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爱因斯坦相对论

词条摘要:爱因斯坦相对论初解 汽车是运动的,树木是静止的,这样说大家都能接受,但如果反过来说树木是运动的,汽车是静止的则会有很多人说你痴人说梦。其实在物理学上这两种说法都是正确的,只是所选的参照系不同而已。这... [阅读全文]

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1. 主题:[原创]关于场是否可以做参考系的问题

说到这个问题,大家要先了解量子力学的一系列对场的解释的观点:
量子力学认为:
1--物质波
任何物体本身在量子力学看来都是波动。这种波动的观点来源于物体的空间位置随着时间的改变可以用位置对于时间变量的概率函数来描述,而该概率函数可以简化成一个只与时间和空间位置有关的函数,该简化形式的函数表达式结构类似波动函数的结构。
也就是说,物体在空间中的运动,力的作用等等都可以简化地描述为物体在时间和空间内的参数变动,或者称为参数波动。
根据这个思想,物理学家 德布罗意 提出物质波的概念,也就是任何物体都能类似光波那样被描述成一个关于其时间和空间位置的波函数。
由于所有的物体的运动学方程都能描述成为波函数形式,说明它们都是在时间和空间中按照一种抽象的波的方式存在,所以,统称为物质波。

2--概率波
由于物体运动可以描述为波动方程形态,这种波动方程本身具有概率函数表达式变形结构(这是纯粹数学问题),说明物体的运动不仅具备典型的因果性,还具备概率随机性,当通过对一个物体的波动函数进行变形得到它的概率函数形式,就能很轻易地计算该物体的特定空间位置和特定时间位置状态在时空中存在的概率(可能性)。
对于微观粒子,我们发现,它们的运动波函数参数因为满足粒子的瞬时和微观参数条件,所以微观粒子的波动函数推导出的概率函数表明:微观粒子的运动没有明显的固定因果性规律,更偏向于杂乱无章的随机运动,对于单独粒子的单一时空形态(对应特定的一对时间-空间位置数据)来说,其出现的可能性与其他粒子之间的相关性微乎其微。但是对于大把的粒子进行统计,或者对同一个粒子的多个时空形态(对应多组的时间-空间位置数据)来说,取样越多,通过函数计算发现的相关性越大。
对于宏观物体,我们发现,它们的运动波函数参数因为满足物体的宏观时间和宏观尺寸参数条件,所以它们的波函数推导出的概率函数满足:宏观物体之间的相互作用关系相当明显,具有明显因果性。
这也正好和粒子越多,规律性越明显相吻合。因为宏观物体都包含及其巨大数量的微观粒子,所以其因果规则性十分明显。
这一切都说明,物质波本身是一种概率波,它既然描述了物体或者粒子在整个时间空间范围内的变化规律,那么,可以说这种抽象波(因为是函数形态的波)分布于整个时间空间范围内(或者说这种波的函数的变量取值范围是整个时间和空间坐标范围)。

3--概率波的变化主体
既然所有的物质波(包括光波)都是概率波,那么我们通过对其波动函数的研究会发现,在物质质量集中(或者粒子集中)的时空范围内,对应的这个物体的概率函数(由波函数变形得到)显示的存在概率也会比较高。
对于一个物体不占据的时空,或者很少占据的时空来说,对应概率函数也会显示出很低的存在概率。
我们把一个物体的概率波显示比较高概率的范围称为该物体对应的概率波的主体。通常,每一个粒子具备一个波函数,而一个包含许多粒子的宏观物体的波函数就相当于多个微观粒子的波函数的叠加,所以宏观物体的波函数被称为微观粒子波函数的波包。
对于明显具备粒子性的物质波,其概率函数一定显示为:该物体的波包函数具有唯一明显的时空聚集范围(在某一部分时空中明显存在,甚至聚集)和明显的弱分布范围(在某部分时空内几乎不存在)。
对于明显具备波动性的物质波,其概率函数一定显示为:该波具有明显的时空范围内的周期分布性,而且没有唯一明显的时空聚集范围。
普通物体都属于明显粒子性的物质波。
光波,声波等明显属于波动性的物质波。

5--概率波主体的传播
我们这里强调概率波的“主体”的传播,是因为,概率波本身弥散于整个时空间(因为波函数中时空变量取值范围为整个时空),那么概率波本身的传播就是没有意义的概念。但是,概率波的高概率主体部分不是弥散在整个空间的,它具备传播的意义。
所以,谈到传播,所有波的传播都是指其对应的概率波的高概率主体部分的传播。
根据对不同物体或者粒子的波函数的概率函数的研究,微观粒子具备明显的随机运动性,而没有比较明显的受约束性,所以其速率没有受到严格约束,运动也很混乱。但是正如我们前面提到的,多粒子系统的概率函数显示出:越多个粒子组成的粒子体系整体的运动的规则性越明显(这是由波函数叠加后形成波包函数形式,随着叠加成波包的单一粒子数目增加,随机性同时出现的概率就必然下降,而规律性相对就要增强)。当粒子数超过数千或者上万的时候,上万个粒子的整体物速率限制随机性运动的概率将微乎其微。那么,数亿粒子组成的宏观物体想要无规律无速率限制地随机运动就根本不可能。
所以,宏观物体的运动必然遵从明显的相互作用规律(相互作用等同于因果性,必须有作用才能有改变),而且宏观物体的运动速度必须具有明显的速率限制。
这就是因为,作为宏观物体的波函数的波包中的高时空出现概率主体部分的传播必须有比较严格的因果性限制和速率限制。

作者: 厉风 2007-10-23 21:39:20 引用此发言

2. 回复:关于场是否可以做参考系的问题

6--关于场
由于物体的波函数具有弥散于整个时空的特点,整个时空都可以作为物体与其他物体发生相互之间因果性影响(作用)的范围(field,英文“场”的原单词,意思是范围,领域)。所以把物体波函数的弥散范围整个叫做物体与其他物体发生波函数叠加(相关性)作用的“场”。
所以当我们通过把引力学或者电磁学的力对应的量子力学算符作用于波函数得到对应的力的作用的时候,我们发现,每种力都可以在整个时空间内发生。
但是由于力的算符作用于物体的波函数后得到的力的函数一定也要满足微观粒子运动的无规则性和宏观物体运动的因果性和速率限制,那么:
对一个宏观物体发生作用的力的传播也受到因果性和速率限制并具有明显的力的效应。
对一个微观粒子的力的作用也因为粒子无规则运动性,看起来根本没有受到力的影响,也就没有明显的力的效果。
所以,我们把能够显示出明显的力(从上边的介绍可以看出力具备因果性,否则将不存在)的波函数时空变量取值范围叫做力的“场”。
显然力场必须是对于宏观物体的波函数而言的。
所以力场也受到因果性和传播速率限制。根据麦克斯韦电磁方程组,我们发现场的变化的传播(也就是力场波函数的高出现概率主体部分的传播,也就是力对于宏观物体质量聚集整体部分的作用的传播)的速率衡定为真空中光速(电磁波的速率)。

以上是量子力学对于场的解释。

作者: 厉风 2007-10-23 21:39:55 引用此发言

3. 回复:关于场是否可以做参考系的问题

7--关于光和场
量子力学认为物体都是概率波。
但是粒子性的概率波具备一个特点:有明显的在时空中出现概率高的区域,对应于物体的实体部分,还有明显的堤出现概率部分,对应物体周围的真空部分。
而波动性的波具备的特点是:弥散于整个空间,具有均匀的概率(除非受到粒子性波的干扰),即使受到粒子性波的干扰,也还具有尽可能维持均匀概率的特性。

普通物体都对应了粒子性波的模型,每个物体都有明显的实体和周围空间两部分,而光波和声波明显具有波动性,它们没有实体,只具有能量,不受到实体物体的运动速度的限制,他们本身可以作为类似单个具有能量的粒子的身份被物体吸收和放出,但又在作为多个光子或者声子的粒子集团形态时候受到粒子集团运动速率的限制。
显然,光因为可以在真空中传播,受到粒子性物质波的影响最小,其运动速率达到粒子集团运动速率限制的最大极限。
声音为本身就是粒子性物质波自身的震动产生的能量传播模式,是永远不能超越粒子性物质波的波包的运动速率极限的。而且传播声波的物质粒子集团的震动协调性越好,声波速率越快。

最后来说场,场等同于粒子性物质波的非高概率主体部分,它弥散于整个空间,严格来说,宏观物体具有极其明显的质量电量聚集区域(实体),而实体之外就是真空(气体介于弥散和固体实体之间)。那么,可以说,由于每一个物体的物质波弥散于整个时空,其在整个时空都存在出现概率,也就存在和其他物体在整个时空内发生作用的概率,当然越接近物体的实体(波函数高出现概率主体),该物体与其他物体发生因果性相关作用的概率越高。
这样来看,作用力这种属性的排布也是遵守:越接近物体实体,作用力效果越强(也就是物体间因果性成立的成功率越高)的原则。
场并不等同于真空,因为真空只是对于空间而言,场则是对于时空而言,其实场就是物体与其他物体之间发生因果性相互作用的概率性范围。

对于一个物体自身的波函数来说,除了实体之外的部分(低分布概率部分),可以说整个是一种均匀概率波,类似光和声,是一种波动性更加明显的物质波。所以我们说,力场的变化的传播(注意:说力场的传播是错误的,力场弥散于整个时空间,讨论它的传播没有意义,而力场的变化相当于物质波主体的变化传递到力场中的形式,相当于物质波主体分离的一个部分,所以,要讨论力场的传播,其实应该说是力场的变化的传播,它虽然是物质波主体的分离部分,但是是在力场形态下传播,因此是明显波动性的)和光的传播更近似(不需要借助物质波实体的震动,只要在真空中就能进行),因此也是光速的。

由于场的变化的传播具有这种类似光波(均匀几率波)的特点,也就很容易解释为什么麦克斯韦电磁方程组最终显示力场变化的传播速度为光速。

作者: 厉风 2007-10-23 21:40:19 引用此发言

4. 回复:关于场是否可以做参考系的问题

根据光波和场的变化的传播的弥散性和概率均匀性可以看出,对于人以观察者,你无法测定出它们的速率发生变化,因为用速率算符作用于这些均匀概率波函数得出的速度总是一样的,和观测者状态无关。当然,如果场和光的变化受到粒子性波(实物粒子系统)干扰,外界看来它们的速度好像是下降了。因为这种干扰来自于对光的吸收效应。

但是物体对于光和场都具有吸收性的干扰作用,这是因为携带能量的光和场变化的传播的能量会被物体吸收,减弱或者屏蔽光线或者力场的变化的传播。

最后,由于光和场的变化的传播具有以上特点,它们不能被作为普通物体的运动状态的对比参照物,因为光和场的波函数在时空间中没有概率分布差异。

严格说本贴属于量子力学范畴,但是也从量子力学角度揭示了光速不变性和宏观物体运动速度不能超光速的问题。

有人认为场可以做静止系,这个观点的错误有以下三点:
1场本身具有无穷大性,也就是 无法用具体数学描述描述性。运动参考系不论静止或者运动,首先必须能明确地描述成数学函数,否则无法确定其具体位置和由其中心确定的坐标系。
2场本身的存在具有混合性。任何参照系必须能区别于某些物体,场却存在于整个时空,各向同性,没有办法把不同物体的场进行实际区分(它们实际是混合在一起的)。
3场的变化的传播具有光速特征,根据量子力学观点和狭义相对论观点,场的变化的传播速度具有速度极限性和不随观测者状态改变性,因此不能作为参照系。

作者: 厉风 2007-10-23 21:42:17 引用此发言

5. 回复:关于场是否可以做参考系的问题

截至高中物理学,电磁场和万有引力场方程都是不显含时间t参数的。但是这些沿用的都是经典电磁学的假设。

在比麦克斯韦先生更早的年代,科学家已经通过精度没有现在高的实验证实:
在测量同一个状态的通电线圈产生的电场和磁场时候,对于处于不同运动状态下的测量电磁场参量的测量仪器来说会产生有微小差异的测量结果。

麦克斯韦先生的贡献就是把这些实验的精确度进一步提高,并根据实验数据总结出了电磁场参量之间的变换方程。
麦克斯韦方程组,除了各自采用自己参照系的时间参量外,方程组表达形式完全一样: 
对于同样的电磁场源
静止状态下的测量仪器测得的结果
(δEx/δx)+(δEy/δy)+(δEz/δz)=0; 
(δBx/δx)+(δBy/δy)+(δBz/δz)=0 
δEz/δy-δEy/δz=-δBx/δt;δEx/δz-δEz/δx=-δBy/δt;δEy/δx-δEx/δy=-δBz/δt 
δBz/δy-δBy/δz=μ0ε0(δEx/δt);δBx/δz-δBz/δx=μ0ε0(δEy/δt);δBy/δx-δBx/δy=μ0ε0(δEz/δt) 
和运动状态下的测量仪器的测量结果 
(δEx'/δx')+(δEy'/δy')+(δEz'/δz')=0; 
(δBx'/δx')+(δBy'/δy')+(δBz'/δz')=0 
δEz'/δy'-δEy'/δz'=-δBx'/δt';δEx'/δz'-δEz'/δx'=-δBy'/δt';δEy'/δx'-δEx'/δy'=-δBz'/δt' 
δBz'/δy'-δBy'/δz'=μ0ε0(δEx'/δt');δBx'/δz'-δBz'/δx'=μ0ε0(δEy'/δt');δBy'/δx'-δBx'/δy'=μ0ε0(δEz'/δt') 

实验说明确实存在所谓的“本地时间t'”。因为电场强度E和E'不同(有微小差异),磁感应强度B和B'也有微小差异,而且两个测量系统测得不同的时间t和t'。

这个实验事实被无数次的电磁应用所验证,乃是不依赖理论证明的纯粹实验总结。在没有相对论之前,这个现象被认为是电磁场对于运动的一个特殊性质(因为该性质用经典电磁学解释不了)。

我们在课本上接触的多是经典电磁学知识,它假定电磁场测量值不随测量仪器的运动状态改变(但是这个观点很明显地被实验推翻了)。但是出于教学简化性的要求,普通课本都是介绍这样的并不符合实际的电磁学。
只有大学物理和理论物理才会介绍电磁学的真实情形(因为这个情形比经典电磁学复杂得多)。

所以,任何人以为场的方程和时间参数无关,都是十分无知和愚蠢的断言。

作者: 厉风 2007-10-23 21:42:26 引用此发言

6. 回复:关于场是否可以做参考系的问题

场在物理学中的严格定义指的是“作用力”所能传播到的所有的可能的空间区域范围的集合,实际上,我们通常假想力可以传播到整个空间,也确实没有证据反驳这个观点。为什么要这样建立呢?场的概念乃是根据量子力学的波函数分布范围来定义的,波函数本身要求涵盖整个空间,而不是只包含波强度比较明显的局部空间。按照量子力学的解释,一个物体的波函数的分布空间范围内可以和任何其他物体的波函数叠加,在直观观测上看来就是它们之间发生力的作用。所以,场也被称为所有可能发生力的作用的空间范围。

而通常的误解都是认为“场”是力的作用最“明显”的一个有限范围或者“正在”发生力的作用的空间范围。
这是经典力学的不严格定义。
说它不严格,就是因为
1---所谓“明显”,这个尺度无法严格划定,单电子的电场最强区域也没有一个宏观带电体在距离带电体本身很远处的电场强,如何来划定什么强度算是“明显”??
2---“正在”发生力的作用,正在如何定义,既然要严格定义,乃是要求这个“正在”所指的时刻可以明确划定,而这个“正在”持续多久也是无法划定的。

为了避免以上两个问题,场的概念被近代物理学修正为量子力学的定义。而该定义指明场就是整个空间范围,场强函数随着空间位置取所有空间坐标值而成为一个在不同位置有不同值的变量。这样的描述是严密的,精确的,合理的。
但是,作为场这个概念本身,由于涵盖整个空间范围,那么它就没有“运动”这个概念。

我们只能说场源(力场的施力物体)可以运动,场在空间各处的强度随着场源运动而改变。这才是准确严密的说法。

作者: 厉风 2007-10-23 21:42:50 引用此发言

7. 场可以“传播”吗?

场既然不存在运动的概念,也就不存在传播的概念。
但是力可以传播,但是不要把力的传播乱说成场的传播。
力的实质是物体之间的能量交换作用。那么力的作用全过程就是能量交换的过程。

经典力学认为,力可以瞬间超越任意距离作用在其他物体上并且瞬间产生效果。

近代科学发现,这个假设是不合理的。因为能量的传递主要有做功,热传递两类。
做功主要是物质见通过电磁作用和引力作用进行能量传递(光子传递)后产生物体在空间线度上的变化。
热传递实际上是物质粒子之间传递电磁作用载体---光子来均衡相互之间动能差异的过程。
它们本质上式一样的。都是动能的改变。

经典力学的假设显然认为能量传递时没有速度限制,也就是光子的传递没有速度限制。这和近代实验对于光的传播速度的测量得到有限值的结果相违背。

那么,也就是说,实际上力的传播是有速度限制的。

我们知道场源(力场的施力物体)既然可以运动,那么,场不就可以作为参照系了吗?这种说法也是不严密的。
我们只能说场源可以作为参照系,但是场不能。

作者: 厉风 2007-10-23 21:44:13 引用此发言

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