现实性。即使将来有了正确理论那么光速不变假设作为新理论的一级近似一定是合理的。如果将来发现以太介质那么真空中的光速不变也是成立的。其实物理学中没有精确证据否定以太的存在。()正确性根据这个假设建立的理论能够处理高能物理现象。可以这样说实践证明这个假设所得到的结论是正确的。当然这不代表假设本身一定是精确的。()电磁属性光速不变是电磁时空的属性用经典时空的观点来理解是不行的。()与光源无关理论上场的传播速度是由场的物理性质决定的与光源的运动无关。既然假定了光速对任何惯性系都是常数那么势必认定光速与光源运动无关否则假设将失去作用。()观测性光速不变假设是观测性质的它是基于观测的结果而不是理论的需要。光的真实传播速度没有人能够知道当人们对它测量时它就是常数c于是就有了光速不变假设。观测性与理论性的区别在于观测性的假设是可调的。当我们使用非电磁信号且速度大于光速时假设的近似程度将显露出。光速不变的应用:不变量从惯性系平等我们得到两个重要的概念:本征值和观测值。当进行观测时本征值的数值发生变化。那么有没有不变的量呢?数学上有物理上没有。物理学是一门近似的科学所有的量和公式都近似的。物理上只有不变的关系找到一种不变的关系就可以建立一种时空。在图中由光速不变得到下面的关系:tcOAtcAO不变量的形式为AB。这个不变关系式经过数学处理之后可以得到与坐标系转动不变量相同的数学形式。于是借助坐标系转动不变量的数学公式很容易导出洛仑兹变换公式。电磁相对性原理对电磁现象进行测量必然用电磁信号从而形成电磁闭合回路。由于是惯性系即匀速直线运动所以无法区分静止或运动。这是无法摆脱的事实是惯性系的属性不须单独作为一个原理。第三章洛仑兹变换准备洛仑兹变换是电磁相对论的理论支柱。本书将以洛仑兹变换为主线贯串始终。电磁相对论基本思想先有绝对才能有相对没有绝对就不会有相对。从这个意义上说相对论是建立在绝对论的基础上。如果大家都是相对那么必然陷入相对主义。从惯性系平等假设知道了什么是本征值即绝对量。以及本征值在观测中发生变化出现了观测量。()本征值与运动无关电磁相对论认为根据惯性系平等假设关系()在任何情况下都成立无论S′系是静止还是运动。这是电磁相对论的基本思想之一。()相对论效应图中S′系中的本征值OA或O′A′在S系中发生了改变(图)。电磁相对论认为这种改变是由于惯性系之间相对运动速度引起的把这种效应叫作电磁相对论观测效应简称相论效应。这是电磁相对论的基本思想之二。S系中的光矢量和光影在S系中光波从O点发出经过时间t到达A点光矢为OA。A在X轴上的投影是B点即光波从A发射到B发射方向重直于X轴。OB是OA的光影OB=xA点的坐标为A(x,t)光影点B在X轴上的移动速度称为光影的速度它永远小于c因为速率取决于路程和时间的比。路程OB小于路程(OAAB)但它们所对应的时间是相同的。注意光是从O发出到达A再从A到B。x′xAXSS′O′vBX′O图S系中的光影与光矢不同步光影点B与A不对应或不同步这是很重要的事实。原因是光的传播从A到B不是瞬时的。只有当OA很短或是OA的方向近似于OX轴的方向B点才近似是A点的投影。S系中的观测者S系中的观测者观测到S′系沿坐标轴X方向运动经过时间t后S′系的原点从O运动到O′的位置。S′系中的OA变成了S系中的O′A。并且O′AOA电磁相对论认为OAO′A是一种相对论观测效应。这种效应只能是S系中的观测者对S′系中的电磁对象进行观测时才能在S系中被观测到。因为S系中的观测者既可以观测到自已坐标系中的OA又可以同时观测到O′点上的光源的移动。我们的任务是找到OA与O′A之间的数值关系。S′系中的观测者假设S′系中有一位观测者他将看不到OA用仪器也检测不到OA的存在。OA对于S′系中的观测者来讲是根本不存在。原因是S′系一旦运动S系是一个空的坐标架没有光源和电磁源坐标轴不会发光等于说S系中没有被观测的对象。S′系中不应当有观测者即使有观测者也毫无意义。这是电磁相对论与其它相对论的区别。对于观测相对论效应这一目的而言S系与S′是不平等的。因为只有S系中的观测者才能够观测到相对论效应。在一维中求O′A在一维情况下认为光点A与它的投影点B近似重合即OA=OB=x在S系中(图)有tcxtcx注意到O′A在S(S′)系中是O′B=x′。x′应当对应XOO′SS′AX′x′xvB图于t′所以在S系中还应当有tcxtcx我们看出tcxtcx是不变量形式其形式为A-B。上面的形式使我们想起坐标系旋转不变量A+B。在坐标系旋转公式中恰好包含x与x′的关系即OA与O′A的关系。我们单纯从数学上考虑只要能够找出x与x′的数值关系即可那么不妨利用坐标系旋转不变量的公式求x与x′之间的联系。为此只须把–ct变为正项。洛仑兹变换公式本书采用初等几何学方法推导简单直观。坐标系旋转不变量下图中矢量OA的模是坐标系旋转不变量。yxyxOA(x,y)与(x′,y′)的变换关系已在附录A中推导出。它们的变换关系式为sincosyxx()sincosxyy()tantansintancos()上面公式中x与x′的关系将用于推导洛仑兹变换。推导洛仑兹变换公式为了应用上面的公式须使–ct变为正值故设tciu()YY′XX′Ax′xy′yOtcu于是uxtcx不变式的形式从A–B变为x+u。借用坐标系旋转不变量的公式用下面的方法求出洛仑兹变换公式。对于x+u公式()和()式变为sincosuxx()sincosxuu()现在我们看一种特殊情况。在图中光矢OA的方向几乎与Y(Y′)轴平行这时可以近似地把A点看作是在Y′轴上于是有近似关系:AY′S′SO′Ox=vtx′=XX′v图x和tvx()把()式代入()式中求出uxtan()把()和()式代入()式中得到cvitan()再把()代入()式中()式变为sincvcvicoscv把上面两个式子代入()和()中得到cvucvixx()cvxcviuu()最后把u还原为t即用tciu代入上式导出cvvtxx()cvxcvtt()公式()和()是洛仑兹变换公式。当S′系沿OX轴逆向运动时而且光源也是沿OX轴逆向运动时如图所示。应用相同的推导方法仍然可以得到公式()和ASvBOS′X′XO′x′xvtS′图()。很明显只要光源的运动方向与光的发射方向相同就会得到光影收缩的结果。光影膨胀的公式如果光源的运动方向与光波的发射方向相反如图所示则有xCBxBOxx上面的结果是S系中的观测者在自已的S系中观测到的。相当于S′系的光影比S系中的光影大即光影膨胀。光影收缩或膨胀都是相对论效应并不代表本征值的实际变化。从图和图看出光源的运动方向和光波的发射方向将影响观测的结果但是这个结果只ASvBOS′X′XO′xvtS′Cx′图具有理论意义。类似于前一节的推导方法可以求出公式()和()如下:cvvtxx()cvxcvtt()实际上只须把(x–vt)换成(xvt)。上面的公式说明光源的运动方向和光的发射方向对观测结果有影响。把上面几个公式合在一起为cvvtxx()cvxcvtt()重要提示:我们能够观测到光影的收缩和膨胀吗?我们不能。一方面坐标的绝对值没有测量的可操作性即没有可观测性。另一方面上面的公式只具有理论意义因为它们是抽象时空中的量。我们将设法从上面的公式导出具有可观测意义的相对量(第章)。洛仑兹变换的条件从几何学上看OA是一个矢量它的坐标分量具有关系()和关系()是完全正确的但这只是数学上的正确。如果把关系式()和()应用到物理上则不一定正确。我们在推导洛仑兹变换的过程中默认()和()是精确的。因此有必要审查一下()和()式应用于物理现象时它们是否精确。局域性和近似性我们已经注意到图中的A与B是不对应的或不同步的。原因是光波从A到B的传播速度不是瞬时。只有当OA很短B点才近似是A点的投影。很明显关系()和关系()的成立条件是:OA必须非常短这就是洛仑兹变换的前提或条件。这个条件表明洛仑兹变换只有在局部区域内才是近似的成立如同微积分或微分几何那样。所以洛仑兹变换具有局域性和近似性。显然在微观情况下局域性比较容易得到满足宏观情况下只有少数情形可以满足局域性。洛仑兹变换是光影的变换图中xOB和xBO都是光影。洛仑兹变换的实质是光影的变换。当OA的方向指向OX方向时洛仑兹变换可以近似当作一维光矢的变换或光程的变换如图所示。上述条件决定了洛仑兹变换的应用范围必须是电磁性质的对象如光波电磁场的传播。惯性系洛仑兹变换公式只适用于惯性系。确切的说是局部惯性系因为必须满足局域性。从各方面来说洛仑兹变换不能应用于宏观物体及其运动更不能应用于生物和人体。以光源为参照物应用洛仑兹变换必须以光源为参照物区分运动坐标系与静止坐标系。这不仅是应用洛仑兹变换的基本方法也是电磁相对论的基本观点与其它相对论的本质区别就在于此。从图中看出光源是在S′系中并且随S′系一起运动光源未随S系一起运动可见两个坐标系是有区别的。物理量的洛仑兹变换适合洛仑兹变换的物理量必须是电磁性质的物理量而且是矢量。该物理量的传递速度应当是光速。物理量的变化必须在极小区域内完成。电磁动量符合洛仑兹变换条件参阅第章。洛仑兹变换目的洛仑兹变换的目的是计算相对论效应。相对论效应相对论观测效应是观测效应的一种是由惯性系的相对运动速度引起的。前面推导出的x′和t′代表相对论效应。表面上它们用S′系中的符号实际是S系中的数值。由于观测者只能存在于S系中所以相对论效应也只能在S系中表现出。这就是S′系中不存在相对论效应的原因。于是得到重要结论:从(x′,t′)求(x,t)是没有根据的。计算相对论效应洛仑兹变换的目的是求x′和t′这也是电磁相对论的目的。我们已经推导出洛仑兹变换公式如下:cvvtxxcvxcvtt上面两个公式的意义是:已知(x,t)求(x′,t′)这符合洛仑兹变换的目的。从(x′,t′)求(x,t)是错误的。下面就这个问题进行详尽的说明。为了说明问题假定S′系中有一位观测者在他看来S系的运动方向是沿X′轴的反方向运动(图)也就是沿–v的方向运动。根据这一方向求出cvtvxx(A)cvxcvtt(B)公式(A)、(B)的意义是已知),(tx求),(tx从已经观测到的相对论效的数值求本征长度和本征时间。这样的计算方法是无法完成的理由如下:()本征值(x,t)必须是已知数必须事先知道(x,t)才能进行观测。观测到的结果与(x,t)进行比较得出相对论效应的具体数值(x′,t′)。()(x′,t′)是未知数如果事先不知道物理量的本征值(x,t)那么即使观测到相对论效应也不知到是不是相对论效应更不可能知道(x′,t′)的数值。可见从(x′,t′)求(x,t)是不切实际的。()单值性公式()中x与x′之间的关系是),(vxfx由于上式中x的数值是已知的所以x′与x之间是单值关系这是正确的方法。对于公式(A)有),(vxfx其中x′的数值是未知数是可变的。因此x不具有唯一的确定值也就是x与v不是单值关系。显然公式(A)没有任何物理意义。另一方面如果不事先知道本征值即使猜想到观测的结果中有相对论效应也确定不了x′的数值。例如我们观测到遥远天体的光谱线但不知该光谱线在实验室中的位置是多少那么我们将无法确定观测到的光谱线是红移还是蓝移更无法确定光谱线的移动量是多少即相对论效应是多大。以上任何一条理由都说明公式(A)、(B)是错误的其原因是思想方法出现了错误。从洛仑兹变换的目的来讲公式()、()、()、()是唯一的不可逆的。知道了相对论效应和洛仑兹变换的目的我们得到了两个重要的概念:在S′系中不应当存在x′和t′。不存在S′系对S系的观测只能是S系对S′系的单向观测。电磁相对论不是坐标系之间的互相观测不是两个坐标系观测同一电磁事件不是两个坐标系的坐标无条件的互相换来换去。不是你看我我看你。不可观测性洛仑兹变换是电磁信号的时空变换变换的本质是时间绝对值和空间绝对值的变换。时空绝对值的测量是不具有可操作性的因此洛仑兹变换的结果不具有可观测性。例如图中的OB和O′B我们无法同时测量电磁信号两端的信息即测量单向光线的长度而洛仑兹变换中的空间坐标正是光线的长度。另一方面电磁时空属于抽象时空洛仑兹变换是抽象的变换规则应当是不可观测的。洛仑兹变换剖析通过对洛仑兹变换的剖析将使我们对它有更真实的了解从而更深刻地认识电磁相对论的本质。建立过程图中S系中的光矢OA在S′系中为O′A′OA等同于O′A′。当S系中的观测者对S′系中的O′A′进行观测时观测的结果是S系中的O′A。O′A与OA不同它们之间的变换公式即洛仑兹变换。洛仑兹变换的错误()从附录B和附录C知道O′A与OA之间毫无关系图中的O′A是虚构的。因此洛仑兹变换公式的建立一开始便是没有根据的。x′xAXSS′O′vBX′OA′图O()S系的观测者认为S′系中的观测者能够观测到O′A这是一种错觉。假设S′系中有观测者那么他只能观测到O′A′绝对观测不到O′A。O′A是根本不存在的完全是S系中观测者的想象。()S系的观测者认为光从O′到A的光速为c是没有根据的。只能假设光从O′到A是光速c即光速不变假设。既然是错误的假设为什么还有正确的结果呢?这是因为这样的假设近似地符合实际情况。这就是洛仑兹变换的真谛。洛仑兹变换真谛在图中S′系中的O′A′与S系的OA是全同的这是基于惯性系平等。()电子的运动速度v<<c当O′点在O点的附近如O点这时A′点也很靠近A点。在这种情况下认为O′A′近似等于O′A是允许的相当于把O′A与OA看作是从同一地点O发出的。这就是说当相对运动速度v很小时洛仑兹变换是近似成立的。这种情况相当于电子的高速运动。()电子的运动速度vc当电子的速度vc的种情况下只有O′在O的邻域之内并无限接近O时A′点也无限靠近A点。这样才可以把O′A与OA看作是从同一地点O发出的。意味着局域性的要求更为严格。电子内部电磁场的变化如电磁动量的变化即属于这种情况。洛仑兹变换的价值第一是找出相对量第二是建立相对论力学。推导出相对量洛仑兹变换公式本身并无观测价值但是由它导出的相对量却有观测意义。这部分内容将在后面的可观测量一章说明。建立电磁相对论力学根据中所说的洛仑兹变换适用范围电磁动量符合洛仑兹变换条件。根据电磁动量的洛仑兹变换导出相对论力学是它最重要的价值参阅第章。观测效应在物理学中在天文学中早就有观测效应这一名词。但是并未引起人们的重视。然而在洛仑兹变换的推导中由于O′AOA起到了关键性的作用或不可替代的作用使人们认识到观测效应这一概念的重要性。观测效应对实际观测和理论分析都有重要意义。观测效应为建立抽象时空起到关键性的作用。时空映射洛仑兹变换能够把电磁时空中的规律映射到经典时空中。使我们通过电磁现象认识电磁学的规律。它是一个映射工具如图所示。我们无法进入电磁时空中。例如跑到电磁场里随电磁场的变化运动也不能跟随电子一起运动。虽然不能亲身感觉抽象时空但是抽象时空的规律能够用映射人洛仑兹变换映射电磁时空电磁规律经典时空电磁现象图工具反映到我们生活的时空中。通过洛仑兹变换使我们认识到电磁时空的存在。建立抽象电磁时空有了洛仑兹变换之后再根据O′AOA是观测效应的观点建立了抽象的四维电磁时空。从电磁时空对电磁规律描述的有效性看出洛仑兹变换确实是电磁学的工具从而确立了洛仑兹变换在电磁相对论中的地位。由于电磁相对论在电磁学和量子论中的重要作用使得洛仑兹变换在物理学中的重要地位得到确认。界定时空性质这里所说的时空性质是指抽象时空。由于时空的性质不同所以不同时空之间是不能随意过渡的更不存在什么高速度向低速的过渡。例如:()狄拉克方程是抽象电磁时空中的方程。薛定谔方程不是洛仑兹协变它不是抽象电磁时空性质的方程。因此狄拉克方程向薛定谔方程过渡出现错误是可以理解的其实按电磁相对论的观点这种过渡是不符合时空独立性的或者说过渡是错误的。这正是出现克莱茵(Klein)佯谬的原因。描述一部分电磁现象的方程不一定是电磁时空中的方程。氢原子能级不完全是电磁学性质的。()用局部惯性系的方法融合狭义相对论与广义相对论是不现实的或者说为时尚早。只有等到引力场与电磁场统一之后才有可能进行相对论的统一。洛仑兹变换不是真理。认为物理学中的公式和方

用户评论(0)

0/200

精彩专题

上传我的资料

每篇奖励 +2积分

资料评价:

/25
仅支持在线阅读

意见
反馈

立即扫码关注

爱问共享资料微信公众号

返回
顶部