論相對(duì)論.doc

論相對(duì)論  論相對(duì)論 序 20世紀(jì)初，愛因斯坦發(fā)表了相對(duì)論，但當(dāng)時(shí)并沒有引起人們太多的注意，后來隨著加速器中帶電粒子壽命的延長(zhǎng)，人們開始逐漸接受相對(duì)論。也有人一開始就反對(duì)相對(duì)論，直到現(xiàn)在仍然在進(jìn)行不懈的努力。應(yīng)當(dāng)說，這些努力并沒有白費(fèi)，但卻動(dòng)搖不了相對(duì)論存在的基礎(chǔ)。我們認(rèn)為，要真正的否定相對(duì)論，不但要解釋相對(duì)論能夠解釋的問題，并且還要解釋相對(duì)論不能解釋的問題?；谝陨系南敕?，否定相對(duì)論要從相對(duì)論賴以存在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象談起。具體的說，相對(duì)論存在的實(shí)驗(yàn)依據(jù)主要有兩個(gè)：一個(gè)是光子學(xué)說中的光速極限原理，其實(shí)驗(yàn)依據(jù)是邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)；另一個(gè)是相對(duì)論所說的“鐘慢效應(yīng)”，其實(shí)驗(yàn)依據(jù)是在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電粒子其衰變時(shí)間隨著其速度的增長(zhǎng)而延長(zhǎng)。 1、圓盤實(shí)驗(yàn) 我們?cè)谇懊娼忉尮獾谋拘詴r(shí)，已經(jīng)詳細(xì)討論了光子的速度問題，這里不再?gòu)?fù)述。這里主要討論相對(duì)論存在的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)依據(jù)“鐘慢效應(yīng)”。我們知道，電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電場(chǎng)，這就是電磁感應(yīng)揭示的電和磁的關(guān)系?，F(xiàn)在我們來看一個(gè)實(shí)驗(yàn)。 第一步，使一個(gè)橡膠圓盤帶上大量靜電荷并且保持不動(dòng)，那么這個(gè)橡膠圓盤周圍就會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng)。這一點(diǎn)我們可以用實(shí)驗(yàn)來證實(shí)。把一個(gè)輕質(zhì)帶電小球移動(dòng)到圓盤附近時(shí)，如果小球帶的電荷和橡膠圓盤所帶的是同種電荷，則它們會(huì)互相排斥；反之，如果小球帶的電荷和橡膠圓盤所帶的是異種電荷，則它們會(huì)互相吸引。這充分說明橡膠圓盤所帶的電荷形成的電場(chǎng)是客觀存在的，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生作用，沒有人會(huì)否定在橡膠圓盤周圍存在靜電場(chǎng)。如圖所示，我們讓一個(gè)橡膠圓盤帶大量的負(fù)電荷，則在這個(gè)圓盤周圍就會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng)，當(dāng)我們把一個(gè)帶負(fù)電的輕質(zhì)小球放在圓盤附近時(shí)，它們會(huì)互相排斥；反之當(dāng)我們把一個(gè)帶正電的輕質(zhì)小球放在圓盤附近時(shí)，它們會(huì)互相吸引。這說明橡膠圓盤產(chǎn)生的靜電場(chǎng)是客觀存在的，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生作用。     第二步，我們要做的工作是使這個(gè)帶有大量電荷的圓盤高速旋轉(zhuǎn)過起來。此時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)圓盤周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng)（當(dāng)然也有電場(chǎng)存在）。當(dāng)我們把一個(gè)小磁針放入這個(gè)橡膠圓盤周圍時(shí)，小磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖。這說明橡膠圓盤產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是客觀存在的。       以上兩個(gè)是平常的不能再平常的實(shí)驗(yàn)，但如果我們?cè)僭黾右粋€(gè)圓盤的話，卻會(huì)產(chǎn)生截然不同的后果。 第三步，把兩個(gè)帶大量電荷的圓盤上下分開放置，并使它們帶同種電荷，假設(shè)都帶正電荷（也可以假設(shè)兩個(gè)圓盤帶的都是負(fù)電荷，總之，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都沒有影響）。如圖所示：它們之間將產(chǎn)生靜電斥力。     在上圖中，我們知道，兩個(gè)橡膠圓盤之間的靜電斥力的大小與它們之間的距離的平方成反比，與這兩個(gè)圓盤所帶的電量的乘積成正比。如果環(huán)境干燥的話（這意味著兩個(gè)橡膠圓盤所帶的電荷都不會(huì)丟失），那么這兩個(gè)圓盤之間的靜電斥力是始終存在的。從另一角度來講，這兩個(gè)橡膠圓盤所形成的靜電場(chǎng)是客觀的，這個(gè)靜電場(chǎng)的存在使它周圍一定空間范圍內(nèi)的帶電物體受到影響，不論這兩個(gè)圓盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何，這兩個(gè)橡膠圓盤形成的電場(chǎng)都是始終存在的。也可以說，這兩個(gè)靜電場(chǎng)的存在不受外力影響。 第四步，把兩個(gè)帶大量電荷的圓盤上下分開放置，并使它們沿同一方向高速旋轉(zhuǎn)，如圖所示，假設(shè)兩個(gè)圓盤帶的都是正電荷（也可以假設(shè)兩個(gè)圓盤帶的都是負(fù)電荷，總之，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都沒有影響），它們的旋轉(zhuǎn)方向如圖所示，這時(shí)每個(gè)圓盤由于高速旋轉(zhuǎn)而等效于一個(gè)小磁鐵，圓盤上面等效于磁鐵的n極，圓盤下面等效于磁鐵的s極，如圖。并且這兩個(gè)橡膠圓盤所形成磁鐵的n極、s極恰好相對(duì)，此時(shí)兩個(gè)橡膠圓盤之間除了電場(chǎng)力以外還應(yīng)該產(chǎn)生磁力作用，如前面我們所說的，這兩個(gè)橡膠圓盤之間的磁力作用也是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，也是客觀存在的。        在上圖中，我們知道，由于這兩個(gè)橡膠圓盤都帶有大量的正電荷，所以它們之間必然產(chǎn)生靜電斥力，如圖中紅箭頭所示，這但這僅僅是問題的一方面；另一方面，當(dāng)它們沿著同一方向高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)n、s極相對(duì)，則它們之間必然產(chǎn)生相互吸引作用，這個(gè)吸引力是由磁力產(chǎn)生的（如圖中綠箭頭所示），并且橡膠圓盤轉(zhuǎn)速越高產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越強(qiáng)，兩個(gè)橡膠圓盤之間相互吸引力也就越大。這里我們看到，靜電力和磁場(chǎng)力是一對(duì)矛盾力，靜電力總是使兩個(gè)橡膠圓盤之間相互排斥，而磁場(chǎng)力總是使兩個(gè)橡膠圓盤之間相互吸引，這兩種力的效果相互抵消?？吹竭@里，可能人們都想知道，到底是電場(chǎng)力的作用大還是磁場(chǎng)力的作用大呢？這兩種力之間有什么關(guān)系呢？下面我們就來討論以上問題。 庫侖定律指出：兩個(gè)帶電粒子之間會(huì)產(chǎn)生靜電力的作用，這個(gè)靜電力的大小僅僅與兩個(gè)點(diǎn)電荷之間距離的平方成反比，與這兩個(gè)點(diǎn)電荷電量的乘積成正比，而與點(diǎn)電荷的相對(duì)速度無關(guān)。但是上述實(shí)驗(yàn)的卻否定了這一結(jié)論：它至少說明，兩個(gè)帶電粒子之間的靜電力還與它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。在上面的實(shí)驗(yàn)中，我們看到，橡膠圓盤帶了大量的電荷以后，其周圍的空間中就形成了電場(chǎng)，如果圓盤靜止不動(dòng)，則它周圍只有電場(chǎng)而沒有磁場(chǎng)；如果圓盤旋轉(zhuǎn)起來，那么在它周圍的空間中就產(chǎn)生了磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)從何而來？磁場(chǎng)作為物質(zhì)的一種形態(tài)，是客觀存在的，磁場(chǎng)的產(chǎn)生必然有一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。很顯然，磁場(chǎng)只能是由靜電場(chǎng)（的運(yùn)動(dòng)）轉(zhuǎn)化而來的。既然靜電場(chǎng)有一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)，而靜電場(chǎng)本身又是有限場(chǎng)（關(guān)于有限場(chǎng)的概念請(qǐng)參閱第五章），所以轉(zhuǎn)化后靜電場(chǎng)的強(qiáng)度必然減弱，靜電場(chǎng)轉(zhuǎn)化的部分越多磁場(chǎng)就越強(qiáng)。靜電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)以后電場(chǎng)強(qiáng)度減弱而磁場(chǎng)強(qiáng)度增大這一現(xiàn)象，從另一個(gè)角度來看，也可以看成是由于運(yùn)動(dòng)使電荷“電”的特性減弱而“磁”的特性增強(qiáng)。據(jù)此，我們得出一個(gè)結(jié)論：運(yùn)動(dòng)使電荷電量減小磁性增強(qiáng)。 2、論荷速關(guān)系 在上一節(jié)中我們用一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引出了兩個(gè)點(diǎn)電荷因相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的變化而對(duì)靜電力的影響?，F(xiàn)在我們來深入分析這個(gè)問題。 庫侖定律指出：兩個(gè)帶電粒子之間會(huì)產(chǎn)生靜電力的作用，這個(gè)靜電力的大小僅僅與兩個(gè)點(diǎn)電荷之間距離的平方成反比，與這兩個(gè)點(diǎn)電荷電量的乘積成正比。 即有：f 式中f是兩個(gè)點(diǎn)電荷靜電力的大小，q1為一個(gè)點(diǎn)電荷的電量，q2為另二個(gè)點(diǎn)電荷的電量，r為這兩個(gè)點(diǎn)電量之間的距離。我們知道，兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的靜電力是靠靜電場(chǎng)來傳播的，而靜電場(chǎng)作為一種物質(zhì)實(shí)體是有限場(chǎng)，詳細(xì)情況可參閱第五章物理學(xué)研究的方法論。當(dāng)點(diǎn)電荷運(yùn)動(dòng)以后，在它周圍的空間中將產(chǎn)生磁場(chǎng)，同樣這個(gè)磁場(chǎng)也是客觀存在的，不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，我們知道，磁場(chǎng)同樣為有限場(chǎng)。而有限場(chǎng)的一個(gè)最顯著的特點(diǎn)就是它所具有的各種能量是有限的。  在上圖所示的帶有大量電荷的圓盤產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中，電場(chǎng)的產(chǎn)生是因?yàn)閳A盤帶有大量電荷，倘若圓盤靜止不動(dòng)，則不會(huì)有磁場(chǎng)的產(chǎn)生，而橡膠圓盤產(chǎn)生的靜電場(chǎng)是有一定強(qiáng)度的有限場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)的存在是客觀的、不以人的意志為轉(zhuǎn)移的。當(dāng)橡膠圓盤旋轉(zhuǎn)以后，在其周圍的空間中將產(chǎn)生磁場(chǎng)，同樣，這個(gè)磁場(chǎng)也是有一定強(qiáng)度的有限場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)的存在也是客觀的、不以人的意志為轉(zhuǎn)移的。很明顯，剛開始時(shí)橡膠圓盤周圍空間僅存在電場(chǎng)，當(dāng)橡膠圓盤旋轉(zhuǎn)以后將產(chǎn)生磁場(chǎng)，橡膠圓盤周圍的電場(chǎng)是由其所帶的電荷產(chǎn)生的，而磁場(chǎng)則是由其所帶的電荷運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。既然橡膠圓盤周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是有限場(chǎng)，么磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度必然減弱。倘若我們把這個(gè)橡膠圓盤看作是透明的，對(duì)于其右邊的帶電小球來說，如果橡膠圓盤靜止則小球受到的靜電引力最大，而橡膠圓盤運(yùn)動(dòng)以后小球受到的靜電引力將變??；看起來就好像橡膠圓盤由于運(yùn)動(dòng)而使所帶電荷減小了一樣。但對(duì)左邊的小磁針來說情形恰好相反，橡膠圓盤運(yùn)動(dòng)停止不動(dòng)時(shí)小磁針沒有受到磁力作用因而不偏轉(zhuǎn)，而橡膠圓盤運(yùn)動(dòng)以后小磁針受到磁力作用并開始偏轉(zhuǎn)，對(duì)小磁針而言，看起來就就好像橡膠圓盤由于運(yùn)動(dòng)而使它的磁性增強(qiáng)了一樣。 根據(jù)能量守恒，有：靜電場(chǎng)能電場(chǎng)能磁場(chǎng)能 這里，我們把橡膠圓盤靜止時(shí)產(chǎn)生的電場(chǎng)稱為靜電場(chǎng)，而把橡膠圓盤旋轉(zhuǎn)以后產(chǎn)生的電場(chǎng)稱為電場(chǎng)，以示區(qū)別。很顯然，橡膠圓盤靜止時(shí)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度要大于橡膠圓盤運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。從另一個(gè)角度來看，橡膠圓盤靜止時(shí)它僅僅是一個(gè)帶電體而不是磁體，橡膠圓盤運(yùn)動(dòng)后它既是一個(gè)帶電體又是一個(gè)磁體。 即有：靜電場(chǎng)力電場(chǎng)力磁場(chǎng)力 根據(jù)庫侖定律我們知道，靜電力 f f 電荷在磁場(chǎng)中所受到的磁場(chǎng)力 fbqv 因?yàn)檫@個(gè)磁場(chǎng)也是由運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的，而電量為q的點(diǎn)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 b 把代入，有 fbqv 若設(shè)橡膠圓盤運(yùn)動(dòng)以后的電量為q，則有 靜電場(chǎng)力電場(chǎng)力磁場(chǎng)力 ,化簡(jiǎn)后有 qq 若設(shè)電荷靜止時(shí)的電量為q0，運(yùn)動(dòng)后的電量為q，則上式可寫成 qq0 由于，所以上式可以寫成相對(duì)論形式， 即有: qq0 這說明：一個(gè)靜止電量為q0的電荷，倘若以速度v運(yùn)動(dòng)以后，它的電量就減小為q0，我們把這個(gè)關(guān)系稱為荷速關(guān)系。荷速關(guān)系說明，對(duì)于同一個(gè)電荷產(chǎn)生的場(chǎng)，由于觀測(cè)者相對(duì)于電荷的運(yùn)動(dòng)速度不同，導(dǎo)致的觀測(cè)結(jié)果也不相同。換句話說，對(duì)同一個(gè)電荷而言，不同的參照系中觀測(cè)到它的電量是不同的：在有的參照系中它是靜電荷僅產(chǎn)生靜電場(chǎng)；而在有的參照系中它是運(yùn)動(dòng)的，在其周圍同時(shí)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)存在。但不管怎樣，由于電荷周圍形成的場(chǎng)是客觀存在的有限場(chǎng)，所以在不同的參照系中觀測(cè)到電荷周圍的場(chǎng)的能量都是一樣的，即有靜電場(chǎng)能電場(chǎng)能磁場(chǎng)能。 3、鐘慢效應(yīng) 相對(duì)論中有一個(gè)著名的論斷，那就是鐘慢效應(yīng)。鐘慢效應(yīng)指出，隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的增大時(shí)間將變慢，當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速時(shí)時(shí)間就會(huì)停止。即有： t 這一關(guān)系式在二十世紀(jì)初被人們證實(shí)。在回旋加速器中，人們發(fā)現(xiàn)，隨著帶電粒子速度逐漸變大，它的運(yùn)動(dòng)周期也逐漸變，并且有以下關(guān)系式： t&nb