不同的参考系看到不同的结构?
谢邀。问题极富挑战性。此次作答,力求通俗详尽。请勿少见多怪,大跌眼镜会麻烦。
先说答案:特定物体的空间结构与运动轨迹,不可能因为选择了不同参照系而发生任何变更。否则违背第一思维法则——同一律。
另请注意:笔者只承认经典动力学的伽利略相对论——以相对静止的参照系为绝对参照系。
同时质疑:爱氏相对论究竟是不是高大上然并卵的数学游戏强加于物理逻辑。
必须明白:
①不涉及爱氏相对论与哥派量子论的经典物理,诸如质点动力学、统计热力学、电动力学、粒子物理学、天文物理学、固体物理学,依然是现代物质技术装备的主导依据。
②吃瓜群众与浮躁写手,贬低经典动力学原理,吹捧然并卵的瑕疵理论,当属负能量,国人当警惕。
关于参照系的基本概念参照系,是测量所参照的基准点,数学上叫坐标的原点。通常,把某个物系看成一个质点,作为其它物体状态参量的坐标原点。
惯性参照系,是符合惯性定律的参照系。通常,把一个相对静止的或匀直运动的物体质心作为测量基点或坐标原点。
绝对参照系,是相对静止的参照系,即坐标原点皆为零的参照系。通常,把一个母系统作为测量子系统状态参量的坐标原点。例如,以地球系中的某一点做为飞机状态的测量基点。
相对参照系,是相对运动的参照系,即坐标原点不为零的参照系。例如,把动态的列车作为测量飞机状态的测量基点。
参照系变换的几个常识数学思维与物理思维的关系
物理思维本质是测量,即以参照系为基准,研究测量物体系统状态参量的原理与方法。
数学思维本质是抽象,即以坐标系为基准,研究结构与轨迹共同的函数关系或拓扑关系。
物理人,通过实验与测量,琢磨若干变量间的因果关系与影响系数,表述成数学解析式。
两类参照系不相容的理由
①经典力学的惯性参照系S(x,y,z,t)(γ=1)。
关键是:我们总可以找到一个相对静止的母系统作为子系统状态的测量基准。因为子系统总是随着母系统一同运动的,母子之间没有速度差。
②爱氏力学的惯性参照系S(x,y,z,t)(γ<1)。
关键是:既然认为γ<1是绝对的,就不承认有相对静止,也就不承认母系统可以充当绝对参照系。这显然是荒谬的。
四个小规定:参照系S与S'的变换要求:
①坐标x,随参照系必然变化:x'≠x
②时间t,随参照系未必变化:t'=t或t'≠t
③速度v,随参照系未必变化:v=0或v≠0
④其余不变:y≡y', z≡z。
洛伦兹变换方程组:
①v≠0或γ<1,②x'=(x-vt)γ,③t'=(t-vx/c²)γ
伽利略变换方程组:
①v=0或γ=1,②x'=x-vt,③t'=t。
要提醒一点:
洛伦兹变换因子γ=1/√(1-v²/c²),只是为了调和所谓的质点力学与电动力学不自洽,通过数学猜想拼凑出来的,既不是实验统计结果,也未必可以作为一个定理。详见下文推导。
洛伦兹变换因子的推导与笔者点评下面详细列出γ因子的推导过程,并对引用部分的重要细节作适当点评。
公设一:相对性原理。 不同惯性参考系下的动力学方程形式是轮换对称一致的。点评:相对性原理没毛病,不过是是数学方程的变形而已。既适合伽利略相对论,也适合狭义相对论。但是,物理逻辑没有新意。
公设二:光速不变原理。 所有惯性系真空光速皆为c,与相对性、光源、观察者的运动无关。点评:光速不变源于c=1/√ε0μ0,c是真空介质的固有特性,由电容率ε0与磁导率μ0决定。而与纯数学操作的洛伦兹变换因子γ无关。
洛变因子γ=1/√(1-v²/c²)的推导过程
设:惯性系S'(x',y',z',t')以惯性系S(x,y,z,t)原点O为参照系,O点以速率v沿x轴正方向运动。当某事件在O'与O重合时,分别开始计时。 当x=0, x'+vt'=0...(1),这是推导γ关键,洛伦兹猜想:测量该事件从S'到S的变换,应该有因子γ,即有:x=γ(x'+vt')...(2),点评:方程(1)没毛病。但方程(2)是纯数学的构造函数,不涉及物理思维的唯象方法论,没资格对伽利略相对论说三道四。
方程(2)附设γ因子旨在导入相对性原理,即从S到S'的变换有类似形式:x'=γ(x-vt)...(3),联立(3)与(2)可以求t': t'=γt+(1-γ²)x/γv...(4) 进而引入光速不变来求γ值。 洛伦兹假定:在原点O与O'重合处,发出一束沿x轴正方向的光,波前坐标为(X,Y,Z,T)与(X',Y',Z',T')。点评:“在原点发出一束光子”之假设,当属主观臆断。因为光子是真空中固有的超低频传播子,不是从光源发射出来的。光源振荡器的角动量,可激发或推压真空中大量光子,做径向有序的依次推涌。
于是有:X=cT...(5), X'=cT'...(6)。将(2)×(3)可得: xx'=γ²(xx'-x'vt+xvt'-v²tt')...(7)。以波前事件为对象,则(7)写成 XX'=γ²(XX'-X'VT+XVT'-V²TT')...(8)。把(6)(7)代入(8),化简得:γ=1/√(1-v²/c²)...(9)点评:公式(5)与(6)表明光只能向x正方向传播,这显然是想当然。事实上,波源激发的光,是各向推涌的球面波,激光也是如此。
既然(5)与(6)不周延与不可靠,导出的(9)或洛伦兹变换因子也是不周延与不可靠的。
把(9)代入(5)得:t'=γ(t-vx/c²)...(10)。把(2)(3)(4)(10)放在一起,有: x'=γ(x-vt)...(11), t'=γ(t-vx/c²)...(12)。按相对性原理,由(11)(12)得S'到S系洛伦兹变换: x=γ(x'+vt')...(13), t=γ(t'+vx'/c²)...(14)速度变换方程组的推导过程
分别从S和S'观测一质点P运动速度。设在S系和S'系分别测得速度u(j,n,m)和u'(j',n',m')。 由(10)对t'求导。S变到S'的速度变换: j'=(j-v)/(1-vj/c²),n'=n/[γ(1-vj/c²)^-1],m'=m/[γ(1-vj/c²)^-1] S'变到S的速度变换: j=(j'+v)/(1+vj'/c²),n=n'/[γ(1+vj'/c²)^-1],m=m'/[γ(1+vj'/c²)^-1]结合动量定理和质量守恒定律,可得出狭义相对论所有公式,进而有待实验证实。点评:大家看看,就纯数学三维速度变换因子,就已经很复杂了,况且还很不周延,若是按各向无限维矢量,就无法操作了。
小结:
应用物理与工程力学表明,只有伽利略相对论是切合实际的也是卓有成效的。
洛伦兹变换自身就有瑕疵,更谈不上修改经典物理的所有参数与方程了。
好了,本答stop here。请关注物理新视野,共同切磋物理逻辑与中英双语的疑难问题。