|
——超光速與復空間 愛因斯坦在“論動體的電動力學”（狹義相對論）論文一開始，就鄭重提出“光在空虛空間里總是以一確定的速度v傳播著，這速度同發(fā)射體的運動狀態(tài)無關(guān)?！?〖1〗這里特別強調(diào)了“空虛”空間，這點往往也是被后人忽略了的。顯然這里是拋棄了機械的以太，但更深層的意思又是繼承了相互作用不是舜時完成的，不是超距作用。因為以太的引入就是為了拒絕超距相互作用的。愛因斯坦這里是用光來完成相互作用聯(lián)系的。 其實現(xiàn)代物理學已經(jīng)表明，光是電磁場的波動，即其為電磁場物質(zhì)的一種運動形態(tài)。同時按現(xiàn)代的時空觀，時空是運動物質(zhì)的存在形式，沒有運動物質(zhì)就不存在其存在形式的時空，當然沒有時空也就不可能有物質(zhì)運動存在。由此事實上“空虛空間”是不可能存在的，只要這個空間存在，其中就一定有物質(zhì)運動在其中存在，這種運動物質(zhì)當然不一定必須是實物質(zhì)的粒子，也可能是場物質(zhì)。即現(xiàn)在理解這“空虛空間”只能是沒有實物質(zhì)粒子但卻存在電磁場物質(zhì)的空間。 宇宙的任何地方，都有運動物質(zhì)存在，沒有運動物質(zhì)也就不存在什么宇宙了。在太空中確實存在有很多很少實物質(zhì)粒子的地方，但光卻可以在太空傳播。也就是說一般現(xiàn)在所謂的真空，其實是極少實物粒子的空間，但場物質(zhì)卻仍然存在著，由此光才能在其中傳播。 在運動物質(zhì)存在的時空中，其實實物粒子只是時空中的一個個奇點，而大部分是被場物質(zhì)所占據(jù)著。在真空中是如此，在通常的物質(zhì)存在形式中也是如此?，F(xiàn)在已確知了一些原子分子的空間限度，原子的限度為10－10米，核子限度為10－15米。若將原子核當作一個小球，它的體積只占原子體積的幾千萬億分之一。如果假設原子是一座龐大的體育場，而原子核只相當于體育場中央的一只螞蟻。而粗略計算可知，在1立方厘米的水中，水分子粒子所占的體約為0.1左右，即水介質(zhì)的空間其實絕大部分被場物質(zhì)占據(jù)，而水分子粒子只是較均勻散據(jù)于場物質(zhì)中的一些小點而已。可見在時空中，場物質(zhì)是時空的大部分占有者，而實物粒子占有的時空限度是少部分。 場物質(zhì)與以往的以太絕然不同。過去的以太是剛體性的，即過去的以太具有實物粒子的特性，由此才引出了邁克爾遜-莫雷實驗。而場是完全與實物粒子不同的運動物質(zhì)形式，并不具有實物粒子的性質(zhì)，而是一切性質(zhì)恰恰與實物粒子相左的運動物質(zhì)形態(tài)。正是由于場物質(zhì)運動形式的存在，才使宇宙成之為宇宙，才使坐標系可以成為空虛空間。否則，沒有運動物質(zhì)也就不可能有什么時空了。 狹義相對論的基石是相對性原理和光速不變原理，其假設（定義）為： “1.物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時所選參照的坐標系究竟是兩個在互相勻速移動著的坐標系中的哪一個并無關(guān)系。 2.任何光線在“靜止的”坐標系中都是以確定的速度V運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發(fā)射出來的?！盵2] 也即： 1 .相對性原理：物理體系物質(zhì)運動狀態(tài)的變化規(guī)律，在任何相互勻速運動的坐標系（慣性系）中是等價的； 2 .光速不變性原理：光傳播在空虛的空間中速度為一常數(shù)，與所在坐標系（慣性系）的運動無關(guān)。 其中相對性原理是從經(jīng)典力學繼承并加以發(fā)展確定的，到目前為止，物質(zhì)運動的相對性顯然是成立的，就是在物理學的進一步發(fā)展中，這種運動的相對性內(nèi)函也只是內(nèi)容的擴充，而并無本質(zhì)的變化。但光速不變性原理卻從一開始就已經(jīng)是有條件限制才成立的假設了。這個條件就是在空虛的空間中。同時在狹義相對論中，所講的所有時空（坐標系）都是空虛空間。由于時空是物質(zhì)運動的存在形式，即選坐標的原因就是要討論或研究物質(zhì)運動，故這個空虛空間的假設與要進行研究的本意也就存在著矛盾。事實上從一開始，就已假設坐標中是有物質(zhì)的，只是這種物質(zhì)不是實物質(zhì)的粒子，而是均勻分布在坐標系中的一種非實物質(zhì)粒子的運動物質(zhì)而已，否則光也就無法在時空中（坐標中）傳播了，且假設在任何均勻介質(zhì)中光速都是一個常數(shù)。即在過去的研究中，都是將時空與物質(zhì)的運動形態(tài)分割開來，時空只是一個無任何運動物質(zhì)的坐標架。但事實上運動物質(zhì)與時空是不可分割的，有時空則必定有在其內(nèi)運動的物質(zhì)，有物質(zhì)運動則必定存在其存在形式的時空。這也就是說，光速不變原理是指光速不隨坐標系的運動速度變化而變化，但當坐標系（時空）內(nèi)物質(zhì)運動形態(tài)不同時，光速是可能不同的常數(shù)值。正如光在真空中、空氣中、水中或一切透明介質(zhì)中速度是不同的。這些早在物理學中已有充分顯示。也就是說這里的光速不變性，主要是指光速不隨坐標系的運動變化而變化，是在空虛空間中。 而客觀事實是時空（坐標）是物質(zhì)的存在形式，沒有運動物質(zhì)存在，也就失去了時空存在的依據(jù)。即在宇宙中不可能存在這種空虛空間。事實是在每一個坐標系（時空）中都必然存在有場物質(zhì)，并可能存在不同形態(tài)的場，否則光也就不可能在時空（坐標）中傳播了。這樣描寫物質(zhì)運動的坐標系就不可能避開其內(nèi)的場物質(zhì)存在了。 但為了使研究簡化及更有普遍性，可選擇或假定在坐標系（時空）內(nèi)的場物質(zhì)是均勻分布的，是各向同性的。這是完全可能的，因為可以使選擇的時空范圍任意小，如微積分的運算一樣以達到這一要求。 研究物質(zhì)運動規(guī)律是通過時空（坐標）中的物質(zhì)運動變化來進行的。而各時空間的聯(lián)系是通過光來進行的。因為所有各坐標系之間的比較都是靠光來進行的。由此在任何時空（坐標系）中都必然滿足： 即光在任何坐標系中都是以恒定的速度c各向同性傳播。但由于在各時空中所具有的場物質(zhì)形態(tài)不同，這時在各個時空中的光速值并不盡然是相同的。 也就是說，這時研究物質(zhì)運動的坐標系已不再是空虛的，而是必須要包函其中的場物質(zhì)，即任何時空中都必然存在有相應的場物質(zhì)，且這場物質(zhì)也決定了時空的性質(zhì)，這表現(xiàn)在其時空中光速值的不同上。相對論只是假定了所有的坐標系都是沒有實物粒子的所謂真空中，其光速也就自然的為一個統(tǒng)一的常數(shù)了。這樣在描述物質(zhì)運動的時空變換上，就必須包含時空中的場物質(zhì)運動形式，這就與狹義相對論有些不同了。這時運動的相對性原理并末發(fā)生變化，但光速不變性原理則有不同。這時假設：光的傳播速度與所在時空（坐標系）運動無關(guān)，為恒定值，但卻隨時空內(nèi)場物質(zhì)形態(tài)不同而為不同的恒定值。 愛因斯坦在定義同時性時，是用了在時空（坐標）中A、B兩點，若則A與B處的時間是同步的[2]，但這里必須注意，這里的時間是光到達的時間，即這時同時性是靠光作為聯(lián)系而得到的，這實際上是： 即 在狹義相對論中由于是討論的在空虛的時空中，光速為恒定值C，這時時間間隔如相對論中所述，但在有場物質(zhì)的時空中，由于光速會隨時空內(nèi)的場物質(zhì)運動形態(tài)不同而不同，這時的時間間隔則會有相對的不同。這時在S系中為， 而在S’系中為 這時S與S'坐標系若其二者是相對靜止的，則有： 由于在S、S＇坐標系中的場物質(zhì)形態(tài)不同，即Cc’則： 而S與S'系為相對靜止的，這時 兩個坐標系之間的時間差異完全由光在不同坐標中的速度決定： 這就表明同一時間間隔在S系與S'系中是不相同的，也就是在空間有場物質(zhì)的情況下，時間間隔也就具有了相對性。這顯然與狹義相對論有所不同。在狹義相對論中時空（坐標）中是沒有實物粒子的所謂真空中，由此也并不存在時間間隔的相對性。而在時空（坐標）中有了物質(zhì)以后，則存在時間間隔的相對性。這完全是由于光速的不同引起的。這樣在不同的慣性系之間的相對變換性則成為，假設： 1.相對性原理：物理體系的狀態(tài)變化規(guī)律，在任何相互均速運動著的時空（慣性坐標系）中是等價的； 2.光速恒定原理：光的傳播速度與所在時空（坐標系）的運動速度無關(guān)，但是隨時空中均勻場物質(zhì)運動形態(tài)不同而有不同的恒定值。 第一點與相對論完全一樣，并無改變，但第二點則強調(diào)了在不同運動形態(tài)的均勻場物質(zhì)中光速是不同的，同時明確了在時空中必然有運動物質(zhì)，否則時空也就不復存在了，即光是作為物質(zhì)運動時間關(guān)聯(lián)的紐帶。這樣在不同的時空（坐標）變換時，不僅涉及其之間的相對運動，還必須考慮到時空內(nèi)的運動物質(zhì)存在情況，從而將時空與物質(zhì)運動的相互關(guān)系更加明確起來。實際上現(xiàn)代物理學早已明確，在均勻場物質(zhì)中光速為 ： 其中ε、μ為時空中場物質(zhì)的介電常數(shù)、導磁率。由此可同樣導出時空（坐標）間的變換關(guān)系： 這里應特別注意的是光速c'是觀測坐標中的光速。其中： 可以看出，這與狹義相對論的結(jié)果似乎并無太大的不同，但是在時空變換時，不僅考慮到了時空的相對運動，同時也考慮到了時空內(nèi)的運動物質(zhì)形態(tài)的不同。如果變換時時空內(nèi)物質(zhì)形態(tài)并無變化，顯而易見這就是狹義相對論的結(jié)果。這里的討論表明，時空與物質(zhì)運動是不可分開來的，時空的變化可影響物質(zhì)運動，而物質(zhì)運動的變化也同樣可以改變時空的形態(tài)。 在場的電動力學中，由于確定了隨時空中均勻場物質(zhì)運動形態(tài)不同而有光速不同的恒定值，由此在不同的時空中，可能出現(xiàn)超光速現(xiàn)象。如圖所示，在真空中有一個粒子Q以近光速運動，若v=0.99c,當該粒子進入S系，而在S系中光速為0.8c，即這時n=c/c'=1.25,此時S系中場物質(zhì)形態(tài)比水中的場物質(zhì)形態(tài)的n還要小。這時該粒子進入S系后則要以大于S系中的光速運動，也就是粒子運動速度出現(xiàn)了超光速現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是客觀存在著的，比如在現(xiàn)實的核物理實驗及高能物理實驗中，加速器轟擊物質(zhì)時，經(jīng)常出現(xiàn)這類情況。 現(xiàn)在則要討論這種情況。在S系中粒子Q以超光速運動，這時按相對論的空間變換：，其中的： 則成為一個虛數(shù)，即相當Q的運動進入了虛空間。 這時粒子Q發(fā)出的光就被限制在一個光錐S'時空中，即Q發(fā)出的光信息只能在S'時空中傳播，而不可能進入S系的其它時空中，也就是說S系與S'系時空中的信息是不可能進行相互交換的，從而使其時空間的運動物質(zhì)也就不可能發(fā)生相互作用，故S'系也就成為S系中的特殊時空，成為一個獨立的時空系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)時空內(nèi)物質(zhì)運動不會與S系時空中運動物質(zhì)發(fā)生因果關(guān)系的事件。盡管S'系存在的時間可能十分短暫，由于相互作用q的速度會很快減慢低于S系光速而時空S’逐步消失，但必竟可能存在這種獨立時空系統(tǒng)。這種狀況正是切侖科夫輻射的過程。 可以知道，這時光錐母線與運動方向的夾角θ為： 式中c為真空中光速，c'為光在S系中的光速，v為粒子Q的運動速度，Λ為該粒子Q運動的德布羅意波長，Λ=h/mV ，m為粒子的靜質(zhì)量，mc'2為粒子在S系中的靜能量，λ為該粒子發(fā)出輻射波的波長，hν為該粒子發(fā)射波所具有的能量，n為S系的光折射率，n=c/c'?？梢娭挥挟攙>c'時，才可能出現(xiàn)這種情況，即當S系中光速越慢（n=c/c'越大）時，越易出現(xiàn)這種情況，同時還與進入系統(tǒng)粒子的靜能量及發(fā)出的輻射波能量的大小有關(guān)。即這種獨立時空系統(tǒng)的出現(xiàn)，與入射粒子的性質(zhì)及S系內(nèi)場物質(zhì)狀態(tài)有關(guān)。 這顯然是切侖科夫輻射現(xiàn)象。由于粒子以超光速運動時，會與時空內(nèi)物質(zhì)發(fā)生極強的相互作用，從而輻射掉自身所具有的能量，逐步使運動速度降低下來，最終使其運動速度降至小于S系中的光速。也就是說粒子進入S系后，當其速度超過系統(tǒng)內(nèi)的光速時，會形成一個時空的獨立S'系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)運動不會與S系內(nèi)物質(zhì)運動發(fā)生相互作用，即該粒子發(fā)出的光不會進入S系，這個時空的獨立系統(tǒng)逐漸隨入射粒子的速度減慢低于光速而變化。也就是時空隨物質(zhì)運動形態(tài)的改變而改變，而時空又是物質(zhì)運動存在的形式。 那么可否能使這種時空獨立系統(tǒng)保存下來，或是使其形式固定下來呢？ 這是個過去從來未曾討論過的問題。不過從羅輯上講，只要有物質(zhì)運動在其中存在著，這種時空狀態(tài)是會一直保存下去的。顯然這種物質(zhì)運動狀態(tài)不會是S'系統(tǒng)外物質(zhì)運動造成的結(jié)果，而只能是粒子Q發(fā)出的光。什么光可能一直存留在S'系統(tǒng)內(nèi)呢？光波只要一開始就必將沿直線一直運動下去，是不可能留在一個狹小的時空中的。但作為波也有特例，可一直留在一個狹小的時空中，這就是駐波。如果在S'系中有一種物質(zhì)運動，可能使這一時空存留下來，而這種獨立時空又反過來使這種物質(zhì)運動形式固定下來，這樣相輔相成的結(jié)果，是使這種物質(zhì)運動形式及其存在形式時空得以確定下來。 而這種獨立時空的最大特點則是在獨立時空內(nèi)的物質(zhì)運動不會與系統(tǒng)外物質(zhì)發(fā)生相互作用，但系統(tǒng)S’會作為一個整體物質(zhì)運動與其它物質(zhì)發(fā)生相互作用。這樣獨立系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)運動就不會與系統(tǒng)外物質(zhì)有因果關(guān)系。由此獨立系統(tǒng)外時空對獨立系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)運動的研究也只能得到幾率的可能預言結(jié)果，而不可能得到由因果關(guān)系確定的結(jié)果了。 參考文獻 〖1〗愛因斯坦文集 第二卷 84頁 商務印書館1977 北京。 〖2〗愛因斯坦文集 第二卷 86－87頁 商務印書館1977 北京。 |
|
|
