洛伦兹变换,狭义相对论的核心,也是经典力学和电动力学的调和者

宇宙时空 2024-10-28 12:25:43

在1873年的科学盛事中,著名学者麦克斯韦推出了划时代的科学巨著《电磁理论》,震撼了整个学术圈。这本著作的出现,不仅实现了物理学史上前所未有的统一大业,更系统、全面、完美地阐述了电磁场理论,从而为经典物理的基石增添了新的力量。麦克斯韦不仅预测了电磁波的潜在存在,他的这项预言还为现代无线通信的大门敲响了序曲。

在麦克斯韦的理论中,电、磁、光三者得以统一,这是19世纪物理学领域最为辉煌的成就,亦是科学史上绝无仅有的伟大融合。可以毫不夸张地说,如果没有电磁学,现代电工学的诞生便无从谈起,也就没有今日我们所熟悉的现代文明。

麦克斯韦为了将电磁场理论从介质推广至空间,大胆地提出了一种假说:空间中存在一种被称作以太的动力学物质,它具有一定的密度,并拥有能量和动量。以太的动能展现了磁的特性,势能则体现了电的属性。它的动量被视为电磁最基础的量度,代表着电磁场的运动特性及传力的特征。1865年,他提出一组包含20个变量的20个方程式,即众所周知的麦克斯韦方程组。此外,他在1873年尝试用四元数来表示这些方程,但最终未能如愿以偿。

然而,在当时的科学界,麦克斯韦的理论并未得到广泛认可。如同18世纪科学家将牛顿学说奉为绝对真理一般,当时的人们尚未意识到麦克斯韦的学说价值。

由于过于辛勤地推广自己的电磁学理论,麦克斯韦终因劳累过度于1789年不幸离世,未能在有生之年完善自己的公式体系。

直到1884年,奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯采用矢量分析法重新表述了麦克斯韦的理论,我们现在所熟知的麦克斯韦方程组才最终确立。

奥利弗·赫维赛德同样具有传奇色彩,曾因猩红热导致耳聋,却凭借自学成就了一番伟业。他将麦克斯韦方程组从四元数转变为矢量形式,从而将原先的20条方程精简为4条微分方程。

而吉布斯为化学热力学奠定了基础,他创立了向量分析,并将其引入数学物理领域,进一步将麦克斯韦方程组引入物理光学研究。这两位科学巨匠携手将我们现在所见的麦克斯韦表达形式完善至极。

麦克斯韦方程组精确地描绘了电磁场的特性及其相互作用的机理。如此一来,麦克斯韦便将错综复杂的物理现象归纳为一套统一而完整的学说。麦克斯韦方程在理论与应用科学领域的广泛应用已逾一个世纪,它构成了现代文明发展的基石。

麦克斯韦方程组通常有积分形式与微分形式之分,其中H代表磁场强度,D为电通量密度,E为电场强度,B为磁通密度,J为电流密度,ρ为电荷密度。在采用其他单位制度时,方程中的某些项会出现一常数因子,例如光速c等。

积分形式的麦克斯韦方程组是描述电磁场在某一体积或面积内的数学模型。其中第一个公式是由安培环路定律推广而来的全电流定律,第二个公式是法拉第电磁感应定律的表达,第三个公式显示了磁通的连续性原理,而最后一个公式则体现了高斯定律。

麦克斯韦方程组的积分形式既描绘了电场的性质,也揭示了磁场的特性,并且描述了变化磁场激发电场以及传导电流和变化电场激发磁场的规律。

它反映了空间某区域电磁场量(D、E、B、H)与场源(电荷q、电流I)之间的关系。在电磁场的实际应用中,我们经常需要了解空间各点的电磁场量与电荷、电流的关联。而微分形式则是麦克斯韦方程组积分形式在数学表达上的一种转变。

麦克斯韦方程组构建了电动力学的基石,但与牛顿的经典力学产生了冲突。麦克斯韦建立的电动力学表明,光速在不同的惯性系中保持不变,这个结论与经典力学的伽利略变换产生了矛盾。

伽利略变换是经典力学中描述两个仅以恒定速度相对移动的参考系之间变换的方法,属于一种被动态的变换。它构建了经典力学的时空观念。

伽利略变换假定,在同一参照系中,两个事件同时发生,在其他惯性系中,这两个事件也必然同时发生。时间间隔的测量是绝对的,长度的测量也是绝对的,经典力学定律在所有惯性参考系中的数学形式保持不变,也就是说,所有惯性系都是等价的(相对性原理)。伽利略变换还构建了经典力学中绝对的时空观,时间和空间与参考系的运动状态无关,且互不联系,是绝对的。

这种绝对的时空观与麦克斯韦创建的电动力学产生了冲突。当我们将伽利略变换应用于描述电磁现象的麦克斯韦方程组时,会发现其形式并不保持不变,即在伽利略变换下,麦克斯韦方程组或电磁现象规律不满足相对性原理。

由麦克斯韦方程组,我们可以得到电磁波的波动方程,其解出的真空中的光速为一常数。根据经典力学的时空观,这个结论只在特定的惯性参照系——以太中成立。

一句话总结:电磁现象所遵循的麦克斯韦方程组不遵守伽利略变换。

牛顿认为,引力甚至电磁力是在以太中传播的。受到经典力学思想的影响,科学家们假定宇宙中充满了一种称为以太的物质,他们普遍认为以太是传播电磁波和光的媒介。在经典物理学中,将这种无处不在的“以太”视为绝对惯性系,其他参照系中测量到的光速是相对于以太参照系中光速与观察者所在参照系的速度矢量叠加的结果。

为了解决这个矛盾,洛伦兹建立了洛伦兹变换。洛伦兹提出,洛伦兹变换是观察者在不同惯性参照系间进行测量时所采用的转换关系,在数学上表现为一组方程。该变换同样是基于以太存在的前提,基于光速不变原理,在任何惯性参照系中,光速都保持相同数值。

1887年的迈克耳孙-莫雷实验旨在证明以太的存在。如果能确定以太与地球的相对速度,即以太漂移速度,就能证明以太的存在。然而,实验未能检测到地球相对于以太参照系的运动速度,得出地球相对以太不运动的结论。后续的其他实验也得到了同样的结果。

洛伦兹为了在不放弃光速与参照系无关这一观点的前提下拯救以太假设,抛弃了空间间隔和时间间隔与参照系无关的绝对观念。在他看来,常驻以太参照系是基本参照系,在这个参照系中,时间均匀流逝,空间均匀且各向同性。实际参照系都相对该基本参照系运动。

根据洛伦兹的设想,观察者相对于以太以一定速度运动时,长度在运动方向上发生收缩,以此抵消不同方向上由于光速差异所造成的影响,从而解释了迈克耳孙-莫雷实验的零结果。

洛伦兹变换在一定程度上调和了经典力学与电动力学之间的矛盾,为伽利略变换提供了一个适用领域,从而解释了为何伽利略变换下麦克斯韦方程组或电磁现象规律不满足相对性原理。

然而,洛伦兹变换毕竟是为了拯救错误的以太假说而提出的,在调和经典力学与电动力学之间的矛盾上仍存在许多问题。在相对论出现之前,洛伦兹从存在绝对静止以太的观念出发,考虑物体运动发生收缩的物质过程得出洛伦兹变换。在洛伦兹的理论中,变换所引入的量仅被视为数学上的辅助手段,并不包含相对论的时空观。

爱因斯坦洞察到解决这种不协调状况的关键在于同时性的定义。爱因斯坦认为,既然光速不变,那么作为静止参照系的以太便没有存在的理由。于是,他摒弃了静止参照系以太、光速不变原理以及狭义相对性原理作为基本假设,建立了狭义相对论。爱因斯坦基于现实观察,着眼于修改运动、时间、空间等基本概念,重新推导出洛伦兹变换,并赋予其崭新的物理内容,以解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。爱因斯坦的洛仑兹变换指的是纯数学的空间缩短,不再是组成量杆的带电粒子距离的缩短,且这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义。

在狭义相对论的架构中,洛伦兹转换式乃是核心的公式,它导出了狭义相对论的种种运动结论和时空特性。这些结论和特性包含了相对性原理、长度收缩、时间膨胀、速度合成公式以及相对论版的多普勒效应等,全部可以从洛伦兹转换式中推演出来。

秉持光速不变的原理,我们得知在任何惯性参考系中,光速都维持不变的值。在此基础上以及相对性原理的指导下,

在狭义相对论中,时空的三个维度与时间轴合一,形成一个四维的时空结构。不同惯性参考系之间的变换公式,在数学形式上与洛伦兹转换式如出一辙。

这样一来,古典力学与电动力学间的矛盾得到完全的解决。如果一个物体的速度v远远小于光速с,且被观测物体的速率也远低于光速,则洛伦兹转换在效果上便与伽利略公式趋于一致。对于常见的力学现象,伽利略公式绰绰有余。但若涉及运动物体的电磁现象,哪怕物体速度较光速而言微不足道,由于电磁相互作用传递的速度为光速,洛伦兹转换的使用变得必不可少。

自笛卡尔将以太引入科学领域,赋予其力学属性,认定所有物体间的作用力皆透过以太这个媒介传播,以太学说将近束缚了物理学家三百年。他们在探索各种物理现象、规律、法则时,无一不将以太的存在纳入考虑。然而,爱因斯坦的狭义相对论终结了以太的迷思,明确指出在所有惯性参考系中,光速的测量值是不变的,从而否决了以太(绝对静止参考系)的必要,这不仅是对经典物理学根基的一次震撼,也是现代物理学开篇的序幕。

自此以后,相对论应用于高速运动与微观世界;经典力学则主宰着宏观尺度与低速领域的探索;而电动力学在电磁现象中,发挥着不可或缺的作用。三者交相辉映,共同编织出物理学的多彩画卷。

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评论列表
  • 2024-10-28 15:05

    牛顿晚年研究上帝神学,是敬畏信任自然,他希望自然哲学与上帝协调一致。不知道为什么有引力而且确定明天还有???这种人类认知自然的极限困惑(终极因的因不可能知道,成了悖论斯坦利用的搞骗技巧),寄托于上帝是一种有效的共识方法。愚蠢的人居然为此贬低嘲笑牛顿,这些能改变牛顿的崇高和伟大吗?………自然绝对诚实有确定性,但自然宿命/决定论有复杂性::意识可以作用于人体(物质),清清楚楚比比皆是,对自然宿命具有广泛的扰动。而且,万物普遍联系持续发展,宿命的复杂现象有观测困难的不确定性(水往低处流隐藏了万有引力)。修建水坝不能改变自然法则,只是重复了一个已有的自然现象。——信任自然(唯物主义)观测归纳(真实)是人类生存包括科学的唯一根本。………所有自然规律都是对过去自然现象的观测归纳,为什么这些规律在未来还是那样???没人知道。只能信任自然(科学尽头)——唯物主义信念!!!将绝对诚实的自然想象成人格化的上帝或神,是一种有主观心理作用的信仰罢了。

  • 2024-10-28 15:07

    解释光电效应是个笑话。物理机制根本没有涉及,对光谱特性,对光电子能量分布,对偏振和温度影响等都不能解释。是半知乱解,害大于利(笨蛋好于坏蛋)。发现光电效应是宝贵的金山,本是一条通往微观世界的大道。胡编解释光电效应不是真理,是毒药祸害,掩埋了科学真相阻碍了求知探索!!!………证明光速不变(全称命题)是胡编!光反射驱动光帆恰恰证伪了光速不变。多普勒效应和红移就是相对光速变化。光子进入引力场比如黑洞光速不变??光子穿越太空的引力偏折是光速不变吗???㊙️迈克尔逊-莫雷实验结果的理解::有质量的光子惯性运动,一点也不奇怪。光子对实验装置相对速度基本不变,两路速度差极小,地球重力对光子速度影响太小也测不到,近似为惯性系。

  • 2024-11-13 15:13

    ❌波与场❌都是数学当物理,捉影弄鬼的把戏:::波只是一种粒子宏观时空分布不均匀,水波/声波/沙丘波到处都有,都是质量运动罢了。🍎居然有波粒二象性?以干涉衍射现象否定光是粒子,又去解释粒子干涉衍射,不是笑话是什么?更荒唐在于二象性祸害了认知自然的核心根基//同与不同的确定性。 🍎场是数学虚幻::由源完全确定,不可观测(源力不是场力,源能量不是场能量),物质的场到处飞吗?飞的方向如何确定?………地球场给你引力,你给地球场引力?这也是笑话!!!场的速度是光速,地球速度显然不同,地球场跑了吗???~~~场与波都是捕风捉影的把戏,意义极小,破坏巨大。………伟大的赫兹证明电磁波的实验,激励源都是电火花,感应接受也是电火花,显然是光子动能传播与光电效应,用了电磁波来解释而已。电磁波理论(1865尚未发现电子)只是基于宏观电磁观测的有用的数学方法,牛顿的质量与力才是宏观微观物质世界的唯一根本。带电是物质本质属性,不需要也不可能由变化磁场产生,磁力对电磁粒子做功影响了正负电荷分布而已。❌两朵乌云包括光电效应当然都是电磁理论的谬误,骗子借机祸害经典力学体系何其疯狂?

  • 2024-11-13 15:12

    ❌❌悖论斯坦//悖论潘多拉,背叛数学由公理演绎证明特称命题的传统,号称证明全称命题公设公理。以光速不变假说祸害相对速度公理,数学冒充物理,祸害绝对时空,祸害能量质量引力等物理基本概念和认知方法,以二象性祸害自然科学认知的核心根基——同与不同的确定性,瞎编自然因果(律),以创造假说冒充祸害公设形而上学。后谎言掩盖解释前谎言搞了一辈子,祸害数学,祸害物理,祸害哲学,祸害绝对真理,终身搞骗,祸害极大极深极广,100多年了,还在鼓吹骗子,居然成了一门生意?………一个恶贯灵魂的彻底的人类公敌!!!狗屎都有用,欺骗有啥用?观测归纳认知自然,从来如此,只能如此。迷信跪拜蔑视自然欺师灭祖的悖论斯坦,瞎搞科幻假说,人类将无法逃脱第六次地球生物大灭绝。———假说科幻骗子招摇过市,人人都沉默?科学还有希望吗???

  • 2024-10-28 15:07

    证实/证明理论是骗术:::需要证明的真理/理论是骗,号称证明真理/理论也是骗!!!真理理论是无法验证的。作为预测未来的全称命题(全时空),证伪当然有效,证明/证实当然无效。号称证明XX论和万有引力定律,一天证明10000次,有用吗???实验只是证明了具体现象真。号称证明公理,假说冒充公设,肯定都是骗。所有自然规律都是对过去的观测归纳,未来是不变的,这个不可能知道原因,只能信任自然。为自然存在(有无)找原因也都是骗。真理不证自明无法证明,需要验证的理论是骗,号称证明理论也是骗!!!——相对真理也是骗术,真理是客观存在的绝对真理,人类诞生之前没有人类的观测,月亮不运动吗???引力有没有???都是显而易见!仰望星空信任自然的地心说需要认知进化,能否定绝对真理吗???地心说依据的现象变了吗?没有!号称相对真理是悖论斯坦蔑视自然欺师灭祖搞骗的伎俩。

  • 2024-10-28 15:07

    光速不变假说见证了高超的骗术!——— 任何全称命题证伪当然有效,证明/证实当然无效。全称命题光速不变违背相对速度自然公理,已有效证伪!!!任何数学演绎能推理出来全称命题“光速不变”吗???无论多少次实验能证明全称命题“光速不变”吗???任何实验精度能证明“光速不变”吗???必然都是骗。相对光速/光速变化/超越光速当然都是正常现象。 光子穿越太空的引力偏折是光速不变吗??光反射驱动光帆速度不变??相对速度变化导致多普勒效应和红移,是光速不变??光子离开黑洞速度变吗?光子进入黑洞速度也不变吗?掩盖谎言需要更多谎言!………光速常数c不是光速不变,地球引力常数G当前还在努力提高观测精度。———量子不确定性原理如何解释光速不变这种无限的确定性???

  • 2024-11-13 15:10

    ❌解释自然因果是骗术,也是一个无中生有的鬼把戏!!! 因果是主观思维,没有自然因果(律),前因后果(以知识为因推理论证目的果),是(数学)演绎推理,必须从公理/真理出发,才有意义。🍎牛顿以观察归纳认知自然,定义自然哲学公理作为数学原理/演绎因。🍎苏格拉底说,真理是唯一的,因果关系无穷多。只有思维因,没有现象因,现象复杂普遍联系因素无穷多。没有从归纳真理/公理(不变现象)出发,瞎编因果都是骗术。空间弯曲就是一个著名的因果解释自然骗术。………所谓释放核能的原因,光电效应因果,干涉现象因果,双缝干涉延迟实验因果,轨道跃迁因果,宏观微观不同因果,高速低速差异因果,不确定性原理因果解释,祸害了强大微观电磁的深入研究。具有宏观不确定性的电磁力,是万有引力的10^36倍以上,物质本质带电的静电斥力是可利用能源(光子动能/核能化石能太阳能等)的源头(电斥力发射光子,光子即热量)!!!………现象解释都只是辩证法过程,观测归纳//辩证法//需要同时满足牛顿的三个归纳条件,必要性充分性真实性,这是得到真理(思维演绎因)的唯一方法。………归纳现象发现真理是科学,因果解释现象是有害骗术!

  • 2024-11-13 15:11

    ⭕️⭕️不是空间弯曲是道德弯曲。——— 引力本质是空间弯曲? 空间弯曲影响轨道还是影响受力?空间弯曲导致空间移动,空间跑掉了?如何观测?弯曲空间如何对质量有力作用?平直空间不认识质量??空间如何知道材料密度差异??骗子改变导弹和汽车的轨道方向是用力还是用空间弯曲?空间弯曲能弯住升空气球吗?活见鬼!体积太大会被空间卡死吗???水星椭圆进动轨道弯的套路不一样?👻两个质点靠在一起,质量引力的作用力和反作用力,空间往哪个方向弯呢?骗子知道吗?………人人可知空间静止可入,对物体没有力作用,没有空间弯曲是道德弯曲!!………质量随相对速度变化很有趣!相对速度无穷多,哪有高速低速之分?静质量是相对哪个速度参考系呢?各个方向相对速度不一样,难道各个方向质量不同吗?相对速度到处都是,明天还是。有原因和本质吗???………苏格拉底说,真理是唯一的,因果关系无穷多/不确定。❌不要搞道德弯曲,绝对空间的非惯性系变化才是真正的航天问题。

  • 2024-10-30 20:53

    本来两者不靠谱的。[捂脸哭][捂脸哭][捂脸哭]非要盲婚哑嫁,扯上一超。这不出错才怪。

  • 2024-10-28 15:06

    自发裂变反应的预测和发现,是原子能利用的直接原因。与爱因斯坦有啥关系?质量亏损是他发现的吗?不知道他如何将沙子变成能量?如何将能量变成质量?篡改美女“动能公式(天天到处用)”把她变性成和尚“质能方程(看到人家核弹成功了,他居然假惺惺地说后悔编造了狗屎造核弹方程)”………这个莫名其妙的数学“能量”是动能还是势能?如何与质量运动发生作用?——解释光电效应?物理机制根本木有涉及,对光谱特性,对光电子能量分布,对偏振和温度影响等都不能解释。是半知乱解,害大于利(笨蛋好于坏蛋)。对比牛顿对“引力”必要充分真实的严谨归纳,是不是荒唐的笑话???——原来他还干过采用牛顿引力常数否定万有引力定律的丑事!——相对论篡改伽利略变换,洛伦兹遗憾的说“对于我,只有真正的时间,。。。都是爱因斯坦干的(破坏时间基本概念的荒唐事?)”

  • 2024-10-28 15:05

    理论物理学进展缓慢(倒退)的原因::: (1)有不少观念认为,先创造假说~再验证证明,就是科学。这其实是一种悖论斯坦式两头骗术!!!假说认知自然有任何成功先例吗?数字文字概念符号包括几何公设(黎曼欧几里得),都是经验的理想化抽象(所谓形而上学当然也是唯物主义),不预测任何真实,用于表达真实。与假说根本不同。………光速不变预测真实冒充公设,它不仅创造假说,还违背相对速度公理。(2)悖论斯坦的号称证明也是骗术!!!自然规律是全称命题,象万有引力定律一样,证伪当然有效,证明/证实当然无效,一天证明10000次也没用。牛顿自然哲学的观点是观测归纳,还是必要充分真实的归纳,严肃地反对创造假说!!!创造假说号称证明,是悖论斯坦蔑视自然欺师灭祖的狂妄骗术。祸害时空观,祸害质量能量引力物理概念,祸害自然认知方法。。。 (3)悖论斯坦骗术已经成了一种十分强大的科学时髦。假打弄成比真打更迷人,实在是恐怖和难以理解的!!! (4)倒退是指创造假说泛滥,攻击已有物理公理物理概念和认知方法,以认知进化否定绝对真理,祸害哲学。 ………花钱鼓吹骗子重要?批判骗子不需要?这是祸害子孙祸害国家!

  • 2024-11-13 15:11

    ⭕️时光倒流是数学当物理的骗术!都是毫无意义的思想实验。8分钟前的太阳光,几十亿年前的遥远星光,地层中几万年前的琥珀苍蝇,以及所谓的超光速观测,。。。只是影响一些意识信息,用光(超音速)观测雷电(来的快),用声音观测雷电(有滞后),都不能改变雷电本身。木啥实质影响。都是为了欺骗。钟摆移动到月球表面变慢了,时间定义还是没变,谁的时光倒流了???❌号称修正GPS原子钟的大笑话: 狭义相对论让星钟变慢,再来个广义相对论让星钟变快,你说这钟倒不倒霉?关键是反复修正还是不行(误差90%)!参见论文“部分相对论效应对北斗原子钟性能影响分析” ⭕️ 时间是观测经验(次数-先后)抽象理想化概念,如同长度、质量、圆pi数字文字等形而上学概念定义,不猜测任何真实,用于表达真实。观测同一对象100个结果,如何识别它们,时间!!时间是意识记忆序列的标识符,没有记忆就无法观测时间和运动变化。意识记忆有绝对顺序就是绝对时间,观测时刻就是现在,时间流动的感觉就是意识记忆在发生。——⭕️绝对时空清清楚楚无法改变,相对时空是数学虚幻,装神弄鬼白日做梦,只能是近似。宇宙时时处处可放羊???当然是鬼把戏。

宇宙时空

简介:热衷于宇宙时空的探索