論相對論
論相對論
序
20世紀(jì)初，愛因斯坦發(fā)表了相對論，但當(dāng)時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，人們開始逐漸接受相對論。也有人一開始就反對相對論，直到現(xiàn)在仍然在進行不懈的努力。應(yīng)當(dāng)說，這些努力并沒有白費，但卻動搖不了相對論存在的基礎(chǔ)。我們認(rèn)為，要真正的否定相對論，不但要解釋相對論能夠解釋的問題，并且還要解釋相對論不能解釋的問題�；谝陨系南敕�，否定相對論要從相對論賴以存在的實驗現(xiàn)象談起。具體的說，相對論存在的實驗依據(jù)主要有兩個：一個是光子學(xué)說中的光速極限原理，其實驗依據(jù)是邁克爾遜－莫雷實驗；另一個是相對論所說的“鐘慢效應(yīng)”，其實驗依據(jù)是在電磁場中運動的帶電粒子其衰變時間隨著其速度的增長而延長。
1、圓盤實驗
我們在前面解釋光的本性時，已經(jīng)詳細(xì)討論了光子的速度問題，這里不再復(fù)述。這里主要討論相對論存在的第二個實驗依據(jù)－－“鐘慢效應(yīng)”。我們知道，電場運動產(chǎn)生磁場，磁場運動產(chǎn)生電場，這就是電磁感應(yīng)揭示的電和磁的關(guān)系�，F(xiàn)在我們來看一個實驗。
第一步，使一個橡膠圓盤帶上大量靜電荷并且保持不動，那么這個橡膠圓盤周圍就會產(chǎn)生靜電場。這一點我們可以用實驗來證實。把一個輕質(zhì)帶電小球移動到圓盤附近時，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，則它們會互相吸引。這充分說明橡膠圓盤所帶的電荷形成的電場是客觀存在的，因為它會對物質(zhì)產(chǎn)生作用，沒有人會否定在橡膠圓盤周圍存在靜電場。如圖所示，我們讓一個橡膠圓盤帶大量的負(fù)電荷，則在這個圓盤周圍就會產(chǎn)生靜電場，當(dāng)我們把一個帶負(fù)電的輕質(zhì)小球放在圓盤附近時，它們會互相排斥；反之當(dāng)我們把一個帶正電的輕質(zhì)小球放在圓盤附近時，它們會互相吸引。這說明橡膠圓盤產(chǎn)生的靜電場是客觀存在的，因為它會對物質(zhì)產(chǎn)生作用。
第二步，我們要做的工作是使這個帶有大量電荷的圓盤高速旋轉(zhuǎn)過起來。此時，我們會發(fā)現(xiàn)，在這個圓盤周圍產(chǎn)生了磁場（當(dāng)然也有電場存在）。當(dāng)我們把一個小磁針放入這個橡膠圓盤周圍時，小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖。這說明橡膠圓盤產(chǎn)生的磁場也是客觀存在的。
以上兩個是平常的不能再平常的實驗，但如果我們再增加一個圓盤的話，卻會產(chǎn)生截然不同的后果。
第三步，把兩個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)兩個圓盤帶的都是負(fù)電荷，總之，對實驗結(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（這意味著兩個橡膠圓盤所帶的電荷都不會丟失），那么這兩個圓盤之間的靜電斥力是始終存在的。從另一角度來講，這兩個橡膠圓盤所形成的靜電場是客觀的，這個靜電場的存在使它周圍一定空間范圍內(nèi)的帶電物體受到影響，不論這兩個圓盤的運動狀態(tài)如何，這兩個橡膠圓盤形成的電場都是始終存在的。也可以說，這兩個靜電場的存在不受外力影響。
第四步，把兩個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)兩個圓盤帶的都是正電荷（也可以假設(shè)兩個圓盤帶的都是負(fù)電荷，總之，對實驗結(jié)果都沒有影響），它們的旋轉(zhuǎn)方向如圖所示，這時每個圓盤由于高速旋轉(zhuǎn)而等效于一個小磁鐵，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。并且這兩個橡膠圓盤所形成磁鐵的N極、S極恰好相對，此時兩個橡膠圓盤之間除了電場力以外還應(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，由于它們產(chǎn)生的磁場N、S極相對，則它們之間必然產(chǎn)生相互吸引作用，這個吸引力是由磁力產(chǎn)生的（如圖中綠箭頭所示），并且橡膠圓盤轉(zhuǎn)速越高產(chǎn)生的磁場就越強，兩個橡膠圓盤之間相互吸引力也就越大。這里我們看到，靜電力和磁場力是一對矛盾力，靜電力總是使兩個橡膠圓盤之間相互排斥，而磁場力總是使兩個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，到底是電場力的作用大還是磁場力的作用大呢？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：兩個帶電粒子之間會產(chǎn)生靜電力的作用，這個靜電力的大小僅僅與兩個點電荷之間距離的平方成反比，與這兩個點電荷電量的乘積成正比，而與點電荷的相對速度無關(guān)。但是上述實驗的卻否定了這一結(jié)論：它至少說明，兩個帶電粒子之間的靜電力還與它們之間的相對運動速度有關(guān)。在上面的實驗中，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，如果圓盤靜止不動，則它周圍只有電場而沒有磁場；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。這個磁場從何而來？磁場作為物質(zhì)的一種形態(tài)，是客觀存在的，磁場的產(chǎn)生必然有一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。很顯然，磁場只能是由靜電場（的運動）轉(zhuǎn)化而來的。既然靜電場有一部分轉(zhuǎn)化為磁場，而靜電場本身又是有限場（關(guān)于有限場的概念請參閱第五章），所以轉(zhuǎn)化后靜電場的強度必然減弱，靜電場轉(zhuǎn)化的部分越多磁場就越強。靜電場運動以后電場強度減弱而磁場強度增大這一現(xiàn)象，從另一個角度來看，也可以看成是由于運動使電荷“電”的特性減弱而“磁”的特性增強。據(jù)此，我們得出一個結(jié)論：運動使電荷電量減小磁性增強。
2、論荷速關(guān)系
在上一節(jié)中我們用一個實驗現(xiàn)象引出了兩個點電荷因相對運動速度的變化而對靜電力的影響�，F(xiàn)在我們來深入分析這個問題。
庫侖定律指出：兩個帶電粒子之間會產(chǎn)生靜電力的作用，這個靜電力的大小僅僅與兩個點電荷之間距離的平方成反比，與這兩個點電荷電量的乘積成正比。
即有：F＝
式中F是兩個點電荷靜電力的大小，Q1為一個點電荷的電量，Q2為另二個點電荷的電量，R為這兩個點電量之間的距離。我們知道，兩個點電荷之間的靜電力是靠靜電場來傳播的，而靜電場作為一種物質(zhì)實體是有限場，詳細(xì)情況可參閱第五章－－物理學(xué)研究的方法論。
當(dāng)點電荷運動以后，在它周圍的空間中將產(chǎn)生磁場，同樣這個磁場也是客觀存在的，不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，我們知道，磁場同樣為有限場。而有限場的一個最顯著的特點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)生的電場和磁場中，電場的產(chǎn)生是因為圓盤帶有大量電荷，倘若圓盤靜止不動，則不會有磁場的產(chǎn)生，而橡膠圓盤產(chǎn)生的靜電場是有一定強度的有限場，這個場的存在是客觀的、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，同樣，這個磁場也是有一定強度的有限場，這個場的存在也是客觀的、不以人的意志為轉(zhuǎn)移的。很明顯，剛開始時橡膠圓盤周圍空間僅存在電場，當(dāng)橡膠圓盤旋轉(zhuǎn)以后將產(chǎn)生磁場，橡膠圓盤周圍的電場是由其所帶的電荷產(chǎn)生的，而磁場則是由其所帶的電荷運動而產(chǎn)生的。既然橡膠圓盤周圍的電場和磁場都是有限場，么磁場強度增大時電場強度必然減弱。倘若我們把這個橡膠圓盤看作是透明的，對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，而橡膠圓盤運動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動而使所帶電荷減小了一樣。但對左邊的小磁針來說情形恰好相反，橡膠圓盤運動停止不動時小磁針沒有受到磁力作用因而不偏轉(zhuǎn)，而橡膠圓盤運動以后小磁針受到磁力作用并開始偏轉(zhuǎn)，對小磁針而言，看起來就就好像橡膠圓盤由于運動而使它的磁性增強了一樣。
根據(jù)能量守恒，有：靜電場能＝電場能＋磁場能
這里，我們把橡膠圓盤靜止時產(chǎn)生的電場稱為靜電場，而把橡膠圓盤旋轉(zhuǎn)以后產(chǎn)生的電場稱為電場，以示區(qū)別。很顯然，橡膠圓盤靜止時產(chǎn)生的電場強度要大于橡膠圓盤運動時產(chǎn)生的電場強度。從另一個角度來看，橡膠圓盤靜止時它僅僅是一個帶電體而不是磁體，橡膠圓盤運動后它既是一個帶電體又是一個磁體。
即有：靜電場力＝電場力＋磁場力
根據(jù)庫侖定律我們知道，靜電力
F＝ �、�
F＝ ②
電荷在磁場中所受到的磁場力
F＝B＊Q＊V �、邸 �
因為這個磁場也是由運動電荷產(chǎn)生的，而電量為Q的點電荷產(chǎn)生的磁場強度為
B＝ �、�
把④代入③，有
F＝B＊Q＊V＝
若設(shè)橡膠圓盤運動以后的電量為q，則有
靜電場力＝電場力＋磁場力
＝＋,化簡后有
q＝Q
若設(shè)電荷靜止時的電量為Q0，運動后的電量為Q，則上式可寫成
Q＝Q0×
由于μ×ε＝，所以上式可以寫成相對論形式，
即有:
Q＝Q0×
這說明：一個靜止電量為Q0的電荷，倘若以速度V運動以后，它的電量就減小為Q0×，我們把這個關(guān)系稱為荷速關(guān)系。荷速關(guān)系說明，對于同一個電荷產(chǎn)生的場，由于觀測者相對于電荷的運動速度不同，導(dǎo)致的觀測結(jié)果也不相同。換句話說，對同一個電荷而言，不同的參照系中觀測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；而在有的參照系中它是運動的，在其周圍同時有電場和磁場存在。但不管怎樣，由于電荷周圍形成的場是客觀存在的有限場，所以在不同的參照系中觀測到電荷周圍的場的能量都是一樣的，即有靜電場能＝電場能＋磁場能。
3、鐘慢效應(yīng)
相對論中有一個著名的論斷，那就是鐘慢效應(yīng)。鐘慢效應(yīng)指出，隨著物體運動速度的增大時間將變慢，當(dāng)物體的運動速度達(dá)到光速時時間就會停止。即有：
T＝
這一關(guān)系式在二十世紀(jì)初被人們證實。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，它的運動周期也逐漸變，并且有以下關(guān)系式：
T＝ ①
在上式中，M為帶電粒子的質(zhì)量，B為磁場強度，Q為帶電粒子的電量，V為帶電粒子的運動速度。當(dāng)帶電粒子的運動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速時，帶電粒子的周期近似為
T0＝ �、�
人們認(rèn)為，在帶電粒子的周期公式①中，帶電粒子的電量Q、質(zhì)量M、磁場強度B均為常數(shù)，而帶電粒子的運動周期變長，就只能解釋為由于運動引起時間變長了。相對論把這種現(xiàn)象推廣到了一切物體，認(rèn)為只要物體運動速度為V，那么對它而言時間將變慢了，即有：
T＝
待續(xù)
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