“协变原理”和“洛仑兹变换”问题

罗福翔

文章主题:协变原理 洛仑兹变换

文章内容：.,散,,一7《湛江科技》一九九二年第三,四期(合刊)协变原理''和掰洛仑兹变换"问题江西乐平中学中国物理学会会员罗福翔./一,协变原理跟"光速不变原理"类似,是一个假设的原理(想象原理)如所周知,物理学中许多基本原理,都是在可靠的实验基础上提出或总结出来的,有的则由基本定律导出.如相对运动(即参考系)原理,力的独立作用和运动的独立性原理,动量原理,多卜勒原理,等效原理,相对性原理,光弯曲原理和光倾斜原理(即光行差原理)等.而"协变原理"则是一种数学形式规定要不变的约束,由彭加勒和爱因斯坦提出和认定,它属于一种物理构思和设想,与上述的许多原理性质是不同的,显然是一种假设性原理(想象原理),跟光速不变原理"假设是类似的,如果按照彭加勒和爱因斯坦这种建立原理的模式,相对性原理也可以不要伽里略船实验和迈克尔逊实验作为基础就建立起来.因为任何惯性系封闭起来不看外面,谁也不能感知它们有什么不同,而且观察者自身也是一个物理客体或物理仪器,由此,惯性系的等效性(即相对性原理)即可确立.这样,着名的伽里略船实验秘迈克尔逊实验别说是多余的,也可以说意义不大,这显然与科学精神相违背.二,协变原理不切实际…例如光的反射定律和折射定律,对静止观察者来说,有=13,=嚣,而对另一以速度沿法线方向运动的观察者来说,由于要产生光倾斜现象,入射线,反射线和折射线酿法线的'''^●夹角都要发生变化,将史,.从而表明"协变原理,,对光的壹射定律和折射定律,都不能成立.(图1)所以,自然定律的不变性必须正确理解,即这种不变性应指某一定律本身的规律或因果关系,在未加入其他定律,原理或外因条件影响的情况下才能成立.如果加入这种影响.改变了原定律成立的条件,所表现的规律就不是原来的规律了,而是复合规律或新的规律了.上64.';...'..～鸣一怫～争一～学一甜～科一.,..,.述事例之所以出现光的反射定律和折射定律在不同的惯性系产生畸变(即不能协变)就是因为在惯性系的变换中,存在着光倾斜(或偏移)现象改变了三条光线的斜率所致.再按相对论的观点来看,"协变原理"和钟慢尺缩效应也是自相矛盾的:例如一个惯性系的物体作匀速圆周运动,在另一惯性系的观察者看来,将变成椭圆运动,圆方程变成了椭圆方程.如果某惯性系内有一个不断充气而均匀膨胀的橡皮气球,其他惯性系看来.将变成各向异性的不均匀膨胀的椭球.同理,单摆振动定律=2^//7和"液体表面张力使液体表面收缩到最小面积的规律(图2)在惯性系的变换中,也要因为相对论效应而遭到破坏.2,尤其是炸弹的均匀爆炸,其弹片类似球面波的均匀传播.也类似静止的声源产生的声波在静止的空气介质里的均匀传播.但是,当炸弹作匀速运动时,它均匀爆炸产生的弹片和声波,虽然都是球对称辐射状,球心却不能保持重合了.因为弹片的运动速度与源有关,声波的传播速度与源无关,所以弹片的对称球心就是运动的,而声波的对称球心则是静止的.它们只能说对各自的对称球心各向同性.交换球心来看则是各向异性,这两个不同的对称球心分别代表两个不同的惯性系.交换球心后,球对称的关系也就被破坏而不复存在了.由此还要导致下述问题.按惯性系的等效性(即相对性原理),炸弹均匀爆炸的弹片的运动和它产生的火光的光传播,都应是各向同性的,只有一个对称球心而且是重合的.然而,按相对论的观点,弹片的运动与源有关,光的传播却与源无关(类似声波的传播)使二者的运动属性根本对立起来了.便必然要出现两个对称球心.与根据惯性系等效性作出的判断(只有一个重合的对称球心)构成矛盾.相对论既然确认物体的运动和声波的传播有原则性区别,声波并不遵从相对性原理,那么,怎能否认跟声波有相似特性的光波(爱因斯坦的假设)不同样破坏相对性原理呢?难道可以一方面确认光的传播与源无关,鼹声的传播类似跟实物粒子的运动属性根本对立的同时,另方面又可以采用双重标准,认定声的传播与源无关不遵从柑对性原理,却忘记假设光速与源无关,也必然与相对性原理矛盾.由此可见,上述事实和科学分析表明,不只是"协变原理"在很多场合不能成立,存在种种矿盾,还表明这个理论在物理领域制造了极大的混乱.三,"协变原理"的构思是一种主观偏见这个原理是很迷惑人的,致使人们广泛地支持,为它辩护.因为这个原理声称"物理定律在任何惯性系都应保持它的数学方程形式不变",粗心的人把它作为惯性系的等效性理解来辩护,当然是文不对题,把原理的内容都误会了.推崇相对论的人则强调物理定律是事物本身所固有的客观规律,是不由人的观意识而可以改变的.且定律的数学方程是这种客观规律的反映,自然是保持不变.这种辩护却忽视了如下情况和伺题,自然定律本身和表达它的数学方程并不是等同的东西,而且人们通常就用不同的坐标系来以不同的数学方程形式表明同一个自然定律.例如加速系或引力系就更明显含有此意652,一个较复杂的物理定律方程,往往包含很多参变量,在惯性系的变换中,很自然地会有两种情况出现:其一是各个参变=量按其各自的变换规律变化,决定整个方程形式的不变其二是事先规定方程的形式不变,要求各个参变量的变化服从于保持整个方程的形式不变.这就是爱因斯坦所要求的"协变性".3,人们还可看到,按照"协变原理,在一个惯性系写出的定律方程,只要在各个参变量上加敝,即可得出其他惯性系的该定律方程形式不变.例如麦克斯韦方程组.××一1.,.1×_--_--十一—:+簪,'㈠?一4?=4兀,.?..;.这种构想虽然简便,但是为了达到这种形式上的雷同,却必须使各个参变量按下面的复杂变化来适应:.,.=,,上=(卜_+上)1,,=,』,=(上一×__～)'=,上=(上+上)=,上(上一上)上=上,=(—),:(—.)(参考文献(1)第92.93页)^=/式—.,=/.这种强调定律的数学方程形式不变,而要求其各个参变量的变化服从于这个数学约束,便导致了各个参变量的变化关系得异常和复杂化了,并否定了各个参变量有其各自的,顺乎自然的独立变化规律,似乎是"削足适履"和"饼干模具设计"二类的构思.在科学史上是少见的.从惯性系的变换乃是