推翻相對論需要哪三步?第一步搞懂洛倫茲變換,第二步搞懂光速不變,第三步搞懂邁克爾遜莫雷實驗。
1.首先看一下洛倫茲變換的推導過程,下面這兩張圖的推導一般人可能看不太懂,沒關係,可以先跳過,我會簡化這個推導,讓大多數人也能看懂。
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愛因斯坦相對論的原始推導--洛倫茲座標變換,簡單總結一下就是兩個座標系,大圓靜止,小圓以速度V移動,初始大圓A點和小圓B點位置重合。一束光從重合位置發射到達C點。B點也隨座標系小圓的運動而前移。
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在靜止的大圓這個座標系中光速c=AC/t1
在移動的小圓這個座標系中光速c=BC/t2
對應洛倫茲變換原文中“ 設光訊號在S系和S'系的原點重合的瞬時從重合點沿x軸前進,那麼在任一瞬時t(或t'),光訊號到達點在S系和S'系中的座標分別是:x=ct, x'=ct',”
稍微轉換一下形式,則
在靜止的座標系中(大圓),c=x/t
在移動的座標系中(小圓),c=x'/t'
根據不同座標系中光速相等,繼而推匯出洛倫茲因子
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上面即是洛倫茲變換推導的簡化過程,很簡單,我認為中學生也可以理解。推到這裡主要內容就已經呈現出來了,後面就不用細看了,t=kt'就是時間膨脹公式。
那麼。在原文中,為什麼定義 x=ct, x'=ct'? 或者說為什麼定義c=x/t ,c=x'/t' ?
這就要歸結於光速不變原理了,傳統的光速不變原理是指,真空中的同一束光,對於靜止的A和運動的B(C\D\E),他們所測得的速度是相等的。
這雖然很怪異,但這就是洛倫茲變換的推導基礎,那接下來我們就來探討光速為什麼不變。
2。光速為什麼不變?光速不變的真相是什麼?
我認為,傳統的光速不變原理是錯誤的,一個0.999999 C 的高速觀察者,與光幾乎齊頭並進,這束光對他來說依然是299792458米每秒,這是荒謬的,不可理喻的,即使支援相對論的學者教授也依然講不明白這一點,為什麼,因為它本身就是錯誤的。(它的物理依據--邁克爾遜莫雷實驗我後面剖析)
有人會說,你說錯了,不止邁莫實驗,麥克斯韋方程組也證明光速恆定不變。
那是你對麥克斯韋方程組不瞭解,麥克斯韋是證明了電磁波的速度是一個常數,恆定不變。波速=波長乘頻率,各種電磁波的波長雖然各不相同,但是乘以頻率後,乘積相同。由於可見光的波速也符合這個數值,因此推斷可見光也屬於電磁波。
簡單來說就是x射線的波長×頻率=紫外光的波長×頻率=可見光的波長×頻率=無線電波的波長×頻率=一個常數
麥克斯韋的光速恆定不變實質是指光的空間傳播速度不變,是個常量,而相對論的光速不變是指同一束光對於不同的觀測者,恆定不變。通俗來講,前者一萬束不同的光穿越相等的距離,所消耗時間必然相等,後者是一萬個人,速度不同,但是測量同一束光,測得的數值卻相同。這兩者根本不是一個概念。要實現後者的數值相等,這一萬個人每個人的時間都要不同才行,速度越快的人時間越小(慢)。
麥克斯韋的光速恆定不變和相對論的光速恆定不變是兩碼事。前者正確,後者邏輯不通。
那麼,為什麼光在空間中傳播速度不變?因為形變。
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這是光的紅移藍移圖片,上面的是紅移,波長變長。下面的是藍移,波長變短。
一個勻速遠離的光源,波長肯定要比靜止時要長,因為光是連續的波,為了維持連續的狀態,波形會被拉長,這個既很好理解,也是被公認的。
但是,頻率不變。在官方的紅移定義中,頻率是隨紅移變小的。因為只有這樣才能保持波長與頻率的乘積保持不變,才能使得光速=波長×頻率是一個固定的常數。
但,這是錯誤的,頻率是單位時間內產生的完全波的個數,不是單位長度內的個數。
因此頻率並無變化。
然而這樣的話,紅移之後波長與頻率的乘積是變大的,光速是變大的,這與光速是個不變常數相悖。
其實,完全不相悖!
以上圖紅移為例,波長與頻率的乘積是變大了,但這個變大的速度值是相對於波源的。在抵消掉波源速度後,光的速度就是恆定不變的。
通俗來說,如果光源的速度是3萬公里每秒,那麼波長的形變數就增加十分之一,波長×頻率=33萬公里每秒,這個速度是相對光源而言的,在抵消掉波源速度後,光的傳播速度依然是30萬公里每秒,而且這個速度是相對於空間而言的,這也才是光的真實傳播速度。
如果光源的速度是5萬公里每秒,那麼波長×頻率=35萬公里每秒,
如果光源的速度是10萬公里每秒,那麼波長×頻率=40萬公里每秒
.。。。。
抵扣掉波源速度後,光的傳播速度依然是30萬公里每秒,是個常數。
人們都在說,光速不受光源速度影響,但再往深裡講,就沒有下文了。
為什麼光速不受光源影響?現在明白了麼。
並不是C=λf,而應該是C=(λ0 ± △λ)f,這個值是變化的, 抵消掉光源速度△λ f後,光速λ0×f是恆定不變的。
波長的形變數因波源速度而生,又因波速而滅。
觀點很新穎,但仔細想想,很容易理解。先跳出挺相和反相的立場,再去琢磨這個問題。
3.理解了這一點再回首看百年前的世紀謎團--邁克爾遜莫雷實驗。我先放兩張圖片,可以跳過。
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邁克爾遜莫雷實驗
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邁莫實驗推導過程
邁莫實驗,簡單歸納一下就是,光路1的第m個波與光路2的第n個波發生干涉,觀測屏上顯現清晰的明暗條紋,當兩水平光路同時旋轉90°後,考慮到地球公轉速度的影響,單路光程差改變了0.2個波長,一個增一個減,末端發生干涉的波變成了第m+0.2個波和第n-0.2個波,發生干涉的兩處光波累積相位差達到了約0.4個波長(計算過程略),反映到觀測屏上就是條紋應該移動0.4個條紋間距,上述實驗之前的推導,然而實驗結果出乎人們意料,條紋並沒有移動。
條紋沒有移動沒有差異引申出了兩條光路沒有差異,繼而引申出了同一束光,對於不同觀測者來說,所測得的數值是沒有差異的。這就是傳統光速不變原理的由來。人們在經典物理層面實在解釋不了邁莫實驗現象,於是最終接受了怪異的光速不變原理,最終誕生了相對論。
那麼,為什麼實驗臺旋轉90°後條紋沒有差異,零移動?問題出在哪裡?事實上,在這個實驗中,人們計算光程時考慮了外在速度-地球公轉速度,卻忽略了外在速度對於光源對於波長的影響,認為光在旋轉90°的過程中維持著固定波長,從而計算出了0.4個波長的相位差,而真相是在不同速度下,光波波長都會進行自調整,但無論怎麼調整,同樣的距離,短波和長波總會同時抵達終點,也就是說初始是光路1的第m個波與光路2的第n個波發生干涉,在旋轉90°後,兩路光的波長改變了,造成依然是第m個波與第n個波干涉,沒有相位差,所以不管實驗重複多少次,變換諸多不同的環境,其結果均為零移動。
你再返回邁莫實驗第二張圖,看一下推導時是不是按照固定不變的波長計算的?
590奈米,是的,問題就出在這裡。
上面只是定性,半年後做了定量分析。初始,光傳播方向與光源移動方向相同,因此藍移,波長=λ-△λ,水平方向的速度沿用伽利略速度變換公式,去追鏡子時是C-V,折返時C+V,這個也不難理解。
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由上圖可見,由於波長的改變,兩光路的波的數目並沒有發生變化,都是2k個波,並不會變成2k+0.2個波和2k-0.2個波,波的數目沒有變,也就沒有產生波的相位差,沒有相位差,所以明暗條紋也就沒有移動。
我用經典物理解釋了這個實驗,儘管自認為合情合理,但也僅僅是猜測,如何去驗證這個猜想,很簡單,就是去測量同一光路的往返波長是否真的不一致。這是最關鍵的一步。
說起來很簡單,做起來也很簡單,但關係重大。有條件的可以做一下,很有意義。
《與資本為伍》 劉順國
2022.2.15