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聊聊狭义相对论-第22章

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  但是,痛,并快乐着。 
  虽然心在流血,但是,我们又更接近真理,更接近上帝的秘密了!痛苦但很幸福,这就是探索大自然的一种奇妙的感受! 
  别伤心着,我们还有更多的苦难需要去经受! 
  一说到时间,还有空间,你能够想起什么呢? 
  空间、时间!速度!对!速度!路程除以时间不就是速度吗? 
  空间和时间都和以前的那么不一样,速度还会好到哪里去吗? 
  我们就来看看狭义相对论中有关速度的结论,跟经典物理学的究竟有没有不一样。



 有关速度合成的结果,在经典物理学中是简单的直接相加。  
  打个比方,兔子相对于你以v速度向前奔跑而去。在它看来,一只小蝴蝶向前飞舞的速度是u’ 。那么请问你看到蝴蝶的速度应该是多少呢?  
站在经典物理学的基础上,我们很快也很自然能够得出这样的结论——你看到的速度u=v+u’!这非常地符合我们的生活经验,也是我们的常识来的!  
  慢着,前面我们已经掉下了不少“常识”的陷阱,也别忘了,我们不过是生活在一个低速的世界,并没有高速世界的说话权!  
这些成为了我们怀疑速度相加原理的理由!  
  在这里,我希望交代几句。  
  其实,速度相加定律源自于伽利略变换式,不过具体的推导过程我就略去了。而前面,我们已经用洛伦兹变换式代替了伽利略变换式,所以速度的合成原理可能会发生变化,而且应该也是从洛伦兹变换式推导得来。  
而严格的推导过程虽然不能说难,但是也得用到微商(或者叫做导数),所以在这里就不写出来了,以免让某些读者感到不适。^_^  
  好,那我就直接把推导所得到的结果写出来便罢,不过,希望诸位明白它的出发点依旧是那两条原理,或者说是洛伦兹变换式。  
     u(x)’+v  
u(x)=--------  
    1+vu(x)’/c2  
    u(y)’√(1…v2/c2)  
u(y)=-----------  
     1+ vu(x)’/c2  
    u(z)’√(1…v2/c2)  
u(z)=-----------  
     1+ vu(x)’/c2  

  或者把带撇的放到左边,也就是它的等价式子为  
     u(x)…v  
u(x)'=--------  
    1…vu(x)/c2  
    u(y)√(1…v2/c2)  
u(y)'=-----------  
     1…vu(x)/c2  
    u(z)√(1…v2/c2)  
u(z)'=-----------  
     1…vu(x)/c2  

  这就是洛伦兹速度变换关系式。带撇的就表示兔子那个惯性系看到小蝴蝶的速度,v是兔子那个惯性系相对于你的惯性系的速度,剩下的不带撇的就是你的惯性系看到小蝴蝶的速度。  
  哇!好复杂是不是?  
  不要怕,慢慢来,你只需要注意一下我所让你关注的地方就行了,没有必要把它记住。  
  来,我们来欣赏一下这堆式子。  
  速度u是矢量(有大小和方向的量),所以把它分解成为了三个方向——沿x、y、z轴的方向。因此每组就有了三个式子。  
  前面兔子和小蝴蝶的例子,我们不妨说它们都是沿x轴方向运动的。于是,就用到新的速度合成式中的第一个式子。你注意一下,当那个v(兔子的速度)和ux’远远小于c时,下面的分母就基本上等于1了,这样就相当于简单的速度相加了!又回到了伽利略的速度相加定律!  
  但在高速,也就是v和ux’比较接近c时,就跟伽利略的预言不太一样了!  
  又一次看到,经典力学不过是相对论的一级近似!它只是低速时的近似规律!  
  还有一点,你注意到了没有?本来,在y轴或z轴上,按照旧的理论,也应该是直接相加呀!但是,在新的变换式中,却并没有这么简单!它可是一大堆!  
  不过细细想来,在y和z轴出现这种事情也并不是没有道理的!  
  v只是沿着x轴方向的速度,而在y、z轴你和兔子并没有相对速度!所以,按照长度收缩效应,在y和z轴上并不存在空间上的变化!  
  但是,时间的膨胀却是存在的,它不分什么方向,因为时间本身就是一个标量(只有大小而没有方向的量)!  
  虽然空间距离没有变化,但是存在时间的膨胀,所以最后的速度出现这种“奇怪”的形式也就显得情理之中了!  
  好,你只需要注意这些地方:x方向上的速度在某些情况下会退化回到伽利略的形式;在y和z轴方向上的速度跟伽利略的预言很不一样!它是由于时间的相对论效应造成的,在经典力学中没有这种奇特的效应!这完全是一种相对论效应!  
  我们从两条原理出发,可以最终得到新的速度合成式子。在这里,你看到小蝴蝶的速度不再是简单的相加了——u=v+u’,而应该是u=(u’+v)/(1+vu’/c2)!  
  慢着,说了那么多,我怎么知道这组式子究竟是不是正确的?!  
那咱们就做实验呀!如果它预言的结果跟实验数据不一样,好,否定后件!一刀“咔嚓”掉,不仅干掉这组式子,连爱因斯坦的那两条原理也一连葬送!  
  看来,爱因斯坦又走到了一个关键的时刻!  
  但是,前面的一次次检验,早已练就了我们沉着冷静的处事方式,哼,来吧,终归需要一个了结的!尽管放马过来!


 在真正做实验之前,我觉得我们有必要先在纸上分析、验证一下这组新的式子,以防它存在着一些很低级的错误,免得我们浪费了实验的经费!说不定,它本身就和相对论的某些结论相悖,而且可以很明显地看出来,根本就不需要做实验! 
  在这之前,为了方便讨论,我还是先把新的式子再写一遍,毕竟它实在是有点难记住! 
     u(x)’+v  
u(x)=--------  
    1+vu(x)’/c2  
    u(y)’√(1…v2/c2)  
u(y)=-----------  
     1+ vu(x)’/c2  
    u(z)’√(1…v2/c2)  
u(z)=-----------  
     1+ vu(x)’/c2  

  或者 

    u(x)…v  
u(x)'=--------  
    1…vu(x)/c2  
    u(y)√(1…v2/c2)  
u(y)'=-----------  
     1…vu(x)/c2  
    u(z)√(1…v2/c2)  
u(z)'=-----------  
     1…vu(x)/c2  

  接下来,当涉及到这些式子时,你就可以翻回到这里看一看,对照一下。 
  好,我先来假设,假如兔子相对你的速度是0。5c,而它看到小蝴蝶的速度又是0。5c!那么请问,你将看到小蝴蝶的速度是多少呢? 
  当然不存在那么厉害的兔子和蝴蝶,有的话八成也是基因变异的!假设!这里只是假设而已!你就不要管那么多,按照新的式子去算便是了。 
  由于这两个速度都是x轴方向的,我们直接运用第一组的第一条式子就ok了。好, 
  我看到的速度将是u=(0。5c+0。5c)/(1+0。5c×0。5c/c2)=0。8c! 
  在我看来,那只小蝴蝶应该是0。8c!而按照伽利略的算法,将会是0。5c+0。5c=c! 
  两家式子的预言确实不一样! 
  我们在来看一个假设。 
  假设,兔子相对你的速度是v,从它的坐标系里面,看到一束光以速度c向前射去,请问在你看来,那束光的速度是多少? 
  简单嘛!根据光速不变原理,很明显是c! 
  这是没有错误的!但是,你为什么不尝试用速度合成的式子去算一下呢?如果算出来的结果跟这个不一样,那……嘿嘿! 
  根据式子,我看到那束光的速度应该是u=(v+c)/(1+vc/c2)=c! 
  确实是c!看来,新的式子自动跟爱因斯坦的原理吻合了!我们“谋反”的企图初步宣告失败! 
  其实,失败的原因也是相当明显的,新的式子本来就来源于爱因斯坦的两条原理,只要中间的推导过程没有问题,那么很明显它也不会跟原理相悖!毕竟,它来源于原理! 
  那再来玩一下,假设有一个光子,自然地,它相对你的速度是c!而在它看来,又有一个光子以速度c超过它,向前飞去。那么,你会看到那个“超车”的光子的速度是多少呢? 
  按照式子,u=(c+c)/(1+cc/c2)=c! 
  还是c!呵呵,看来爱因斯坦还有两手哟! 
  总结一下,在新的式子下,如果v和ux’远远小于c的话,式子回到伽利略速度变换式。而洛伦兹速度变换关系式与光速不变原理是自动符合的。当v和ux’中,有一个是c,或者两个都是c,洛伦兹速度变换关系式所得到的结果都是c! 
  看来,在新的式子下,最大速度依旧是c!而运用旧的速度相加式子,却会得到比c大的速度,如c+v、2c,甚至可以得到无限大的速度!只要你不断的相加! 
  从这里,我们又一次领略到,新的理论认为c是一切物体运动的速度上限。而旧的理论却坚持物体的运动速度是可以无限大的! 
  矛盾就在这里! 
  而我们也“失望”地看到,本来我们是想在纸上找出洛伦兹速度变换关系式的荒谬的,不过却失败了!它跟相对论不存在逻辑的冲突,相反,还符合得相当好! 
  那,最后的绝招——只好交给实验来判决了!看来,那一点经费省不得!



 天空一片阴沉。 
  秋风毫不留情地横扫而来。 
  枯黄的叶子稀拉地从几乎光秃的树上纷纷飘落下来。 
  街上很少行人。 
  风过后,死一般寂静。 
  到处都充斥着悲凉的气息。 
  大树底�
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