对相对论的一个补充
这里先让我们来找到相对论成立的一个关键点。从我们最熟悉的普通高三教材上所举的例子来讲述吧!
一列火车之上,车厢顶上的一束激光灯,在列车运行的过程中,向下发射一束激光。这就是一个很简单的场景,但这对处在不同位置上的人来说,所看到的结果是相同的吗?比如,站在列车上的人会看到光束是直上直下,没有发生倾斜。因为两者没有发生任何在列车运动方向上的移动,这和我们多数人的认知差不多。但,站在列车外的人看到的又会是什么不一样的景象呢?由于列车的运动,站在列车外的人看到的光是发生倾斜的。这样在光由车厢顶到车厢底的过程中,他就会认为光走过的路程要比列车上的人所认为的长(两个路程与列车移动的距离之间可以组成一个直角三角形)。
而这里所要的前提,就是光的速度是在任何情况下都是不变的!即光速不变论!这样就可以根据两个路程差简单的推导出相对论中关于时间的公式!推理如下:
;其中表示列车上人们的时间,t表示的是列车下人们的时间,c是光速,v是列车前进的速度。
得出的结论是t=
这里得出的结论和相对论中时间的公式是相同的。从根本上来说它的前提光速不变也同样来自于相对论!甚是在当时我也非常感叹,相对论竟然可以这样简单的推论出来啊!
到这里,我们的思维都是跟着别人的想法一步一步在走。可是,后来我在一次被太阳光炫目的时候,突然想到阳光在穿过地球大气层的时候,光子会不会随着地球的自转而产生移动呢?还是像地球没有自转和公转一样,阳光只是经过折射就已经决定所要到的地点了?亦或是折射后的光子会随着地球的自转而产生一个很小的位移,而不是经过折射就已经决定光子到达的位置了。
先说第一种情况。那就是假设,光子会无视地球的自转(或公转)而不改变自己的位移。那么,在上面所说的列车移动的时候,列车的移动并没有带着光子移动。也就是说,列车里的人是看到的光线也会是直线,因为没有加上列车的移动速度。但列车为的人在视觉上应该会产生光线倾斜的情况,因为这是多个光子所产生的把戏。
如果我们单独考虑一个光子或者是一小段光束的情况,不论在哪个位置所看到的情景都应该是相同的!所以在这一种情况下爱因斯坦的相对论就没有什么用武之地了!但,这只是一种错误情况,这里说出来只是为了对比下面的情况,让它更易理解而已!
下面,我们来说说第二种情况,就是光子,光线是随着一些物质或空间的移动而移动着的。这个就简单了,由于光子随着列车的移动而移动,列车上的人观察到的自然只能是光的直上之下运动,而列车外的人看到的绝对是相对于列车上的人倾斜的光线了!这里你会说,这不就是我们所要的结果吗?是啊,这完全符合我们所说的条件和公式要求?可是,关键就是光速不变理论上!
这里虽然,光的速度在光的传播方向上速度没有增加,但它的移动就有了列车移动的影子了。它的横向移动,就应该加上列车移动的速度。这里就是,光虽然神奇,可是同样也是作为物质,作为能量存在着。所以,它跟着列车在一起移动速度也许已经变了!
这就是我们所要说的关键点了!认可不认可光的速度是变化的!如果我们认定光随着列车的移动并不影响外界对光速度的认定,那么光的速度就是不变的。那么,就要在所有的物理量当中找到一个变化的量来。爱因斯坦所找到的就是时间。这里我们先不说出反对的理由。下面,我们来详细介绍一下这个可以取代相对论的理论。先说一下它的理论基础吧!希望聪明的你可以鉴别一下。
这个基础就是粒子除了正常释放光子之外,还在时时刻刻释放着能量(也可能是比光子包含能量更小的粒子),去维持粒子自己周围的场(重力场),只是我们未曾意识到而已。那么我们又是怎么知道粒子在时时刻刻释放着能量呢?这损失的能量又是什么呢?又被做什么的用处了?
我们还是从场的方面来解释吧。想象一下,当一个粒子受到万有引力的作用而加速运动的过程中,它的动能来自于另一个粒子(即形成重力场的粒子)。这个受力粒子从一个位置移动到另一个位置,从而获得动能。在这个时间内,形成重力场的粒子肯定是在着损失能量。是否可以理想的认为形成重力场粒子损失的能量就等于移动粒子所获得的动能。再接着继续想象,在同样的时间,同样的场内放上一百个大致相同的粒子。让它们和上句说到的那个粒子,走几乎相同的轨迹。那么这一百个粒子中的每个粒子都将获得同上面场中只有一个粒子时,那个粒子大致相等的动能。
那么,这一百个粒子所获得的动能又是否等于这个特定时间内形成重力场的粒子损失的能量。再顺着思考下去,假设在这个同样的场中放上无数的粒子,当然前提依旧是不变,依旧是在同样的时间段内,它们所得到的动能之和是否依旧等于形成这个场的粒子,在这个时间段内所释放的能量呢?我相信你也一定会有这样的疑问,难道粒子释放的能量是在变化的。也就是说在同样的时间段内,粒子释放的能量却是不同的。如果真是这样,会有什么样地后果呢?而且它又是怎样去控制哪个时间段释放的能量多,哪个时间段释放的能量少呢?
首先,它必须可以感受场中有粒子的存在,它必须感应到场中是一个粒子,还是上百个粒子,这点咱先不说有多难。其二,就是这预示着粒子的原子能并不是那么的稳定的,它会随着场中粒子的个数来改变自己释放的能量。这无疑是一种灾难。因为那样的话就显示出,粒子的原子能是可以随意的释放的。这样只需在场中多放上几个粒子,就可以让原子释放的能量多出好几倍。粒子的稳定性就变的差多了,甚至变得可以轻易地把自身的核能释放掉,显然这也是不可能的。如果真的是那样,那就真的就没有现在的这个世界了。
那么怎样解释这一点呢?答案只有一个,也很简单。就是粒子是在不断地释放能量,但是在相同的时间段内粒子释放的能量几乎是不变的(在不过多考虑外在因素的影响下,它所释放的能量随时间是固定量的)。也意味着即便是场中没有粒子,粒子依旧在损失能量去维持自身场的正常存在。这就是说,现实中的粒子(这里所说的不包括光子,这种粒子的特殊性后面会提到),时时刻刻都在释放能量去维持周围的场,不论是重力场,电磁场,或者什么场。还有就是不论多少个粒子放在场中,形成场的粒子所释放的能量,在单位时间内是没有变化。
这里还有一点就是,不同的粒子在单位时间内所释放的能量是不是相同的?其实,粒子的不同,它所释放的能量在单位时间内的多少自然是不会相同的。这个简单到只要看场的强度就可以知道了!粒子不同,引力场的强度是不一样的,这就取决于粒子释放能量的多少。两者,一个是因,一个是果。
上面所说到的,粒子在时时刻刻不间断的释放能量。就是在这里所要说到的理论了。但你也许会说,这和相对论有什么联系吗?有,但它首先要和速度联系到一起。
这个问题就是,速度,会不会改变粒子(上面所提到的)释放能量的多少?速度会不会让粒子单位时间内释放的能量减小呢?或者说成是阻碍粒子的能量释放呢?答案自然是肯定的,那就是会,速度会使粒子单位时间内释放的能量减小!这时,它就可以和相对论的结论联系在一起了。
先来说一说一个证明相对论正确性的实验。用做实验粒子的是所谓的μ介子。它们是由宇宙中快速运动的质点(主要是质子),已近光速向地球大气涌来,与原子核碰撞而产生的。被撞到的原子核发生了爆炸,就像放烟花一样又产生了一群新的粒子,它们继续向地球表面飞驶。这种簇射现象可以借助特制的探测器得到证实。
在这场粒子雨中,也有一些μ介子,它们根本就是不稳定,以半衰期仅为百万分之1.5秒的速度衰变。半衰期的意思是比如一个整体中有1000个粒子,在半衰期后有一半衰变了。在剩下的一个半衰期中,剩下的500个粒子衰变后只剩下250个粒子,以此类推。
物理学家们都知道,μ介子产生于近30公里的高空并以近光速的速度向地球表面飞来。在一次半衰期之后,也就是百万分之1.5秒之后,它们才会飞出450米,也就意味着在30公里的距离之后,几乎所有的μ介子都已衰变了。然而,在地球表面却还能证实到它们的存在。这怎么会呢?相对论给出的答案是:μ介子速度太快,于是它们“内部的时钟”比地球上的时钟要慢得多—所以它们活得更长一些。具体的观测细节和具体的观测现象在这里我就不多说了。
我要说的是粒子能量释放同样可以解释这个结论。速度影响了μ介子的能量释放。假设静止的μ介子的寿命是t,同时它释放能量的速度为。当它的据有一定的速度后,它释放能量的的速度就变成了,它的寿命也就变成了T。因为速度影响了粒子能量的释放,所以>,寿命也就是T>t了。也就是粒子释放能量的速度越快,粒子自身的寿命就会越短(这里你就会问大质量的粒子释放的能量速度就快,它的寿命岂不是更短。不对,能量的释放是非常非常微小的,而且粒子释放多少能量之后才会消亡,这个量也是根据粒子的情况而定的)。这种解释比相对论更加简单易懂。
另外,它具有一个相对论所不具有的优点,就是可以解决轻松的像双生子假说一类的假说。双生子假说是一个跟相对论非常有名的假说,讲的是一对双胞胎兄弟,一个(甲)在地球上,而另一个(乙)却乘着火箭飞向外太空。根据相对论的理论两者之间相对的速度是相同的,即甲对乙的速度和乙对甲的速度是相同的。可是,学过相对论的却又都知道,由于火箭的飞行速度大于地球运动的速度。所以乙过的时间应该是会变慢的,比甲过的慢。也就是当乙经过一段时间的旅行回到地球,见到甲之后,发现甲要比乙老了很多。这就是时间变慢的缘故。学过相对论的都知道这个结果,可是根据相对论思考下去却得不出这样的结果。这不得不让人说很奇怪啊!
但他们还是找到了自己认定的答案(当然我认为是牵强的),那就是已在返回的过程中会有一个减速再加速的过程,因为他是要往返的。不过,这个理由是说服不了我的,因为在思想中直接无条件的让两者重新相遇在一起。那时也就没有什么加速与减速的过程了!
好了,还是来用我们的新武器来解决这个问题吧!速度影响粒子能量的释放,那么自然速度高的影响大,粒子释放能量量减小的更慢。这就是说乙过的时间就会慢,当两者相遇他就会更年青了!这个是最简单的回答,比上面那个计算乙减速再加速的过程更加简单易懂。但你也许会问你依据什么来判定甲乙两者速度的大小呢?曾在一本介绍相对论的书中有一句话“谁相对于宇宙做更多的远动,谁的时间就慢。”,这里是以整个宇宙作为参造物。这也未尝不可啊!当更简单的我想是以相对于光的速度,更合适(但在这里就不详细的说了)。
到这里,我还想说说另一个实验,那就第一次证明相对论时间理论正确性的实验。就是,让两架飞机搭载着原子钟,并与地面基准原子钟相校正。让两架飞机分别向东西方向飞行,都环绕地球一圈。回来再与基础钟上时间对照。这次实验,基本符合了相对论。当然,我不反对这个实验的结果。我的认识是这样的,如果,将这两架飞机移动到大气层外,成为卫星之后,再绕地球一圈的。得到的结果又会是什么呢?恐怕,相对论在这里就不会有现在我们所提到的这个理论有用来。
现在,让我们在回到上面,光的速度会不会变的问题上来。其实,光速变不变和这个新的理论几乎没有半点关系。但这个新理论提出来之后的结论,却可以得到光速是可以变化的,然而超光速依旧不会存在。这里提出光速变不变的原因(关于光速变不变的问题,下次我们再说),一是以为想吸引你的眼球。二是为了更好的引出新的理论。
记住,新理论的一点就是粒子在不断的释放能量,而速度却可以影响这种释放。至于其中的细节,像粒子释放能量的具体情况以及能量的移动,必然会有一个速度,这个速度是多少才合适?还有就是在极限思维下,有没有粒子可以达到不释放能量的状态?速度到达光速这一极限速度的情况下,粒子还会不会释放能量?还有,也许就是现在你心中最大的疑问:光的速度是可以改变的,可是会什么还是超不过光速?
这里先让我们来找到相对论成立的一个关键点。从我们最熟悉的普通高三教材上所举的例子来讲述吧!
一列火车之上,车厢顶上的一束激光灯,在列车运行的过程中,向下发射一束激光。这就是一个很简单的场景,但这对处在不同位置上的人来说,所看到的结果是相同的吗?比如,站在列车上的人会看到光束是直上直下,没有发生倾斜。因为两者没有发生任何在列车运动方向上的移动,这和我们多数人的认知差不多。但,站在列车外的人看到的又会是什么不一样的景象呢?由于列车的运动,站在列车外的人看到的光是发生倾斜的。这样在光由车厢顶到车厢底的过程中,他就会认为光走过的路程要比列车上的人所认为的长(两个路程与列车移动的距离之间可以组成一个直角三角形)。
而这里所要的前提,就是光的速度是在任何情况下都是不变的!即光速不变论!这样就可以根据两个路程差简单的推导出相对论中关于时间的公式!推理如下:
;其中表示列车上人们的时间,t表示的是列车下人们的时间,c是光速,v是列车前进的速度。
得出的结论是t=
这里得出的结论和相对论中时间的公式是相同的。从根本上来说它的前提光速不变也同样来自于相对论!甚是在当时我也非常感叹,相对论竟然可以这样简单的推论出来啊!
到这里,我们的思维都是跟着别人的想法一步一步在走。可是,后来我在一次被太阳光炫目的时候,突然想到阳光在穿过地球大气层的时候,光子会不会随着地球的自转而产生移动呢?还是像地球没有自转和公转一样,阳光只是经过折射就已经决定所要到的地点了?亦或是折射后的光子会随着地球的自转而产生一个很小的位移,而不是经过折射就已经决定光子到达的位置了。
先说第一种情况。那就是假设,光子会无视地球的自转(或公转)而不改变自己的位移。那么,在上面所说的列车移动的时候,列车的移动并没有带着光子移动。也就是说,列车里的人是看到的光线也会是直线,因为没有加上列车的移动速度。但列车为的人在视觉上应该会产生光线倾斜的情况,因为这是多个光子所产生的把戏。
如果我们单独考虑一个光子或者是一小段光束的情况,不论在哪个位置所看到的情景都应该是相同的!所以在这一种情况下爱因斯坦的相对论就没有什么用武之地了!但,这只是一种错误情况,这里说出来只是为了对比下面的情况,让它更易理解而已!
下面,我们来说说第二种情况,就是光子,光线是随着一些物质或空间的移动而移动着的。这个就简单了,由于光子随着列车的移动而移动,列车上的人观察到的自然只能是光的直上之下运动,而列车外的人看到的绝对是相对于列车上的人倾斜的光线了!这里你会说,这不就是我们所要的结果吗?是啊,这完全符合我们所说的条件和公式要求?可是,关键就是光速不变理论上!
这里虽然,光的速度在光的传播方向上速度没有增加,但它的移动就有了列车移动的影子了。它的横向移动,就应该加上列车移动的速度。这里就是,光虽然神奇,可是同样也是作为物质,作为能量存在着。所以,它跟着列车在一起移动速度也许已经变了!
这就是我们所要说的关键点了!认可不认可光的速度是变化的!如果我们认定光随着列车的移动并不影响外界对光速度的认定,那么光的速度就是不变的。那么,就要在所有的物理量当中找到一个变化的量来。爱因斯坦所找到的就是时间。这里我们先不说出反对的理由。下面,我们来详细介绍一下这个可以取代相对论的理论。先说一下它的理论基础吧!希望聪明的你可以鉴别一下。
这个基础就是粒子除了正常释放光子之外,还在时时刻刻释放着能量(也可能是比光子包含能量更小的粒子),去维持粒子自己周围的场(重力场),只是我们未曾意识到而已。那么我们又是怎么知道粒子在时时刻刻释放着能量呢?这损失的能量又是什么呢?又被做什么的用处了?
我们还是从场的方面来解释吧。想象一下,当一个粒子受到万有引力的作用而加速运动的过程中,它的动能来自于另一个粒子(即形成重力场的粒子)。这个受力粒子从一个位置移动到另一个位置,从而获得动能。在这个时间内,形成重力场的粒子肯定是在着损失能量。是否可以理想的认为形成重力场粒子损失的能量就等于移动粒子所获得的动能。再接着继续想象,在同样的时间,同样的场内放上一百个大致相同的粒子。让它们和上句说到的那个粒子,走几乎相同的轨迹。那么这一百个粒子中的每个粒子都将获得同上面场中只有一个粒子时,那个粒子大致相等的动能。
那么,这一百个粒子所获得的动能又是否等于这个特定时间内形成重力场的粒子损失的能量。再顺着思考下去,假设在这个同样的场中放上无数的粒子,当然前提依旧是不变,依旧是在同样的时间段内,它们所得到的动能之和是否依旧等于形成这个场的粒子,在这个时间段内所释放的能量呢?我相信你也一定会有这样的疑问,难道粒子释放的能量是在变化的。也就是说在同样的时间段内,粒子释放的能量却是不同的。如果真是这样,会有什么样地后果呢?而且它又是怎样去控制哪个时间段释放的能量多,哪个时间段释放的能量少呢?
首先,它必须可以感受场中有粒子的存在,它必须感应到场中是一个粒子,还是上百个粒子,这点咱先不说有多难。其二,就是这预示着粒子的原子能并不是那么的稳定的,它会随着场中粒子的个数来改变自己释放的能量。这无疑是一种灾难。因为那样的话就显示出,粒子的原子能是可以随意的释放的。这样只需在场中多放上几个粒子,就可以让原子释放的能量多出好几倍。粒子的稳定性就变的差多了,甚至变得可以轻易地把自身的核能释放掉,显然这也是不可能的。如果真的是那样,那就真的就没有现在的这个世界了。
那么怎样解释这一点呢?答案只有一个,也很简单。就是粒子是在不断地释放能量,但是在相同的时间段内粒子释放的能量几乎是不变的(在不过多考虑外在因素的影响下,它所释放的能量随时间是固定量的)。也意味着即便是场中没有粒子,粒子依旧在损失能量去维持自身场的正常存在。这就是说,现实中的粒子(这里所说的不包括光子,这种粒子的特殊性后面会提到),时时刻刻都在释放能量去维持周围的场,不论是重力场,电磁场,或者什么场。还有就是不论多少个粒子放在场中,形成场的粒子所释放的能量,在单位时间内是没有变化。
这里还有一点就是,不同的粒子在单位时间内所释放的能量是不是相同的?其实,粒子的不同,它所释放的能量在单位时间内的多少自然是不会相同的。这个简单到只要看场的强度就可以知道了!粒子不同,引力场的强度是不一样的,这就取决于粒子释放能量的多少。两者,一个是因,一个是果。
上面所说到的,粒子在时时刻刻不间断的释放能量。就是在这里所要说到的理论了。但你也许会说,这和相对论有什么联系吗?有,但它首先要和速度联系到一起。
这个问题就是,速度,会不会改变粒子(上面所提到的)释放能量的多少?速度会不会让粒子单位时间内释放的能量减小呢?或者说成是阻碍粒子的能量释放呢?答案自然是肯定的,那就是会,速度会使粒子单位时间内释放的能量减小!这时,它就可以和相对论的结论联系在一起了。
先来说一说一个证明相对论正确性的实验。用做实验粒子的是所谓的μ介子。它们是由宇宙中快速运动的质点(主要是质子),已近光速向地球大气涌来,与原子核碰撞而产生的。被撞到的原子核发生了爆炸,就像放烟花一样又产生了一群新的粒子,它们继续向地球表面飞驶。这种簇射现象可以借助特制的探测器得到证实。
在这场粒子雨中,也有一些μ介子,它们根本就是不稳定,以半衰期仅为百万分之1.5秒的速度衰变。半衰期的意思是比如一个整体中有1000个粒子,在半衰期后有一半衰变了。在剩下的一个半衰期中,剩下的500个粒子衰变后只剩下250个粒子,以此类推。
物理学家们都知道,μ介子产生于近30公里的高空并以近光速的速度向地球表面飞来。在一次半衰期之后,也就是百万分之1.5秒之后,它们才会飞出450米,也就意味着在30公里的距离之后,几乎所有的μ介子都已衰变了。然而,在地球表面却还能证实到它们的存在。这怎么会呢?相对论给出的答案是:μ介子速度太快,于是它们“内部的时钟”比地球上的时钟要慢得多—所以它们活得更长一些。具体的观测细节和具体的观测现象在这里我就不多说了。
我要说的是粒子能量释放同样可以解释这个结论。速度影响了μ介子的能量释放。假设静止的μ介子的寿命是t,同时它释放能量的速度为。当它的据有一定的速度后,它释放能量的的速度就变成了,它的寿命也就变成了T。因为速度影响了粒子能量的释放,所以>,寿命也就是T>t了。也就是粒子释放能量的速度越快,粒子自身的寿命就会越短(这里你就会问大质量的粒子释放的能量速度就快,它的寿命岂不是更短。不对,能量的释放是非常非常微小的,而且粒子释放多少能量之后才会消亡,这个量也是根据粒子的情况而定的)。这种解释比相对论更加简单易懂。
另外,它具有一个相对论所不具有的优点,就是可以解决轻松的像双生子假说一类的假说。双生子假说是一个跟相对论非常有名的假说,讲的是一对双胞胎兄弟,一个(甲)在地球上,而另一个(乙)却乘着火箭飞向外太空。根据相对论的理论两者之间相对的速度是相同的,即甲对乙的速度和乙对甲的速度是相同的。可是,学过相对论的却又都知道,由于火箭的飞行速度大于地球运动的速度。所以乙过的时间应该是会变慢的,比甲过的慢。也就是当乙经过一段时间的旅行回到地球,见到甲之后,发现甲要比乙老了很多。这就是时间变慢的缘故。学过相对论的都知道这个结果,可是根据相对论思考下去却得不出这样的结果。这不得不让人说很奇怪啊!
但他们还是找到了自己认定的答案(当然我认为是牵强的),那就是已在返回的过程中会有一个减速再加速的过程,因为他是要往返的。不过,这个理由是说服不了我的,因为在思想中直接无条件的让两者重新相遇在一起。那时也就没有什么加速与减速的过程了!
好了,还是来用我们的新武器来解决这个问题吧!速度影响粒子能量的释放,那么自然速度高的影响大,粒子释放能量量减小的更慢。这就是说乙过的时间就会慢,当两者相遇他就会更年青了!这个是最简单的回答,比上面那个计算乙减速再加速的过程更加简单易懂。但你也许会问你依据什么来判定甲乙两者速度的大小呢?曾在一本介绍相对论的书中有一句话“谁相对于宇宙做更多的远动,谁的时间就慢。”,这里是以整个宇宙作为参造物。这也未尝不可啊!当更简单的我想是以相对于光的速度,更合适(但在这里就不详细的说了)。
到这里,我还想说说另一个实验,那就第一次证明相对论时间理论正确性的实验。就是,让两架飞机搭载着原子钟,并与地面基准原子钟相校正。让两架飞机分别向东西方向飞行,都环绕地球一圈。回来再与基础钟上时间对照。这次实验,基本符合了相对论。当然,我不反对这个实验的结果。我的认识是这样的,如果,将这两架飞机移动到大气层外,成为卫星之后,再绕地球一圈的。得到的结果又会是什么呢?恐怕,相对论在这里就不会有现在我们所提到的这个理论有用来。
现在,让我们在回到上面,光的速度会不会变的问题上来。其实,光速变不变和这个新的理论几乎没有半点关系。但这个新理论提出来之后的结论,却可以得到光速是可以变化的,然而超光速依旧不会存在。这里提出光速变不变的原因(关于光速变不变的问题,下次我们再说),一是以为想吸引你的眼球。二是为了更好的引出新的理论。
记住,新理论的一点就是粒子在不断的释放能量,而速度却可以影响这种释放。至于其中的细节,像粒子释放能量的具体情况以及能量的移动,必然会有一个速度,这个速度是多少才合适?还有就是在极限思维下,有没有粒子可以达到不释放能量的状态?速度到达光速这一极限速度的情况下,粒子还会不会释放能量?还有,也许就是现在你心中最大的疑问:光的速度是可以改变的,可是会什么还是超不过光速?