麦克斯韦关系式(如何让速度提升到超光超和量子纠缠的速度)
资讯
2023-11-13
103
1. 麦克斯韦关系式,如何让速度提升到超光超和量子纠缠的速度?
超光速是不可能的。可以看看下面的文章。会对你有帮助。
导读:头条问答,有很多关于类似光的问题。比如光的速度问题,光的质量问题。所以这篇文章可以解开你的迷惑。
关于光的质量以及运动速度的说明
光不仅在物理史上是个非常重要的概念,就是日常生活中我们也非常熟悉。可是我们真的熟悉吗? 真的理解光吗?其实就目前为止,关于光的研究还在继续。比如光有没有质量,光速能否被超过,就这些被激烈讨论的问题,我以自己的了解和理解为大家做一个详细说明。
首先我们应该对现有的光的研究历程有一个大概的了解。这里不得不提到一个人——詹姆士·克拉克·麦克斯韦。他在法拉第的工作基础上,开创电磁理论,成为电磁理论的集大成者。
并且他通过计算,得出光和电磁波的速度相同,于是他大胆预言:光就是电磁波。在1864年麦克斯韦提出他的理论之后,1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后1898年,马可尼又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。
这样人类除了知道光的速度之外,开始从本质认识光的历程——光是一种电磁波!
这里值得一提的是最早测量光速的人是伽利略,尽管他没有完成测量,但开启了人类测量光速的序幕。大家都知道伽利略可以说是近代实验科学的奠基人。很多后辈大科学家包括牛顿,爱因斯坦等都受伽利略启发。
接着说赫兹,赫兹还发现了光电现象【光照射到金属上,引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应】,后来由爱因斯坦给出了解释。并由此获得了1921的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦主张,光的能量并非均匀分布,而是负载于离散的光量子,而光子的能量和其所组成的光的频率有关。这个突破性的理论不但能够解释光电效应,也推动了量子力学的诞生。
在量子力学体系建立的过程中,光的研究也不断的深入,尤其是波粒二象性的理论。即光具有波粒二象性,单独用波,单独用粒子来形容光都是不完整的,二者结合才能解释光的一切现象。
后来德布罗意在光具有波粒二象性的启发下,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子和质子、中子,都具有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上,指出:具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性,这种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比,即λ= h/(mv)。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。
灵遁者科普书籍《变化》在灵遁者淘宝有。
三年后,通过两个独立的电子衍射实验,德布罗意的方程被证实可以用来描述电子的量子行为。在阿伯丁大学,乔治·汤姆孙将电子束照射穿过薄金属片,并且观察到预测的干涉样式。在贝尔实验室,克林顿·戴维森和雷斯特·革末做实验将低速电子入射于镍晶体,取得电子的衍射图样,这结果符合理论预测。
还有一个关于光的理论就是光速不变理论。这个得提到一个著名的实验——迈克尔逊-莫雷实验!迈克尔逊-莫雷实验是1887年迈克尔逊和莫雷做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此否认了以太(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为近代物理学的一个发端,在物理学发展史上占有十分重要的地位。
大家要知道,爱氏本人也深受以太学说的影响,后来也是受迈克尔逊-莫雷实验否定了以太学说,以光速不变原理,否定了经典牛顿时空的同时绝对性,建立了狭义相对论。后来又以等效原理,把狭义相对论拓展到了广义相对论。但光速不变,依然是狭义,广义相对论的基石!
上面简短的内容,就是人类大概认识光的历程。但关于光的讨论从未停止。我们来说说常见的问题:光速能否被超越?光有质量吗?
甚至很多新闻报道都有说:光速可以被超越,比如用量子纠缠来举例说明是最多的。
至于光有质量吗? 很多人会说光能被大质量物体的引力偏转,就说明它是具有质量的。
我这样来跟大家的解释:真正意义上物体的运动速度是不会超越光速的,而且光子是没有静止质量的,光也就没有静止质量的。这点我是赞同爱氏的。
我们先来说说物体为什么不会超越光速?大家看看这个公式m=m0/sqrt(1-v^2/c^2)。假如物体的速度V大于光速,那么根号下肯定是1减去比它大的数字,得到一个负数,负数怎么开根?就算开出来也没有任何意义。这就是为什么理论上超光速是不存在的。
同样是这个公式,我们假设物体质量为1. 物体速度达到光速。那么此时物体的质量就变成了1除以0了。1除以零在数学上没有意义,可是在现实宇宙环境中,意味着无穷大。也就是说物体质量趋向于无穷大。大家可以在手机上输入1除以0,就会显示无穷大。
所以这就是为什么物体不能达到光速的数学解释。无论质量为1,2,3等任何一个正数,除以零,都是一个无穷大的趋向。
这是数学解释,你满意吗?我还要更深层次问物体不可以光速运动的原因是什么?一切数字公式回归现实才会变的有力量,更清晰!
我这样来回复大家,爱氏用时空弯曲解释引力的成因,我认为需要修正。那就是引力的成因是时空,不是时空弯曲。而且时间,空间,物质是一体的东西。这种一体的东西都可以用时空能量来衡量。所以任何物体必然是处于引力场中,处于宇宙之中的物体。
那么一个物体要超越光速就必须克服时空性质。这种时空性质是指宇宙环境,毕竟时间,物质,空间是一体的东西,它具有粘性。
而且有质量的物体以光速运动的话质量会趋于无限大,时间将停止。就好像是说这个物体作为一个“力点”要影响和拉动整个宇宙。所以这是不可能实现的情况。
因为单个物体的能量是不会超越整个宇宙的能量。所以这样解释的话光速其实是个法则,是一种束缚态,是一个束缚态法则。这就是为什么物体运动速度不会超越光速!
我们的问题还没有结束!既然光可以被大质量物体的引力偏转,就说明它应该具有质量。如果没有质量,引力就不会作用与它。
来看看两个公式,质能公式E=mv²和普朗克E=hv。假设光子有质量,所以不同的跃迁跳跃光子对应不同速度,然而这与观察结果不相符,被观测的光子速度均为统一速度。而且普朗克公式里面本来就没有m的出现,本身就说明了光子静止质量为零。或者也可以说没有静止质量。这样更加准确。
事实上我们知道光子静止质量为零,是一种理论的要求,我们谁也没有测量它的质量是“零”。也无法测量,因为你无法找到静止的光子。所以说光子没有静止质量是准确的。也可以说光子是一定有质量的,是有运动质量。
爱氏曾质疑牛顿第一定律有循环论证嫌疑,这里我发现他这个理论也有循环论证嫌疑。我们在现实生活中找不到惯性系,却要来说明在惯性系中物体总要保持匀速直线运动和静止状态。同样我们要证明光子静止质量为零,首先必须找到静止的光子。可是静止的光子我们找不到,但我们还说光子静止质量为零。或者说光子没有静止质量。在这里的讨论看似无意义,其实很有意思。
我们接着假设光子没有静止质量,不同跃迁的光子对应一个固定的光谱,与观测结果一致。所以我们说光子没有静止质量。
那么问题又来了,光有运动质量,为什么运动过程,质量没有无限大?? 一般书本以光子没有静止质量来说明。但是我们其实还是不理解的。 有运动质量,为什么不遵守理论内容呢!
类似的问题还有一个:光速为什么以光速运行??规定光速原则的性质和宇宙法则机制如何的?
先来回答第一个问题,光有运动质量,却可以光速运行!我个人认为这和波粒二象性有关。光子的能量是传输是一份份的,而它被大质量物体偏转时候又表现出“波”的性质。
质量和能量是两个概念,物体的一体两面。光子我们多以能量来形容。也就是光子以光速运动的能量是多少多少,而不是质量是多少多少。能量不是无限大,质量自然也不是无限大。所以光子这个特殊的粒子以光速运动质量不会无限大。
否则打在我们身上的太阳光,直接将我们打的灰飞烟灭!但太阳光很温暖,说明它携带有能量。用我们可见的词汇来形容就是“温暖”,你见过谁会说给我来二斤“温暖”。这样形容其实不准确,只是为了让大家有直观的感受。
其实波粒二象性本身就是“宏观”和“量子”的结合体现。也可以说是物体“质量”和“能量”的过渡体现。所以爱氏在发现光电效应和建立了相对论理论后,一直脑海中有统一四种基本的力的构想是正确的,也是可以统一的。物理学的发展本身也是证明了这一点,只不过万里长城还差最后一段没有走完!
至于最后一个问题:光为何以光速运动?其实还是时空“粘性“使然。这种粘性阻碍了物质的物体光速运动,又使得光子能以光速运动。
说到上面的循环论证,然我想到了哥德尔不完备定理。
1、任意一个包含一阶谓词逻辑与初等数论的形式系统,都存在一个命题,它在这个系统中既不能被证明为真,也不能被证明为否。
2、如果系统S含有初等数论,当S无矛盾时,它的无矛盾性不可能在S内证明。
所以大家看到了,伟大的哥德尔为我们揭示了一个哲理启发。任何一个循环论证,悖论和理论想要以此说此,以彼证彼,层层跟进最后的结果是不可证,不可说。
这就是告诉了我们,宇宙以一种彼此连接的形式存在,却不能自证真伪。是啊,宇宙不需要真,也不需要伪,但是人类需要!
摘自独立学者,科普作家灵遁者物理宇宙科普书籍《变化》第二十六章。
2. 光子有质量吗?
导读:头条有朋友问光到底有没有质量,我看了一下大家的回答。很多有有理有据,而且有新意。非常不错。摘录几个我认为精彩的分享给大家。
1、光子是极端相对论粒子.光没有静止的质量,也就是说只有在相对论的语境下光有质量.E = m(c^2) = hv 可以得到单个光子的质量.其中“^2”表示平方,h是普朗克常量,v是光子频率,c是真空中光速,m就是光子的“质量”“为什么说太阳照了地球这么长时间,却没有看到地上有“光”?”
其实这个问题和光有没有质量没关系.光子照到地球上都被地面物体的原子吸收而“湮灭”,“湮灭”就是说光子消失并且把光子的能量传递给原子的过程,过程中满足能量守恒定律.简单的说光一到地面就消失了.
2、个人理解:1,到底有没有纯粹的“物质”这东西存在?或者说 物质是确切的 独立的吗?目前的基本粒子研究还没有穷尽 基本的假设是弦理论,这已经超越了粒子和波的概念。那么,“波”有质量吗?
2,光子是从粒子角度解释光,即是粒子,必然有质量。
3,从粒子角度,光子有无更进一步的组成?
质量和能量是不可分割的一体两面。
3、光的传播不是连续,不是流水,而是滔水。每滔一次就是一个光量子,我们称之为光子或量子。我们看到的光就是由许许多多的光量子组成。每一份光子大小一样,都是6.626乘以10的负34次方焦耳每秒,没有比这个更小的能量了,能量也是物质,也有质量,没有比这更小的质量了,这就是量子物理理论的基础。表面上看,这似乎没什么,但细思极恐,这表面我们所在的世界、大自然不是连续的,根据普朗克公式,E=hv,我们得出有最小的能量,最小的长度,最小单位的时间以及最小的质量。但这些数据太小,我们似乎可以忽略不计,但大到天体,表现就很明显了,2006年,天文学家观察到地外星系两个恒星合并成一个恒星,合成后少了6个太阳质量,就是少合并后所发出的光重6个太阳!我们不禁感慨宇宙的神奇。
4、到目前为止,光具体是什么科学家没有给出明确答案。到现在只能含糊其辞的描述,光具有波粒二象性,其实就是自己糊弄自己。我个人认为,只要是能被重力作用的粒子,就具有质量。光明显能被重力作用,这说明光具有质量,虽然质量微乎其微,导致我们至今测量不出光子质量,这不能说明光子没有质量。我还想说不但光子有质量,中微子同样有质量,而且中微子的质量大于光子。
5、光子没有静止质量
光子速度均为一个相同的速度,所以光子没有静止质量
有质量物体有动能E=mv²。没有质量的物体有动能E=hv。假设光子有质量,所以不同的跃迁跳跃光子对应不同速度,然而这与观察结果不相符,被观测的光子速度均为统一速度。假设光子没有静止质量,不同跃迁的光子对应一个固定的光谱,与观测结果一致。
综上所述,光子没有静止质量。
6、光子是宇宙核心的内容,解开了光子之谜宇宙之谜也就有了很大的进展,谁能完整诠释光子的属性毫无疑问将获得诺贝尔奖,爱因斯坦的质能方程现阶段未经理论证实,只是用于实际生活中而已,光子属于量子理论研究的范围,量子理论如今有了很大的进展,已经不在那么玄妙了,像那种什么波粒二象性,薛定谔的猫这种有时代局限性的解释只是表达不到位而已,相信随着人类智能的发展,这一切玄幻的东西都将被合理解释。
7、大家先搞清楚什么是质量,质量其实是物质惯性大小的衡量指标,是物质粒子属性的描述,没有惯性束缚的物质就是光子!但光子的粒子属性是通过能量表现出来的。质能方程告诉我们,是物质就有能量,但未必有质量。
8、光子是有质量的。质量,能量,存在是三位一体的。存在的一切都有质量,都具有能量!正因如此,一切存在的事物才可以被定义,被凝结成概念,被人类赋予独特的含义,成为各种信息的载体!
摘自独立学者,诗人,作家,国学起名师灵遁者科普书籍《变化》
3. 爱因斯坦为什么能在当时没有计算机科技又不怎么发达的情况下?
与有没有计算机没有太大关系,计算机只能让运算速度更快,理论上只要有时间,就能达到计算机的运算结果,况且爱因斯坦时代并不需要如今这样复杂的数学计算!
爱因斯坦之所以提出如此超前的理论,还是在于他异于常人的思维方式,这点更多的提现在了广义相对论。
而狭义相对论的提出有两个重要前提(也可以算是假设),那就是相对性原理和光速不变原理,你可以人类这两个原理就是我们如今所说的公理。
所以,这两个重要假设是一般人做不到的。如果知道了这两个假设,只要你在拥有高中数学知识,也可以推导出来狭义相对论的几个公式!
而广义相对论相对比较麻烦,里面有很多复杂的数学推导计算,包括高等数学里面的微积分等。同时,广义相对论刚开始时并没有被大众接受,在几十年之后,随着人类科技水平的不断进步,才证实了广义相对论的正确性!
所以说,灵感对于天才科学家来说显得更重要,物理知识和数学知识比爱因斯坦好的科学家大有人在,但恰恰是在灵感(也可以说是思考问题的方式)的差别,让爱因斯坦异于常人!
当然,这种灵感和想象力不是凭空而来的,是需要一定的理论知识为基础的。我们可以说,爱因斯坦的相对论最开始的“假设”很重要,但不是谁都能想到,也不是谁都敢想到那样的假设!
4. 麦克斯韦再物理界有那些贡献?
1831年6月13日,詹姆士?麦克斯韦出生在苏格兰爱丁堡一个很有名望的家庭。
其父对于实用的、技术性的学问很感兴趣,后来成为爱丁堡皇家学会成员。8岁时,母亲去世,在父亲的引导下学习科学。
受其父亲的影响,麦克斯韦从小就进入科学界,因而受到很多有益的影响。
1847年,16岁的他进入爱丁堡大学学习数学和物理学,1850年,他转入剑桥大学,在那里,在著名数学家W?霍普金斯的指导下,他取得了不菲的成绩。;1855年至1856年间,麦克斯韦发表了第一篇电磁学方面的论文——《论法拉第的力线》。
这篇论文不仅以抽象的数学形式表示了法拉第直观的力线图像并推进了法拉第的实验研究,而且包含了一系列重要思想,为以后的研究开拓了一条新路。;
1861年,在对磁场变化产生感应电动势的现象作了深入分析之后,麦克斯韦敏锐地感觉到,即使不存在导体回路,变化的磁场通过媒质也会在其周围激发出一种“场”,他把它当作感应或涡旋电场。
这是麦克斯韦为统一电磁理论所作的第一个重大假设。
1862年,麦克斯韦发表了重要论文《论物理的力线》,其中引进了“位移电流”的概念。
这是麦克斯韦理论思维的一个创造,也是建立理论的一个关键步骤。
这使他可以把导体中的电流产生围绕电流的磁力线和导体切割线时在导体中产生感生电流这两个基本原理加以扩展,形成下述两个原理:空间里变化的电场产生磁场;空间里变化的磁场产生电场。
由此得到这样一幅崭新的物理图景:交变的电场产生交变的磁场,交变的磁场产生交变的电场。
这两种相互联系、相互激发的过程,使电场和磁场形成统一的“电磁场”。
关于电磁场的完全的理论体系就这样逐渐形成。;
1864年至1865年,麦克斯韦发表了著名论文《电磁场的动力理论》。
在这篇论文里,他得出了真空中的电磁场方程即麦克斯韦方程。
这个方程在电磁学中的地位,相当于牛顿力学定律在经典力学中的地位。
其形式之简洁、优美,一直为科学界所称道。;
1868年,麦克斯韦发表了又一篇重要论文《关于光的电磁理论》,明确地把光概括到电磁理论中。
这就是著名的光的电磁波学说。
到此为止,麦克斯韦就把电学、磁学、光学这三个原来相互独立的重要物理学研究领域结合起来,完成了”世纪中叶物理学的一个重大综合。;此外,继法拉第之后,麦克斯韦用数学的力量进一步排除超距作用力,对物理学的发展具有深远的意义。
因为如果不排除超距力,就不会有电磁理论,也不会有相对论。
如果用洛仑兹变换,就可以从麦克斯韦推出光速不变的原理,而这正是相对论的一个基本前提,难怪爱因斯坦千再说,狭义相对论的建立要归功于麦克斯韦方程。;
1871年,麦克斯韦任剑桥物理系主任,成为剑桥大学第一个实验物理学教授,筹建并领导该校卡文迪物理实验室。这个名为实验室而实为物理研究所的学术单位,后来发展成为科学史上最重要的、最著名的学术中心之一。;麦克斯韦的最大贡献是建立了光的电磁理论。
早在上大学时,他就意识到,法拉第的理论正是建立新的物理理论的重要基础。
他决心以数学手段弥补法拉第的不足,以清晰准确的数学形式把法拉第的天才观念表示出来。;
1873年,麦克斯韦完成了经典著作《论电和磁》,这部书被尊为牛顿《原理》一书以后最重要的一部物理学经典。麦克斯韦的电磁学,是人类知识宝库中一份博大精深的科学遗产。
除了电磁学,麦克斯韦对热的分子动力论所做的贡献也是突出的。
1871年,麦克斯韦出版了《热的理论》一书。
这本书表述了压强、体积、熵、温度等热力学变量的偏导数之间的一些关系式,即“麦克斯韦关系式”。这些关系式在热力学中的地位,相当于麦克斯韦方程组在经典动力学中的地位。;1879年,麦克斯韦开始把注意力转向气体理论方面。他利用数学统计的方法,导出了分子运动麦克斯韦速度分布律。这一成果可以看作经典统计物理学的起点。除此之外,麦克斯韦还进一步发展了哈密顿关于矢量分析和符号微分算子运用合理性的理论,还在马觉理论和色度学、土星光环的研究、几何光学、伺服机构(节速器)光测弹性学、结构力学等不同的领域作出了重要贡献。同年11月5日,麦克斯韦因癌症不治去世,终年49岁。物理学史上一颗可以同牛顿交辉的巨星坠落了。后人为了纪念他,把磁通量的单位命名为麦克斯韦。
5. 为什么说经典物理相对论还有量子力学都存在缺陷?
郭哥聊科学——普及科学知识、传播科学精神。作为一个物理系的毕业生、科学爱好者、头条优质科学领域作者自信有这个能力回答您的问题。由于提问中包含了两个问题,下面我就来分别解答。
一、为什么经典物理、相对论和量子力学都存在缺陷?
物理学存在缺陷吗?或者说科学存在缺陷吗?这个答案还真是肯定的,不论是经典物理、相对论还是量子力学都存在缺陷,这是一个铁打的事实,但它们同时又是值得信赖的科学理论,也是一个铁打的事实。原因如下:
1.1、人类所处的位置,决定了人类认识问题的角度
1971年10月十四届国际计量大会确定了国际通用的国际单位制,简称SI制。确定了七个基本物理量,SI制:七个基本单位:长度m,时间s,质量kg,热力学温度(Kelvin温度)K,电流单位A,光强度单位cd(坎德拉),物质的量mol;还有二个辅助单位:平面角弧度rad,立体角球面度Sr。
我们研究世界的方法其实主要是通过人类的感觉功能:视觉、听觉、触觉、嗅觉。即使是利用仪器,其实也不过是我们人体这些感觉能力的延伸。
在长度上,我们人体的身高从几十厘米(婴幼儿)到2米(成人)之间,我们目力所及,从最小0.1毫米到几公里,不要说什么仰望星空,事实上,我们在没有望远镜之前,除了太阳和月亮,其它的也都不过是一些小亮点。
在时间上,如果不借助任何仪器,我们感知的最小单位也不过是以秒为单位,更多的是小时和昼夜、季度以及年。对于其它物理量,我们的感觉也都是如此。
可以说,我们人类所处的位置,大概是一个这些物理量的中间位置上。这是一个恰到好处的位置,可上可下,物质在这个状态下,也是比较稳定的。这才给我们诞生生命,以至于发展出我们人类的机会。无法想象在天王星那样的极端条件下会诞生生命,并进化出人类吧。
1.2、人类的位置,决定了人类认识世界的出发点
跟很多战略游戏差不多,比如《红警》、《亮剑》,人类一诞生就处在自然界的一个“角落”里,我们只能“看”到环境提供给我们的条件,就像游戏中,刚注册的账号,并没有打开全部地图一样,其它区域都是黑色的,随着升级,我们才能去那里的道理是一样的。
这里说的“角落”就是我前面说的位置,指的是我们所处的那些物理量的区间。所以我们的研究就是从我们自身所在的位置不断向外扩展。
很显然,我们最先得到的就是经典物理。看一下经典物理研究的内容,基本上都是我们日常经验能接触到的范围。在牛顿时代所能接触到的运动最快的物体就是炮弹和弓箭,都是远低于光速运动的物体。所以说,经典物理理论是经受住了我们日常经验的检验的,用它来处理我们的日常问题,没出现什么问题。
然而,经典物理却没有经受住时间的检验。随着技术的发展,或者说,随着我们在游戏中打怪升级,我们的地图变大了,我们看到的东西多了,就发现了经典物理学存在着不能解释的东西。这就是我们下面要说的问题:极大和极小。
1.3、人类视野的拓展——中间开花、两极发展
前面我们说了,人类处于我们这些物理量的中间位置,随着打怪升级,我们的地图变大了,这个地图向两个方向扩展,得益于望远镜和显微镜的发展,我们看到的世界从经验中,大的方面说,拓展到了星系、星系团乃至宇宙;小的方面说,我们可以看到花粉、病毒、细胞、分子、原子、电子。
正因为如此,所以物理学也是随着人类的视野变化而变化,产生了两个不同的方向,研究大的方向上产生了相对论,而在研究细微的物质方向上产生了量子力学。但不管怎么样,我们的出发点都还是在我们的基地——物理量的中间值。
也正是由于极大和极小两个方向并不是那些留在基地的人或者说是日常经验中就能观测到的现象,所以才导致了很多人不能理解它们。如果没有一定的数学功底,以及相应的实验经历,很难用通俗(日常经验)的语言去描绘这样两个极端。
夏虫不能语冰,其实并不是一句瞧不起人的话,而是陈述了一个血淋淋的事实,任何想从经典物理,或者说是日常经验去理解相对论和量子力学都是徒劳的。所以我们看到,科学的发展越来越费钱了,要造大型强子对撞机,有了LIGO还不够,多国都要发射空间引力波天线。
为什么?因为物理学的发展需要我们开拓视野,游戏中需要扩大地图才能升级。而扩大视野所需要的条件,是我们日常经验的环境所不能提供的。创造出这样的极端环境也需要我们付出极端的代价,那就是这些研究设备越来越贵。不知道如果有一天,科学不能带来直接的经济效益的话,还能不能有国家或者机构愿意再投入这样的巨量资金,也许那时候就是科学发展要停滞的时刻了吧。
二、用什么理论能统一空间?
要回答这个问题可能是很难,这里面存在两个问题,第一、我们现在看到的已经是全部的“地图”了吗?第二、极大和极小客观上是统一的吗?
我这个思维还是回到了科学的最根本性问题,即科学要从客观实际出发,没有客观实际的支持和对应的经验总结,我们就不能得出任何可靠的科学理论。
处于物理量中间位置的我们,曾经受到了物理规律统一的好处,也就是说,我们曾经掌握了中间状态的全部规律,并且用最简单的方法把它们统一起来了,让我们对自身所处的世界有了一次认识上的提高。自然就希望,能有下一次,来个极大和极小的大统一。
这当然是科学家们的美好愿望,当然也是我这样的科学爱好者的美好愿望。但就如我前面说的,能否实现,还是要看客观条件的限制。极大和极小之间是不是存在着统一的规律,以及我们能否有机会找到能统一它们的客观现象。
结束语
尽管经典物理、相对论和量子力学都有缺陷,但毫无疑问它们在我们目前的地图上都是值得信赖的理论,理论的缺陷源自人类本身所处的自然条件的限制。对于规律,它们其实就在那里,不管我们是否发现。而我们现在找到的,也只是规律的一部分,这才是科学理论有瑕疵的根本原因。
欢迎关注郭哥聊科学,我将努力为大家提供高质量的科普文章。
6. 关于光速的问题?
爱因斯坦是如何创立狭义和广义相对论的
——灵遁者
其实这一章,我自己认为没有必要写,因为爱氏关于狭义相对论和广义相对论的知识,随便网上一搜,就铺天盖地了。而且就内容的权威和全面性,肯定比我写的好。
但好多网友,留言说你既然在《变化》中反复提到这两个理论,就该介绍一下。并且建议我写的更加有趣和通俗点,就是别像网络上的内容那么严肃,一看就好像特别的难的样子。
其实我想说,我也写不出来难的东西,难的东西我也不会。就介绍而言,保持“爱氏相对论”原来的样子,原汁原味比通俗易懂更重要,毕竟这是科普介绍,不是在这个理论之上,所做的启发性猜想,这是两个概念。
不过没有介绍这两个理论,确实是我的遗憾。不能我认为网上有,就不需要介绍。还是要介绍的,这点感谢书友的建议。
一开始,我来讲一个看过的视频。记者采访当今中国物理学的泰斗杨振宁,问杨振宁先生谁是您的偶像,爱因斯坦算吗?
杨振宁给了肯定的回答,并且这样说道:“爱因斯坦是了不起的物理学家。因为他不止是在一件事情上做了革命性的发展,可以说20世纪最重要的三个大革命,其中两个半是他所促成的,他对于物理学的发展,可以和牛顿媲美。没有第三个人能和他们两个人比。”
杨先生所说的“两个半贡献”应该就是指狭义相对论,广义相对论,另外半个是指爱氏对于量子力学的贡献,具体应该是指光电效应,光量子理论。
再来给大家说一个故事,就是爱因斯坦在我看来,是一个很有个性的人。你们知道他写一篇物理文章是什么时候吗?是16岁,16岁的我们,大多数上的高中。
16岁的时候,他写出第一篇物理论文《磁场里以太的状态的研究》。看标题就知道是关于什么内容了。不过我们都知道,随后爱氏放弃的以太存在的观点,才创立了相对论。
所以各位,一开始,观点都不一定正确,连伟大的爱因斯坦都是这样过来的。
关于爱氏两度放弃德国国籍的事情,也让我深深震动。人都是畏惧环境,尤其是在大的浪潮环境下更是这样的。
1914年(35岁)4月,爱因斯坦接受德国科学界的邀请。迁居到柏林。8月,即爆发了第一次世界大战。他虽身居战争的发源地。生活在战争鼓吹者的包围之中,却坚决地表明了自己的反战态度。
9月,爱因斯坦参与发起反战团体“新祖国同盟”,在这个组织被宣布为非法、成员大批遭受逮捕和迫害而转入地下的情况下,爱因斯坦仍坚决参加这个组织的秘密活动。
10月,德国的科学界和文化界在军国主义分子的操纵和煽动下,发表了“文明世界的宣言”,为德国发动的侵略战争辩护,鼓吹德国高于一切,全世界都应该接受“真正德国精神”。
在“宣言”上签名的有九十三人,都是当时德国有声望的科学家、艺术家和牧师等。就连能斯脱、伦琴、奥斯特瓦尔德、普朗克等都在上面签了字。当征求爱因斯坦签名时,他断然拒绝了,而同时他却毅然在反战的《告欧洲人书》上签上自己的名字。
当祖国错了的时候,他能理性爱国;当别人服从的时候,他能坚持自己。伟人的人,不仅有伟大的贡献,更是有伟大的人格。爱因斯坦之所以名满世界,大概就源于此吧。
关于爱氏的故事,还有很多,大家可以自己找找。回到我们的主题,来介绍一下狭义相对论和广义相对论。而且我尽可能讲一些你们在网络上没有看到过的,你们在平日里,没有思考到的。我觉得这才是你们要的,也是我要给你的。
在开始的时候,我就要说明这两个理论的基础。然后你们再跟着这些基础来理解爱氏的理论。
1、狭义相对论是建立在狭义相对性原理和光速不变原理之上。那什么是狭义相对性原理,什么是光速不变?
狭义相对性原理:一切物理定律(力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律)在所有惯性参考系中都是等价(平权)的,没有一个惯性系具有优越地位,不存在绝对静止的参考系(以太),从而否定了“以太说”和绝对空间。
值得一提的是,这个原理其实是伽利略相对性原理的推广,也就是说伽利略是第一个思考惯性中物体运动的变化的人。这个我在《变化》里最初的几章内容中着重讲过。非常重要的理论概念!
可以说不理解惯性,惯性系,非惯性系的情况下,你要深刻理解相对论,是做不到的。
我也因为考虑了惯性,惯性系和引力,引力场的关系后,得出引力是惯性的源泉。
光速不变原理:真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。
2、广义相对论建立在广义相对性原理和等效原理之上的。那什么是广义相对性原理?什么是等效原理?
广义相对性原理:所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。
很明显,广义相对性原理是狭义相对性原理的拓展。
等效原理:惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。
在这里我强调两个点:
1、广义相对论不光是建立在广义相对性原理和等效原理之上,还是建立在狭义相对论之上的理论。也就是说上面提到的“四个原理”,都必须满足,广义相对论才成立。如果狭义相对论被证明是错误的,那么广义相对论也是。
2、关于光速不变原理的理解。注意再看一遍:光速不变原理是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。
这个问题的严峻性,就好比我问你:现在的光速值被认定为299,792,458 米每秒。假如100年后,光速值的测量,变为299792458.001米每秒,那么你会说爱氏的相对论是错误的吗?
我现在再问你一遍,是对的,还是错的?思考一分钟,再往下看吧。
很显然就原理所述而言,没有一点毛病,即使100年后光速测量变为299792458.001的时候,爱氏的相对论依然是正确的。因为对于任何观测者而言,光速都是这个值,光速是不变的。
那么为什么说超光速下,爱氏的理论是错误的? 再思考一分钟,你再往下看。
其实准确的理解应该是深刻的,而不是数字上的。在超光速下,光速自然不是不变的,也就是对于不同的观测者光速不同。光速不变性原理不存在,爱氏理论自然就不攻自破了。
那么我再来升级一下问题,100年后所测的光速值,比现在光速快10米每秒,此时爱氏的理论正确吗?
你不用思考一分钟了,直接回答吧。答案是:爱氏的理论依然正确。
如果你看了我《变化》中关于光速,空间,物质的概述,没有领会到这一点,你白看了。
而且上面也说了,不要追求数字上的理解,去追求本质上的理解。100年后,光速值比现在增加10米,如果是对所有观测者而言的,那么理论依然就是正确的!
好了,你有问题要提问吗? 提问给你5分钟时间,你来提问。而且你必须提问。没有问题,你就没有看清楚我上面所说的事情。
好吧,没有时间等你了。但肯定有聪明的朋友会问:“你说了什么啊!上面说光速不变,现在说100年后光速值比现在每秒快10米,你不自打脸吗?赶紧回家,别丢人了!这么弱智的问题,你都想不到!”
各位,这位同学说的话粗糙了点,但理确实不粗糙,很细。哈哈,我有种想笑的感觉,突然觉得之前写的好多篇章,还是太严肃了。课堂气氛不行。
现在该怎么回答这个同学的提问,你能替我回答一下吗?所以再返回来,再看一遍光速不变原理:光速不变原理是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。
哈哈,这已经是第三次让大家看这个概念了。你现在应该终于体会到我为什么想笑了。就一个写的明明白白的原理,怎么理解起来,那么费劲呢!
好了,看看关键词吧:真空中,光速,任何观测者,相同。我列出了我认为是关键词的四个词。
在你要分析我给你列出的这四个关键词时,我要告诉你分析它们能让你开始怀疑人生。别问我怎么知道的,我就怀疑过!
1、真空中,这是环境要求,条件。这里面也包含一个定理,估计包括我在内的所有人都赞同。那就是“真空不空。”至于怎么个不空法,在这篇文章中就没法细说了,篇幅有限。但大概就是退相干性理论,时空微扰理论。这个我在《见微知著》中后面的一些篇幅中谈论过。
2、光速。就两个字,包含很多。光速是一个数值,表述的时候,我们会说每秒多少米。发现问题没?也就是影响光速的定义里,必然包含米的定义,秒的定义。其实在1983年之前,光速的测定值都是不严格确定的。
为了让大家知道这个事情,还是读读下面文字:20世纪下半叶,光速的测量准确度随着谐振腔和激光干涉仪的发展而不断地提升。另一方面,更精确的米和秒的定义也陆续被认可。
1950年,路易斯·艾森用谐振腔所得出的光速值为299,792.5±1 km/h。这在1957年的第12届无线电学联合会大会上得到采纳。1960年,米被重新定义,基础是氪-86的某个谱线的波长。1967年,秒也被重新定义,基础是铯-133基态的超精细跃迁频率。
1972年,位于美国科罗拉多州波德的国家标准技术研究所利用激光干涉法测定光速,得出c = 299,792,456.2±1.1 m/s,其精度比之前的测量高100倍。剩余的不确定性主要来自米定义上的不确定性。
由于类似的实验也得出相近的光速值,所以1975年的第15届国际计量大会建议把299,792,458 m/s作为光速的数值。
1983年的第17届国际计量大会结果发现,通过测量频率并固定某一特定光速值所得出的波长比此前的长度单位定义更具有可重复性。大会保留了1967年的秒定义,使铯的超精细频率成为秒和米两个单位的定义基础。米的定义改为:“1⁄299,792,458秒内光在真空中所运行的距离。”
在这一定义下,光速的准确值就会固定在299,792,458 m/s,光速也成了国际单位制所定义的常数之一。
在重新定义之前,更准确的测量会使光速值变得更为精确;但在1983年以后,对氪-86以及其他光源的更准确测量不会再改变现有的光速值,而是会增加米单位的精确度。
好了,这个简单内容,对于很多人而言,是枯燥的。但大概意思大家应该懂了。就是说光速的定义不是那么简单的,也牵涉到米和秒的定义。
3、任何观测者。就是指任何客观存在的人和物。
4、相同。这个概念不解释,也无法解释。解释起来,也够让我怀疑人生!
好了,这就是关于光速不变原理四个关键词的分析。你有问题吗?
算了,我直接问吧。这四个关键词重要吗?肯定重要,但最重要的问题是光速的本质是什么?本质是什么!
我在《变化》中回答过这个问题。在这里不分析,直接说思路。光速的本质:光速【真空】是一种时空束缚态,光速为定值是时空使然。也就是时空告诉物质如何运动,这种运动就包含了以多大速度运动。光是物质,自然就遵从时空规律。
更具体的的来说是真空磁导率和介电常数,引力场共同决定了光的速度。
可是我为什么要说100年后如果光速测量值,比现在增加了10米,相对论依然是正确的。
其实说100年增加10米,有点夸大,但不是不妥。10米和1米,0.1米,在这里的性质是一样的。
那我再问你,10米和一百万亿分之一1米在这里的性质一样吗?各位是不一样的。现在给出的光速定值299,792,458 m/s,一定是确定的吗?没有一百万亿分之1米的差吗? 也就是我说现在的光速值是299,792,458.0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001.对吗?肯定是对的,没有人敢否定这个误差,即使现在国际协议规定它是定值。
各位我在说什么?我再给你们说性质问题!可是增加了1米,变成299,792,459,那么谁都敢说,你这个和原来的不一样。
所以问题就清楚了,我要解释为什么100年后光速变成了299,792,459,增加了1米,我还认为相对论是成立的。
因为宇宙中唯一不变的就是变化,我在《变化》序言中就写道了这句话。我一直也将这个思路贯穿整本书。
而且宇宙是非线性波动的,也是开放性的。即宇宙不是一成不变的,那么光速是一种宇宙时空束缚态,宇宙发生了缓慢的变化,光速出现变动,而且必须是全域性的变动,那么对于我们而言,光速就是不变的。
也就是说时空束缚态有了松动,光速会增加,以我们无法察觉的形式有了变化。也就是光速不变原理是成立的,对于任何观测者而言,光速是一样的。
我觉得必须给你们一个案例,你们才能更好的理解。我们知道河槽宽的地方,河流流速缓慢,而河槽窄的地方,河流流速较快。等量的河水,我让河槽窄的地方,比原来窄上100万亿分之1米,那么窄的地方河流的流速有变化吗?理论上有变化,可是实际呢?实际是没有变化的,因为这样微小的变化,至少人类是无法测量出来的。
而宇宙更是庞大无穷时空体系,我这样解释,你懂了吗?仔细考虑一下。
所以从宇宙角度来说,光速是可变的,但光速不变原理却是成立的。因为光速不会今天是这个速度,明天是那个速度。要深刻理解光速不变原理。
还有一点我强调一下,因为害怕大家有惯性思维,就想不到这点。比如100年光速的测量值,比现在慢了0.1米,那么相对论成立吗?
很显然是成立的! 所以有“超光速”的概念,就一定要有“慢光速”概念。可是大家都没有意识到这点。 快和慢当然都是相对于“现在的光速”而言的。
还有一点再强调一下,很多科学家认为,宇宙大爆炸开始时候,光速比现在快。你一定看到过这样的新闻和科普知识,但你听过他们怎么解释吗? 去搜一下。
哈哈,去搜了吗? 你会发现,你其实没有搜到任何东西。对于这个问题解释,科学家无能为力的原因太多了。宇宙自身的膨胀速度大于光速,说明什么?说明宇宙膨胀的速度是大于光速吗?
宇宙自身膨胀的速度大于光速,肯定是以现在的光的速度而言的,至于几百亿年前宇宙爆发时候,光速是多少?我们其实很难知道了。但我在我的书中提到过,我其实是反对大爆炸理论的,至少持高度怀疑态度。原因也是出于上述原因。承认大爆炸理论,就必须承认那个时候,相对论不管用。这仅仅是其一。更多的大家思考一下吧。也可以去看看我之前的文章。
很多人可能会骂我,当然已经有人骂过我了。不过也有人夸我的。我很有自知之明,我不是傻x,也不是天才,我只是思考你们不常的思考的问题,我将我思考的答案写出来。当然我不能保证这些思考都是对的,有价值的。我能力,学历很有限。确实博士生随便几个问题抛过来,我就傻眼了。
等等,好像有点跑题了,继续回到论述中来。
我不知道爱氏在做出这个原理判断时候,是否也考虑了我想过的问题。他是否问过自己:“光速的本质是什么?”
好了,关于等效原理等,其实也值得深入分析。你分析一下吧。看看有什么值得分析的地方。
接下来是介绍爱氏创立狭义相对论和广义相对论的介绍了,介绍就意味着我要保持它的原汁原味了。
早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。
17世纪的笛卡尔和其后的克里斯蒂安·惠更斯首创并发展了以太学说,认为以太就是光波传播的媒介,它充满了包括真空在内的全部空间,并能渗透到物质中。与以太说不同,牛顿提出了光的微粒说。
牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,到19世纪,却是波动说占了绝对优势。这短历史我在《见微知著》中写的很详细了。
以太学说发展,人们认为:波的传播需要媒质,光在真空中传播的媒质就是以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上证明光就是一定频率范围内的电磁波,从而统一了光的波动理论与电磁理论。
以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太,相反,迈克耳逊莫雷实验却发现以太不太可能存在。
电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却发现,与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量;然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同。也就是麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖!
爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。他认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。
他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。
爱氏喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。在“奥林匹亚科学院”时期对大卫·休谟对因果律的普遍有效性产生的怀疑,对爱因斯坦产生了影响。
相对性原理已经在力学中被广泛证明,在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对性原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。
光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。
19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。我在《变化》在讨论惯性的时候,也引述马赫原理。所以马赫这个对爱氏的启发是很大的。
突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。
1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。
爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。
牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。
在这篇文章中,爱因斯坦没有讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。
什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何测出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?
答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是无意义的。
大家体会到这个概念的重要了吗?我在上面的各种提问,其实已经够深入了。
相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。
爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc^2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。以上就是爱氏狭义相对论的创立过程。
7. 分子动能与温度公式?
温度反映了微观粒子运动的剧烈程度.无论固体、液体还是气体,都是由大量的微观粒子构成的.对于同种物体,物体温度越高,说明构成此物体的微观粒子运动越剧烈.比如,冰、水和水蒸气属于同种物质,从冰到水再到水蒸气,温度是逐渐升高的,说明构成它们的粒子的运动也是越来越剧烈的.而对于固体和液体,粒子之间不仅用粒子的动能,还有粒子之间相互作用的势能,而温度仅仅是粒子运动(粒子动能)的函数,所以不易测量,更不易写成函数关系式.相比之下,气体由于分子之间距离很大,分子势能可以忽略,可以直接测量分子动能,写出函数关系式,气体最为准确的关系式是分子的麦克斯韦速度分布和麦克斯韦速率分布公式.
本站涵盖的内容、图片、视频等数据系网络收集,部分未能与原作者取得联系。若涉及版权问题,请联系我们删除!联系邮箱:ynstorm@foxmail.com 谢谢支持!
1. 麦克斯韦关系式,如何让速度提升到超光超和量子纠缠的速度?
超光速是不可能的。可以看看下面的文章。会对你有帮助。
导读:头条问答,有很多关于类似光的问题。比如光的速度问题,光的质量问题。所以这篇文章可以解开你的迷惑。
关于光的质量以及运动速度的说明
光不仅在物理史上是个非常重要的概念,就是日常生活中我们也非常熟悉。可是我们真的熟悉吗? 真的理解光吗?其实就目前为止,关于光的研究还在继续。比如光有没有质量,光速能否被超过,就这些被激烈讨论的问题,我以自己的了解和理解为大家做一个详细说明。
首先我们应该对现有的光的研究历程有一个大概的了解。这里不得不提到一个人——詹姆士·克拉克·麦克斯韦。他在法拉第的工作基础上,开创电磁理论,成为电磁理论的集大成者。
并且他通过计算,得出光和电磁波的速度相同,于是他大胆预言:光就是电磁波。在1864年麦克斯韦提出他的理论之后,1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后1898年,马可尼又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。
这样人类除了知道光的速度之外,开始从本质认识光的历程——光是一种电磁波!
这里值得一提的是最早测量光速的人是伽利略,尽管他没有完成测量,但开启了人类测量光速的序幕。大家都知道伽利略可以说是近代实验科学的奠基人。很多后辈大科学家包括牛顿,爱因斯坦等都受伽利略启发。
接着说赫兹,赫兹还发现了光电现象【光照射到金属上,引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应】,后来由爱因斯坦给出了解释。并由此获得了1921的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦主张,光的能量并非均匀分布,而是负载于离散的光量子,而光子的能量和其所组成的光的频率有关。这个突破性的理论不但能够解释光电效应,也推动了量子力学的诞生。
在量子力学体系建立的过程中,光的研究也不断的深入,尤其是波粒二象性的理论。即光具有波粒二象性,单独用波,单独用粒子来形容光都是不完整的,二者结合才能解释光的一切现象。
后来德布罗意在光具有波粒二象性的启发下,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子和质子、中子,都具有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上,指出:具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性,这种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比,即λ= h/(mv)。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。
灵遁者科普书籍《变化》在灵遁者淘宝有。
三年后,通过两个独立的电子衍射实验,德布罗意的方程被证实可以用来描述电子的量子行为。在阿伯丁大学,乔治·汤姆孙将电子束照射穿过薄金属片,并且观察到预测的干涉样式。在贝尔实验室,克林顿·戴维森和雷斯特·革末做实验将低速电子入射于镍晶体,取得电子的衍射图样,这结果符合理论预测。
还有一个关于光的理论就是光速不变理论。这个得提到一个著名的实验——迈克尔逊-莫雷实验!迈克尔逊-莫雷实验是1887年迈克尔逊和莫雷做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此否认了以太(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为近代物理学的一个发端,在物理学发展史上占有十分重要的地位。
大家要知道,爱氏本人也深受以太学说的影响,后来也是受迈克尔逊-莫雷实验否定了以太学说,以光速不变原理,否定了经典牛顿时空的同时绝对性,建立了狭义相对论。后来又以等效原理,把狭义相对论拓展到了广义相对论。但光速不变,依然是狭义,广义相对论的基石!
上面简短的内容,就是人类大概认识光的历程。但关于光的讨论从未停止。我们来说说常见的问题:光速能否被超越?光有质量吗?
甚至很多新闻报道都有说:光速可以被超越,比如用量子纠缠来举例说明是最多的。
至于光有质量吗? 很多人会说光能被大质量物体的引力偏转,就说明它是具有质量的。
我这样来跟大家的解释:真正意义上物体的运动速度是不会超越光速的,而且光子是没有静止质量的,光也就没有静止质量的。这点我是赞同爱氏的。
我们先来说说物体为什么不会超越光速?大家看看这个公式m=m0/sqrt(1-v^2/c^2)。假如物体的速度V大于光速,那么根号下肯定是1减去比它大的数字,得到一个负数,负数怎么开根?就算开出来也没有任何意义。这就是为什么理论上超光速是不存在的。
同样是这个公式,我们假设物体质量为1. 物体速度达到光速。那么此时物体的质量就变成了1除以0了。1除以零在数学上没有意义,可是在现实宇宙环境中,意味着无穷大。也就是说物体质量趋向于无穷大。大家可以在手机上输入1除以0,就会显示无穷大。
所以这就是为什么物体不能达到光速的数学解释。无论质量为1,2,3等任何一个正数,除以零,都是一个无穷大的趋向。
这是数学解释,你满意吗?我还要更深层次问物体不可以光速运动的原因是什么?一切数字公式回归现实才会变的有力量,更清晰!
我这样来回复大家,爱氏用时空弯曲解释引力的成因,我认为需要修正。那就是引力的成因是时空,不是时空弯曲。而且时间,空间,物质是一体的东西。这种一体的东西都可以用时空能量来衡量。所以任何物体必然是处于引力场中,处于宇宙之中的物体。
那么一个物体要超越光速就必须克服时空性质。这种时空性质是指宇宙环境,毕竟时间,物质,空间是一体的东西,它具有粘性。
而且有质量的物体以光速运动的话质量会趋于无限大,时间将停止。就好像是说这个物体作为一个“力点”要影响和拉动整个宇宙。所以这是不可能实现的情况。
因为单个物体的能量是不会超越整个宇宙的能量。所以这样解释的话光速其实是个法则,是一种束缚态,是一个束缚态法则。这就是为什么物体运动速度不会超越光速!
我们的问题还没有结束!既然光可以被大质量物体的引力偏转,就说明它应该具有质量。如果没有质量,引力就不会作用与它。
来看看两个公式,质能公式E=mv²和普朗克E=hv。假设光子有质量,所以不同的跃迁跳跃光子对应不同速度,然而这与观察结果不相符,被观测的光子速度均为统一速度。而且普朗克公式里面本来就没有m的出现,本身就说明了光子静止质量为零。或者也可以说没有静止质量。这样更加准确。
事实上我们知道光子静止质量为零,是一种理论的要求,我们谁也没有测量它的质量是“零”。也无法测量,因为你无法找到静止的光子。所以说光子没有静止质量是准确的。也可以说光子是一定有质量的,是有运动质量。
爱氏曾质疑牛顿第一定律有循环论证嫌疑,这里我发现他这个理论也有循环论证嫌疑。我们在现实生活中找不到惯性系,却要来说明在惯性系中物体总要保持匀速直线运动和静止状态。同样我们要证明光子静止质量为零,首先必须找到静止的光子。可是静止的光子我们找不到,但我们还说光子静止质量为零。或者说光子没有静止质量。在这里的讨论看似无意义,其实很有意思。
我们接着假设光子没有静止质量,不同跃迁的光子对应一个固定的光谱,与观测结果一致。所以我们说光子没有静止质量。
那么问题又来了,光有运动质量,为什么运动过程,质量没有无限大?? 一般书本以光子没有静止质量来说明。但是我们其实还是不理解的。 有运动质量,为什么不遵守理论内容呢!
类似的问题还有一个:光速为什么以光速运行??规定光速原则的性质和宇宙法则机制如何的?
先来回答第一个问题,光有运动质量,却可以光速运行!我个人认为这和波粒二象性有关。光子的能量是传输是一份份的,而它被大质量物体偏转时候又表现出“波”的性质。
质量和能量是两个概念,物体的一体两面。光子我们多以能量来形容。也就是光子以光速运动的能量是多少多少,而不是质量是多少多少。能量不是无限大,质量自然也不是无限大。所以光子这个特殊的粒子以光速运动质量不会无限大。
否则打在我们身上的太阳光,直接将我们打的灰飞烟灭!但太阳光很温暖,说明它携带有能量。用我们可见的词汇来形容就是“温暖”,你见过谁会说给我来二斤“温暖”。这样形容其实不准确,只是为了让大家有直观的感受。
其实波粒二象性本身就是“宏观”和“量子”的结合体现。也可以说是物体“质量”和“能量”的过渡体现。所以爱氏在发现光电效应和建立了相对论理论后,一直脑海中有统一四种基本的力的构想是正确的,也是可以统一的。物理学的发展本身也是证明了这一点,只不过万里长城还差最后一段没有走完!
至于最后一个问题:光为何以光速运动?其实还是时空“粘性“使然。这种粘性阻碍了物质的物体光速运动,又使得光子能以光速运动。
说到上面的循环论证,然我想到了哥德尔不完备定理。
1、任意一个包含一阶谓词逻辑与初等数论的形式系统,都存在一个命题,它在这个系统中既不能被证明为真,也不能被证明为否。
2、如果系统S含有初等数论,当S无矛盾时,它的无矛盾性不可能在S内证明。
所以大家看到了,伟大的哥德尔为我们揭示了一个哲理启发。任何一个循环论证,悖论和理论想要以此说此,以彼证彼,层层跟进最后的结果是不可证,不可说。
这就是告诉了我们,宇宙以一种彼此连接的形式存在,却不能自证真伪。是啊,宇宙不需要真,也不需要伪,但是人类需要!
摘自独立学者,科普作家灵遁者物理宇宙科普书籍《变化》第二十六章。
2. 光子有质量吗?
导读:头条有朋友问光到底有没有质量,我看了一下大家的回答。很多有有理有据,而且有新意。非常不错。摘录几个我认为精彩的分享给大家。
1、光子是极端相对论粒子.光没有静止的质量,也就是说只有在相对论的语境下光有质量.E = m(c^2) = hv 可以得到单个光子的质量.其中“^2”表示平方,h是普朗克常量,v是光子频率,c是真空中光速,m就是光子的“质量”“为什么说太阳照了地球这么长时间,却没有看到地上有“光”?”
其实这个问题和光有没有质量没关系.光子照到地球上都被地面物体的原子吸收而“湮灭”,“湮灭”就是说光子消失并且把光子的能量传递给原子的过程,过程中满足能量守恒定律.简单的说光一到地面就消失了.
2、个人理解:1,到底有没有纯粹的“物质”这东西存在?或者说 物质是确切的 独立的吗?目前的基本粒子研究还没有穷尽 基本的假设是弦理论,这已经超越了粒子和波的概念。那么,“波”有质量吗?
2,光子是从粒子角度解释光,即是粒子,必然有质量。
3,从粒子角度,光子有无更进一步的组成?
质量和能量是不可分割的一体两面。
3、光的传播不是连续,不是流水,而是滔水。每滔一次就是一个光量子,我们称之为光子或量子。我们看到的光就是由许许多多的光量子组成。每一份光子大小一样,都是6.626乘以10的负34次方焦耳每秒,没有比这个更小的能量了,能量也是物质,也有质量,没有比这更小的质量了,这就是量子物理理论的基础。表面上看,这似乎没什么,但细思极恐,这表面我们所在的世界、大自然不是连续的,根据普朗克公式,E=hv,我们得出有最小的能量,最小的长度,最小单位的时间以及最小的质量。但这些数据太小,我们似乎可以忽略不计,但大到天体,表现就很明显了,2006年,天文学家观察到地外星系两个恒星合并成一个恒星,合成后少了6个太阳质量,就是少合并后所发出的光重6个太阳!我们不禁感慨宇宙的神奇。
4、到目前为止,光具体是什么科学家没有给出明确答案。到现在只能含糊其辞的描述,光具有波粒二象性,其实就是自己糊弄自己。我个人认为,只要是能被重力作用的粒子,就具有质量。光明显能被重力作用,这说明光具有质量,虽然质量微乎其微,导致我们至今测量不出光子质量,这不能说明光子没有质量。我还想说不但光子有质量,中微子同样有质量,而且中微子的质量大于光子。
5、光子没有静止质量
光子速度均为一个相同的速度,所以光子没有静止质量
有质量物体有动能E=mv²。没有质量的物体有动能E=hv。假设光子有质量,所以不同的跃迁跳跃光子对应不同速度,然而这与观察结果不相符,被观测的光子速度均为统一速度。假设光子没有静止质量,不同跃迁的光子对应一个固定的光谱,与观测结果一致。
综上所述,光子没有静止质量。
6、光子是宇宙核心的内容,解开了光子之谜宇宙之谜也就有了很大的进展,谁能完整诠释光子的属性毫无疑问将获得诺贝尔奖,爱因斯坦的质能方程现阶段未经理论证实,只是用于实际生活中而已,光子属于量子理论研究的范围,量子理论如今有了很大的进展,已经不在那么玄妙了,像那种什么波粒二象性,薛定谔的猫这种有时代局限性的解释只是表达不到位而已,相信随着人类智能的发展,这一切玄幻的东西都将被合理解释。
7、大家先搞清楚什么是质量,质量其实是物质惯性大小的衡量指标,是物质粒子属性的描述,没有惯性束缚的物质就是光子!但光子的粒子属性是通过能量表现出来的。质能方程告诉我们,是物质就有能量,但未必有质量。
8、光子是有质量的。质量,能量,存在是三位一体的。存在的一切都有质量,都具有能量!正因如此,一切存在的事物才可以被定义,被凝结成概念,被人类赋予独特的含义,成为各种信息的载体!
摘自独立学者,诗人,作家,国学起名师灵遁者科普书籍《变化》
3. 爱因斯坦为什么能在当时没有计算机科技又不怎么发达的情况下?
与有没有计算机没有太大关系,计算机只能让运算速度更快,理论上只要有时间,就能达到计算机的运算结果,况且爱因斯坦时代并不需要如今这样复杂的数学计算!
爱因斯坦之所以提出如此超前的理论,还是在于他异于常人的思维方式,这点更多的提现在了广义相对论。
而狭义相对论的提出有两个重要前提(也可以算是假设),那就是相对性原理和光速不变原理,你可以人类这两个原理就是我们如今所说的公理。
所以,这两个重要假设是一般人做不到的。如果知道了这两个假设,只要你在拥有高中数学知识,也可以推导出来狭义相对论的几个公式!
而广义相对论相对比较麻烦,里面有很多复杂的数学推导计算,包括高等数学里面的微积分等。同时,广义相对论刚开始时并没有被大众接受,在几十年之后,随着人类科技水平的不断进步,才证实了广义相对论的正确性!
所以说,灵感对于天才科学家来说显得更重要,物理知识和数学知识比爱因斯坦好的科学家大有人在,但恰恰是在灵感(也可以说是思考问题的方式)的差别,让爱因斯坦异于常人!
当然,这种灵感和想象力不是凭空而来的,是需要一定的理论知识为基础的。我们可以说,爱因斯坦的相对论最开始的“假设”很重要,但不是谁都能想到,也不是谁都敢想到那样的假设!
4. 麦克斯韦再物理界有那些贡献?
1831年6月13日,詹姆士?麦克斯韦出生在苏格兰爱丁堡一个很有名望的家庭。
其父对于实用的、技术性的学问很感兴趣,后来成为爱丁堡皇家学会成员。8岁时,母亲去世,在父亲的引导下学习科学。
受其父亲的影响,麦克斯韦从小就进入科学界,因而受到很多有益的影响。
1847年,16岁的他进入爱丁堡大学学习数学和物理学,1850年,他转入剑桥大学,在那里,在著名数学家W?霍普金斯的指导下,他取得了不菲的成绩。;1855年至1856年间,麦克斯韦发表了第一篇电磁学方面的论文——《论法拉第的力线》。
这篇论文不仅以抽象的数学形式表示了法拉第直观的力线图像并推进了法拉第的实验研究,而且包含了一系列重要思想,为以后的研究开拓了一条新路。;
1861年,在对磁场变化产生感应电动势的现象作了深入分析之后,麦克斯韦敏锐地感觉到,即使不存在导体回路,变化的磁场通过媒质也会在其周围激发出一种“场”,他把它当作感应或涡旋电场。
这是麦克斯韦为统一电磁理论所作的第一个重大假设。
1862年,麦克斯韦发表了重要论文《论物理的力线》,其中引进了“位移电流”的概念。
这是麦克斯韦理论思维的一个创造,也是建立理论的一个关键步骤。
这使他可以把导体中的电流产生围绕电流的磁力线和导体切割线时在导体中产生感生电流这两个基本原理加以扩展,形成下述两个原理:空间里变化的电场产生磁场;空间里变化的磁场产生电场。
由此得到这样一幅崭新的物理图景:交变的电场产生交变的磁场,交变的磁场产生交变的电场。
这两种相互联系、相互激发的过程,使电场和磁场形成统一的“电磁场”。
关于电磁场的完全的理论体系就这样逐渐形成。;
1864年至1865年,麦克斯韦发表了著名论文《电磁场的动力理论》。
在这篇论文里,他得出了真空中的电磁场方程即麦克斯韦方程。
这个方程在电磁学中的地位,相当于牛顿力学定律在经典力学中的地位。
其形式之简洁、优美,一直为科学界所称道。;
1868年,麦克斯韦发表了又一篇重要论文《关于光的电磁理论》,明确地把光概括到电磁理论中。
这就是著名的光的电磁波学说。
到此为止,麦克斯韦就把电学、磁学、光学这三个原来相互独立的重要物理学研究领域结合起来,完成了”世纪中叶物理学的一个重大综合。;此外,继法拉第之后,麦克斯韦用数学的力量进一步排除超距作用力,对物理学的发展具有深远的意义。
因为如果不排除超距力,就不会有电磁理论,也不会有相对论。
如果用洛仑兹变换,就可以从麦克斯韦推出光速不变的原理,而这正是相对论的一个基本前提,难怪爱因斯坦千再说,狭义相对论的建立要归功于麦克斯韦方程。;
1871年,麦克斯韦任剑桥物理系主任,成为剑桥大学第一个实验物理学教授,筹建并领导该校卡文迪物理实验室。这个名为实验室而实为物理研究所的学术单位,后来发展成为科学史上最重要的、最著名的学术中心之一。;麦克斯韦的最大贡献是建立了光的电磁理论。
早在上大学时,他就意识到,法拉第的理论正是建立新的物理理论的重要基础。
他决心以数学手段弥补法拉第的不足,以清晰准确的数学形式把法拉第的天才观念表示出来。;
1873年,麦克斯韦完成了经典著作《论电和磁》,这部书被尊为牛顿《原理》一书以后最重要的一部物理学经典。麦克斯韦的电磁学,是人类知识宝库中一份博大精深的科学遗产。
除了电磁学,麦克斯韦对热的分子动力论所做的贡献也是突出的。
1871年,麦克斯韦出版了《热的理论》一书。
这本书表述了压强、体积、熵、温度等热力学变量的偏导数之间的一些关系式,即“麦克斯韦关系式”。这些关系式在热力学中的地位,相当于麦克斯韦方程组在经典动力学中的地位。;1879年,麦克斯韦开始把注意力转向气体理论方面。他利用数学统计的方法,导出了分子运动麦克斯韦速度分布律。这一成果可以看作经典统计物理学的起点。除此之外,麦克斯韦还进一步发展了哈密顿关于矢量分析和符号微分算子运用合理性的理论,还在马觉理论和色度学、土星光环的研究、几何光学、伺服机构(节速器)光测弹性学、结构力学等不同的领域作出了重要贡献。同年11月5日,麦克斯韦因癌症不治去世,终年49岁。物理学史上一颗可以同牛顿交辉的巨星坠落了。后人为了纪念他,把磁通量的单位命名为麦克斯韦。
5. 为什么说经典物理相对论还有量子力学都存在缺陷?
郭哥聊科学——普及科学知识、传播科学精神。作为一个物理系的毕业生、科学爱好者、头条优质科学领域作者自信有这个能力回答您的问题。由于提问中包含了两个问题,下面我就来分别解答。
一、为什么经典物理、相对论和量子力学都存在缺陷?
物理学存在缺陷吗?或者说科学存在缺陷吗?这个答案还真是肯定的,不论是经典物理、相对论还是量子力学都存在缺陷,这是一个铁打的事实,但它们同时又是值得信赖的科学理论,也是一个铁打的事实。原因如下:
1.1、人类所处的位置,决定了人类认识问题的角度
1971年10月十四届国际计量大会确定了国际通用的国际单位制,简称SI制。确定了七个基本物理量,SI制:七个基本单位:长度m,时间s,质量kg,热力学温度(Kelvin温度)K,电流单位A,光强度单位cd(坎德拉),物质的量mol;还有二个辅助单位:平面角弧度rad,立体角球面度Sr。
我们研究世界的方法其实主要是通过人类的感觉功能:视觉、听觉、触觉、嗅觉。即使是利用仪器,其实也不过是我们人体这些感觉能力的延伸。
在长度上,我们人体的身高从几十厘米(婴幼儿)到2米(成人)之间,我们目力所及,从最小0.1毫米到几公里,不要说什么仰望星空,事实上,我们在没有望远镜之前,除了太阳和月亮,其它的也都不过是一些小亮点。
在时间上,如果不借助任何仪器,我们感知的最小单位也不过是以秒为单位,更多的是小时和昼夜、季度以及年。对于其它物理量,我们的感觉也都是如此。
可以说,我们人类所处的位置,大概是一个这些物理量的中间位置上。这是一个恰到好处的位置,可上可下,物质在这个状态下,也是比较稳定的。这才给我们诞生生命,以至于发展出我们人类的机会。无法想象在天王星那样的极端条件下会诞生生命,并进化出人类吧。
1.2、人类的位置,决定了人类认识世界的出发点
跟很多战略游戏差不多,比如《红警》、《亮剑》,人类一诞生就处在自然界的一个“角落”里,我们只能“看”到环境提供给我们的条件,就像游戏中,刚注册的账号,并没有打开全部地图一样,其它区域都是黑色的,随着升级,我们才能去那里的道理是一样的。
这里说的“角落”就是我前面说的位置,指的是我们所处的那些物理量的区间。所以我们的研究就是从我们自身所在的位置不断向外扩展。
很显然,我们最先得到的就是经典物理。看一下经典物理研究的内容,基本上都是我们日常经验能接触到的范围。在牛顿时代所能接触到的运动最快的物体就是炮弹和弓箭,都是远低于光速运动的物体。所以说,经典物理理论是经受住了我们日常经验的检验的,用它来处理我们的日常问题,没出现什么问题。
然而,经典物理却没有经受住时间的检验。随着技术的发展,或者说,随着我们在游戏中打怪升级,我们的地图变大了,我们看到的东西多了,就发现了经典物理学存在着不能解释的东西。这就是我们下面要说的问题:极大和极小。
1.3、人类视野的拓展——中间开花、两极发展
前面我们说了,人类处于我们这些物理量的中间位置,随着打怪升级,我们的地图变大了,这个地图向两个方向扩展,得益于望远镜和显微镜的发展,我们看到的世界从经验中,大的方面说,拓展到了星系、星系团乃至宇宙;小的方面说,我们可以看到花粉、病毒、细胞、分子、原子、电子。
正因为如此,所以物理学也是随着人类的视野变化而变化,产生了两个不同的方向,研究大的方向上产生了相对论,而在研究细微的物质方向上产生了量子力学。但不管怎么样,我们的出发点都还是在我们的基地——物理量的中间值。
也正是由于极大和极小两个方向并不是那些留在基地的人或者说是日常经验中就能观测到的现象,所以才导致了很多人不能理解它们。如果没有一定的数学功底,以及相应的实验经历,很难用通俗(日常经验)的语言去描绘这样两个极端。
夏虫不能语冰,其实并不是一句瞧不起人的话,而是陈述了一个血淋淋的事实,任何想从经典物理,或者说是日常经验去理解相对论和量子力学都是徒劳的。所以我们看到,科学的发展越来越费钱了,要造大型强子对撞机,有了LIGO还不够,多国都要发射空间引力波天线。
为什么?因为物理学的发展需要我们开拓视野,游戏中需要扩大地图才能升级。而扩大视野所需要的条件,是我们日常经验的环境所不能提供的。创造出这样的极端环境也需要我们付出极端的代价,那就是这些研究设备越来越贵。不知道如果有一天,科学不能带来直接的经济效益的话,还能不能有国家或者机构愿意再投入这样的巨量资金,也许那时候就是科学发展要停滞的时刻了吧。
二、用什么理论能统一空间?
要回答这个问题可能是很难,这里面存在两个问题,第一、我们现在看到的已经是全部的“地图”了吗?第二、极大和极小客观上是统一的吗?
我这个思维还是回到了科学的最根本性问题,即科学要从客观实际出发,没有客观实际的支持和对应的经验总结,我们就不能得出任何可靠的科学理论。
处于物理量中间位置的我们,曾经受到了物理规律统一的好处,也就是说,我们曾经掌握了中间状态的全部规律,并且用最简单的方法把它们统一起来了,让我们对自身所处的世界有了一次认识上的提高。自然就希望,能有下一次,来个极大和极小的大统一。
这当然是科学家们的美好愿望,当然也是我这样的科学爱好者的美好愿望。但就如我前面说的,能否实现,还是要看客观条件的限制。极大和极小之间是不是存在着统一的规律,以及我们能否有机会找到能统一它们的客观现象。
结束语
尽管经典物理、相对论和量子力学都有缺陷,但毫无疑问它们在我们目前的地图上都是值得信赖的理论,理论的缺陷源自人类本身所处的自然条件的限制。对于规律,它们其实就在那里,不管我们是否发现。而我们现在找到的,也只是规律的一部分,这才是科学理论有瑕疵的根本原因。
欢迎关注郭哥聊科学,我将努力为大家提供高质量的科普文章。
6. 关于光速的问题?
爱因斯坦是如何创立狭义和广义相对论的
——灵遁者
其实这一章,我自己认为没有必要写,因为爱氏关于狭义相对论和广义相对论的知识,随便网上一搜,就铺天盖地了。而且就内容的权威和全面性,肯定比我写的好。
但好多网友,留言说你既然在《变化》中反复提到这两个理论,就该介绍一下。并且建议我写的更加有趣和通俗点,就是别像网络上的内容那么严肃,一看就好像特别的难的样子。
其实我想说,我也写不出来难的东西,难的东西我也不会。就介绍而言,保持“爱氏相对论”原来的样子,原汁原味比通俗易懂更重要,毕竟这是科普介绍,不是在这个理论之上,所做的启发性猜想,这是两个概念。
不过没有介绍这两个理论,确实是我的遗憾。不能我认为网上有,就不需要介绍。还是要介绍的,这点感谢书友的建议。
一开始,我来讲一个看过的视频。记者采访当今中国物理学的泰斗杨振宁,问杨振宁先生谁是您的偶像,爱因斯坦算吗?
杨振宁给了肯定的回答,并且这样说道:“爱因斯坦是了不起的物理学家。因为他不止是在一件事情上做了革命性的发展,可以说20世纪最重要的三个大革命,其中两个半是他所促成的,他对于物理学的发展,可以和牛顿媲美。没有第三个人能和他们两个人比。”
杨先生所说的“两个半贡献”应该就是指狭义相对论,广义相对论,另外半个是指爱氏对于量子力学的贡献,具体应该是指光电效应,光量子理论。
再来给大家说一个故事,就是爱因斯坦在我看来,是一个很有个性的人。你们知道他写一篇物理文章是什么时候吗?是16岁,16岁的我们,大多数上的高中。
16岁的时候,他写出第一篇物理论文《磁场里以太的状态的研究》。看标题就知道是关于什么内容了。不过我们都知道,随后爱氏放弃的以太存在的观点,才创立了相对论。
所以各位,一开始,观点都不一定正确,连伟大的爱因斯坦都是这样过来的。
关于爱氏两度放弃德国国籍的事情,也让我深深震动。人都是畏惧环境,尤其是在大的浪潮环境下更是这样的。
1914年(35岁)4月,爱因斯坦接受德国科学界的邀请。迁居到柏林。8月,即爆发了第一次世界大战。他虽身居战争的发源地。生活在战争鼓吹者的包围之中,却坚决地表明了自己的反战态度。
9月,爱因斯坦参与发起反战团体“新祖国同盟”,在这个组织被宣布为非法、成员大批遭受逮捕和迫害而转入地下的情况下,爱因斯坦仍坚决参加这个组织的秘密活动。
10月,德国的科学界和文化界在军国主义分子的操纵和煽动下,发表了“文明世界的宣言”,为德国发动的侵略战争辩护,鼓吹德国高于一切,全世界都应该接受“真正德国精神”。
在“宣言”上签名的有九十三人,都是当时德国有声望的科学家、艺术家和牧师等。就连能斯脱、伦琴、奥斯特瓦尔德、普朗克等都在上面签了字。当征求爱因斯坦签名时,他断然拒绝了,而同时他却毅然在反战的《告欧洲人书》上签上自己的名字。
当祖国错了的时候,他能理性爱国;当别人服从的时候,他能坚持自己。伟人的人,不仅有伟大的贡献,更是有伟大的人格。爱因斯坦之所以名满世界,大概就源于此吧。
关于爱氏的故事,还有很多,大家可以自己找找。回到我们的主题,来介绍一下狭义相对论和广义相对论。而且我尽可能讲一些你们在网络上没有看到过的,你们在平日里,没有思考到的。我觉得这才是你们要的,也是我要给你的。
在开始的时候,我就要说明这两个理论的基础。然后你们再跟着这些基础来理解爱氏的理论。
1、狭义相对论是建立在狭义相对性原理和光速不变原理之上。那什么是狭义相对性原理,什么是光速不变?
狭义相对性原理:一切物理定律(力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律)在所有惯性参考系中都是等价(平权)的,没有一个惯性系具有优越地位,不存在绝对静止的参考系(以太),从而否定了“以太说”和绝对空间。
值得一提的是,这个原理其实是伽利略相对性原理的推广,也就是说伽利略是第一个思考惯性中物体运动的变化的人。这个我在《变化》里最初的几章内容中着重讲过。非常重要的理论概念!
可以说不理解惯性,惯性系,非惯性系的情况下,你要深刻理解相对论,是做不到的。
我也因为考虑了惯性,惯性系和引力,引力场的关系后,得出引力是惯性的源泉。
光速不变原理:真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。
2、广义相对论建立在广义相对性原理和等效原理之上的。那什么是广义相对性原理?什么是等效原理?
广义相对性原理:所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。
很明显,广义相对性原理是狭义相对性原理的拓展。
等效原理:惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。
在这里我强调两个点:
1、广义相对论不光是建立在广义相对性原理和等效原理之上,还是建立在狭义相对论之上的理论。也就是说上面提到的“四个原理”,都必须满足,广义相对论才成立。如果狭义相对论被证明是错误的,那么广义相对论也是。
2、关于光速不变原理的理解。注意再看一遍:光速不变原理是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。
这个问题的严峻性,就好比我问你:现在的光速值被认定为299,792,458 米每秒。假如100年后,光速值的测量,变为299792458.001米每秒,那么你会说爱氏的相对论是错误的吗?
我现在再问你一遍,是对的,还是错的?思考一分钟,再往下看吧。
很显然就原理所述而言,没有一点毛病,即使100年后光速测量变为299792458.001的时候,爱氏的相对论依然是正确的。因为对于任何观测者而言,光速都是这个值,光速是不变的。
那么为什么说超光速下,爱氏的理论是错误的? 再思考一分钟,你再往下看。
其实准确的理解应该是深刻的,而不是数字上的。在超光速下,光速自然不是不变的,也就是对于不同的观测者光速不同。光速不变性原理不存在,爱氏理论自然就不攻自破了。
那么我再来升级一下问题,100年后所测的光速值,比现在光速快10米每秒,此时爱氏的理论正确吗?
你不用思考一分钟了,直接回答吧。答案是:爱氏的理论依然正确。
如果你看了我《变化》中关于光速,空间,物质的概述,没有领会到这一点,你白看了。
而且上面也说了,不要追求数字上的理解,去追求本质上的理解。100年后,光速值比现在增加10米,如果是对所有观测者而言的,那么理论依然就是正确的!
好了,你有问题要提问吗? 提问给你5分钟时间,你来提问。而且你必须提问。没有问题,你就没有看清楚我上面所说的事情。
好吧,没有时间等你了。但肯定有聪明的朋友会问:“你说了什么啊!上面说光速不变,现在说100年后光速值比现在每秒快10米,你不自打脸吗?赶紧回家,别丢人了!这么弱智的问题,你都想不到!”
各位,这位同学说的话粗糙了点,但理确实不粗糙,很细。哈哈,我有种想笑的感觉,突然觉得之前写的好多篇章,还是太严肃了。课堂气氛不行。
现在该怎么回答这个同学的提问,你能替我回答一下吗?所以再返回来,再看一遍光速不变原理:光速不变原理是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。
哈哈,这已经是第三次让大家看这个概念了。你现在应该终于体会到我为什么想笑了。就一个写的明明白白的原理,怎么理解起来,那么费劲呢!
好了,看看关键词吧:真空中,光速,任何观测者,相同。我列出了我认为是关键词的四个词。
在你要分析我给你列出的这四个关键词时,我要告诉你分析它们能让你开始怀疑人生。别问我怎么知道的,我就怀疑过!
1、真空中,这是环境要求,条件。这里面也包含一个定理,估计包括我在内的所有人都赞同。那就是“真空不空。”至于怎么个不空法,在这篇文章中就没法细说了,篇幅有限。但大概就是退相干性理论,时空微扰理论。这个我在《见微知著》中后面的一些篇幅中谈论过。
2、光速。就两个字,包含很多。光速是一个数值,表述的时候,我们会说每秒多少米。发现问题没?也就是影响光速的定义里,必然包含米的定义,秒的定义。其实在1983年之前,光速的测定值都是不严格确定的。
为了让大家知道这个事情,还是读读下面文字:20世纪下半叶,光速的测量准确度随着谐振腔和激光干涉仪的发展而不断地提升。另一方面,更精确的米和秒的定义也陆续被认可。
1950年,路易斯·艾森用谐振腔所得出的光速值为299,792.5±1 km/h。这在1957年的第12届无线电学联合会大会上得到采纳。1960年,米被重新定义,基础是氪-86的某个谱线的波长。1967年,秒也被重新定义,基础是铯-133基态的超精细跃迁频率。
1972年,位于美国科罗拉多州波德的国家标准技术研究所利用激光干涉法测定光速,得出c = 299,792,456.2±1.1 m/s,其精度比之前的测量高100倍。剩余的不确定性主要来自米定义上的不确定性。
由于类似的实验也得出相近的光速值,所以1975年的第15届国际计量大会建议把299,792,458 m/s作为光速的数值。
1983年的第17届国际计量大会结果发现,通过测量频率并固定某一特定光速值所得出的波长比此前的长度单位定义更具有可重复性。大会保留了1967年的秒定义,使铯的超精细频率成为秒和米两个单位的定义基础。米的定义改为:“1⁄299,792,458秒内光在真空中所运行的距离。”
在这一定义下,光速的准确值就会固定在299,792,458 m/s,光速也成了国际单位制所定义的常数之一。
在重新定义之前,更准确的测量会使光速值变得更为精确;但在1983年以后,对氪-86以及其他光源的更准确测量不会再改变现有的光速值,而是会增加米单位的精确度。
好了,这个简单内容,对于很多人而言,是枯燥的。但大概意思大家应该懂了。就是说光速的定义不是那么简单的,也牵涉到米和秒的定义。
3、任何观测者。就是指任何客观存在的人和物。
4、相同。这个概念不解释,也无法解释。解释起来,也够让我怀疑人生!
好了,这就是关于光速不变原理四个关键词的分析。你有问题吗?
算了,我直接问吧。这四个关键词重要吗?肯定重要,但最重要的问题是光速的本质是什么?本质是什么!
我在《变化》中回答过这个问题。在这里不分析,直接说思路。光速的本质:光速【真空】是一种时空束缚态,光速为定值是时空使然。也就是时空告诉物质如何运动,这种运动就包含了以多大速度运动。光是物质,自然就遵从时空规律。
更具体的的来说是真空磁导率和介电常数,引力场共同决定了光的速度。
可是我为什么要说100年后如果光速测量值,比现在增加了10米,相对论依然是正确的。
其实说100年增加10米,有点夸大,但不是不妥。10米和1米,0.1米,在这里的性质是一样的。
那我再问你,10米和一百万亿分之一1米在这里的性质一样吗?各位是不一样的。现在给出的光速定值299,792,458 m/s,一定是确定的吗?没有一百万亿分之1米的差吗? 也就是我说现在的光速值是299,792,458.0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001.对吗?肯定是对的,没有人敢否定这个误差,即使现在国际协议规定它是定值。
各位我在说什么?我再给你们说性质问题!可是增加了1米,变成299,792,459,那么谁都敢说,你这个和原来的不一样。
所以问题就清楚了,我要解释为什么100年后光速变成了299,792,459,增加了1米,我还认为相对论是成立的。
因为宇宙中唯一不变的就是变化,我在《变化》序言中就写道了这句话。我一直也将这个思路贯穿整本书。
而且宇宙是非线性波动的,也是开放性的。即宇宙不是一成不变的,那么光速是一种宇宙时空束缚态,宇宙发生了缓慢的变化,光速出现变动,而且必须是全域性的变动,那么对于我们而言,光速就是不变的。
也就是说时空束缚态有了松动,光速会增加,以我们无法察觉的形式有了变化。也就是光速不变原理是成立的,对于任何观测者而言,光速是一样的。
我觉得必须给你们一个案例,你们才能更好的理解。我们知道河槽宽的地方,河流流速缓慢,而河槽窄的地方,河流流速较快。等量的河水,我让河槽窄的地方,比原来窄上100万亿分之1米,那么窄的地方河流的流速有变化吗?理论上有变化,可是实际呢?实际是没有变化的,因为这样微小的变化,至少人类是无法测量出来的。
而宇宙更是庞大无穷时空体系,我这样解释,你懂了吗?仔细考虑一下。
所以从宇宙角度来说,光速是可变的,但光速不变原理却是成立的。因为光速不会今天是这个速度,明天是那个速度。要深刻理解光速不变原理。
还有一点我强调一下,因为害怕大家有惯性思维,就想不到这点。比如100年光速的测量值,比现在慢了0.1米,那么相对论成立吗?
很显然是成立的! 所以有“超光速”的概念,就一定要有“慢光速”概念。可是大家都没有意识到这点。 快和慢当然都是相对于“现在的光速”而言的。
还有一点再强调一下,很多科学家认为,宇宙大爆炸开始时候,光速比现在快。你一定看到过这样的新闻和科普知识,但你听过他们怎么解释吗? 去搜一下。
哈哈,去搜了吗? 你会发现,你其实没有搜到任何东西。对于这个问题解释,科学家无能为力的原因太多了。宇宙自身的膨胀速度大于光速,说明什么?说明宇宙膨胀的速度是大于光速吗?
宇宙自身膨胀的速度大于光速,肯定是以现在的光的速度而言的,至于几百亿年前宇宙爆发时候,光速是多少?我们其实很难知道了。但我在我的书中提到过,我其实是反对大爆炸理论的,至少持高度怀疑态度。原因也是出于上述原因。承认大爆炸理论,就必须承认那个时候,相对论不管用。这仅仅是其一。更多的大家思考一下吧。也可以去看看我之前的文章。
很多人可能会骂我,当然已经有人骂过我了。不过也有人夸我的。我很有自知之明,我不是傻x,也不是天才,我只是思考你们不常的思考的问题,我将我思考的答案写出来。当然我不能保证这些思考都是对的,有价值的。我能力,学历很有限。确实博士生随便几个问题抛过来,我就傻眼了。
等等,好像有点跑题了,继续回到论述中来。
我不知道爱氏在做出这个原理判断时候,是否也考虑了我想过的问题。他是否问过自己:“光速的本质是什么?”
好了,关于等效原理等,其实也值得深入分析。你分析一下吧。看看有什么值得分析的地方。
接下来是介绍爱氏创立狭义相对论和广义相对论的介绍了,介绍就意味着我要保持它的原汁原味了。
早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。
17世纪的笛卡尔和其后的克里斯蒂安·惠更斯首创并发展了以太学说,认为以太就是光波传播的媒介,它充满了包括真空在内的全部空间,并能渗透到物质中。与以太说不同,牛顿提出了光的微粒说。
牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,到19世纪,却是波动说占了绝对优势。这短历史我在《见微知著》中写的很详细了。
以太学说发展,人们认为:波的传播需要媒质,光在真空中传播的媒质就是以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上证明光就是一定频率范围内的电磁波,从而统一了光的波动理论与电磁理论。
以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太,相反,迈克耳逊莫雷实验却发现以太不太可能存在。
电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却发现,与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量;然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同。也就是麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖!
爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。他认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。
他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。
爱氏喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。在“奥林匹亚科学院”时期对大卫·休谟对因果律的普遍有效性产生的怀疑,对爱因斯坦产生了影响。
相对性原理已经在力学中被广泛证明,在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对性原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。
光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。
19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。我在《变化》在讨论惯性的时候,也引述马赫原理。所以马赫这个对爱氏的启发是很大的。
突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。
1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。
爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。
牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。
在这篇文章中,爱因斯坦没有讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。
什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何测出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?
答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是无意义的。
大家体会到这个概念的重要了吗?我在上面的各种提问,其实已经够深入了。
相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。
爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc^2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。以上就是爱氏狭义相对论的创立过程。
7. 分子动能与温度公式?
温度反映了微观粒子运动的剧烈程度.无论固体、液体还是气体,都是由大量的微观粒子构成的.对于同种物体,物体温度越高,说明构成此物体的微观粒子运动越剧烈.比如,冰、水和水蒸气属于同种物质,从冰到水再到水蒸气,温度是逐渐升高的,说明构成它们的粒子的运动也是越来越剧烈的.而对于固体和液体,粒子之间不仅用粒子的动能,还有粒子之间相互作用的势能,而温度仅仅是粒子运动(粒子动能)的函数,所以不易测量,更不易写成函数关系式.相比之下,气体由于分子之间距离很大,分子势能可以忽略,可以直接测量分子动能,写出函数关系式,气体最为准确的关系式是分子的麦克斯韦速度分布和麦克斯韦速率分布公式.
本站涵盖的内容、图片、视频等数据系网络收集,部分未能与原作者取得联系。若涉及版权问题,请联系我们删除!联系邮箱:ynstorm@foxmail.com 谢谢支持!