狹義相對論的研究

作者：本老拳(qq349397469)

摘要：

應(yīng)該重視光速不變原理下的“同空性的相對性”，這關(guān)聯(lián)著光速的矢量性質(zhì)，不僅僅速度絕對值不變、速度的方向也不變。因此推理出了相對論效應(yīng)與傳統(tǒng)理解略有不同，比如時間效應(yīng)與空間效應(yīng)的交互性，垂直于相對速度的方向的尺不縮存在漏洞。由此揭示了狹義相對論還有深入拓展的潛能。

關(guān)鍵詞：同空性的相對性，時空相對論效應(yīng)的交互性，絕對參考系，參速不變

1，第一部分--同空性的相對性

狹義相對論的鐘慢推理中，

火車作例，

火車箱中，垂直向列車天花板反射鏡射出光束，車箱高l，來回雙程用時2t；

地面看，因為車速，光發(fā)出的時間內(nèi)，發(fā)射點與天花板反射點都向車速方向走出了一段距離，所以看到這光束走的是斜邊，L比l大，

因為各速度參考系下光速不變，

2t?=2L/c，比較于

2t=2l/c，

t?比t相對要大。

因此顯示鐘慢效應(yīng)。

以上推理--簡稱M理解，常見于多種網(wǎng)文與視頻講課的表述中，經(jīng)ai搜索認為符合狹義相對論。

但本文認為它有矛盾而不夠完備。

把這例子重復(fù)：

O，靜止于原點O的火車；

A，速度為v的火車。

我們假定兩車經(jīng)原點時同時向火車天花板射出激光光子。

為了講解更直觀，想象火車上的激光槍豎直朝上。

請看以下講解：

1.1，假相對論理解（簡稱N）：

既然光速與光源的運動狀態(tài)無關(guān)，所以O(shè)和A兩光子在O點脫離各自激光槍后，因為光槍向上就按光速向原點O頂端天花板按移動；經(jīng)時間t后雙雙擊中O的上方天花板；而t時間后A火車移動到了vt位置，H點無緣光子。

問題點：出射光子為何隨O不隨H，O有啥特別特權(quán)，

難道特權(quán)是靜止，但靜止是相對的，于是特權(quán)是自參考系，即與運動狀態(tài)有關(guān)。你動了，為啥你發(fā)出的光子還會追隨你動？

揭示出：光速不變的理解需要加補丁N。敘述該理解的目的是為出臺同空性的相對性作鋪墊。

1.2，伽利略描述（J）

此描述也作為鋪墊，主要關(guān)注β角。

O看到自身光子向上射出，t時間后擊中O上天花板；A看到O光子射出，并往后往上以斜線方向移動，t時間后與同步往后移到的O天花板遭遇。

同樣，A看到A光子在A車箱內(nèi)按光速c向上移動，t時間后擊中A天花板H；O看到A光子從原點射出，c速向上并v速向前以斜上方向移動，t時間后擊中A天花板H。

車箱靜止高度為l，

靜止看，即A看A光，

射中天花板時間為t，

l=ct，

A看A光槍的方向與車速方向夾角α，此處α=90度，

0時刻O車與A車的位置重疊于O點，

車速為v，

t時刻A車位置于A點，AO=vt，

t時刻A車天花板位置H點，AH=l=ct，

O看到：

A光子脫離激光槍后按光速c向上運動，并在A車的作用下獲得車速方向的v速度，因此表現(xiàn)出兩速度之矢量和，即方向斜上速度值按矢量和，其絕對值為：

u=√(c2+v2)，

因此O看到的光的方向是斜的，始終點為O→H，假令其夾角∠HOA為β，

O看到光子運行路程為

OH=√(AH2+AO2)=t*√(c2+v2)，

運行時間仍然為t，

車箱高度仍然為l。

如果激光槍相對于自家底不是垂直朝上而是與車底即車速方向的夾角為α，則

tanβ=c*sinα/(v+c*cosα)，

sinα=(v/c+cosα)*tanβ。

注意：光的方向，A看A的光向角為α，O看A光向角為β。

1.3，相對論描述M

在光速不變的原理性特征下，

A看到A光子從A到H是光速運行，

O也看到A光子從O到H?的光速運行，即β?角度方向，

即斜線不再是伽利略的c與v的矢量和u，而就是愛因斯坦的原理性的不變c，

對比伽利略，因此而發(fā)生的相對論效應(yīng)是：

u?=c，

v?=v，

OA=vt，

OH=ct，

那么，因光速不變原理而引發(fā)的必然變化該如何處理？首當(dāng)其沖的需要處理的是速度加和或分析法則，如果仍然要維持矢量法，

O看到的AH的速度分量是多少，假設(shè)A看到為w，那么w?=？，

O看到的AH=？

這將產(chǎn)生數(shù)種理解方案：

1.3.1，M1理解

以O(shè)看H，

既然斜向即OH向的速度u?已經(jīng)是原理化了的不變光速c，那么c在垂直即AH向的速度分量就是，

w?=√(c2-v2)，

這時如果H?與H是重疊的，AH?=AH，

即l=w?t?

=t?*√(c2-v2)，

這是最符合主流相對論的理解，特點是靜止參考系看運動參考系的鐘慢、但垂直方向尺不縮；

可是這理解會出現(xiàn)矛盾點：

在光速不變原理下當(dāng)v無限接近于c時，矢量分析下的β?無限接近于0即光速方向無限接近火車方向，但路線分析下β值無限接近45度角

即tanβ=AH/OA=ct/vt（=w?t?/vt），

意思是無論火車多快，地面看它的天花板高度一直是AH即l，即使火車速度接近光速，也只能達到接近45度角；但火車速度接近光速時，按光速不變原理，光速方向與火車方向的速度接近，近似水平角度了，這是矛盾。

即O看到的A車天花板位置H?和A車看到的H不重疊，

即AH≠AH?,β≠β?，

主流描述的“垂直方向尺不縮”存在矛盾，需要補丁。

1.3.2，M2理解

O看H，

w?=√(c2-v2)，

這時，允許與M1理解不同，即允許H?和H不重疊，AH?≠AH，

w?*t?≠w*t，也≠AH即l，

也能允許t?=t

這里，

sinβ?=sinβ*√(1-(v/c)?)，

cosβ?=cosβ*√(1+(v2/c2)),

tanβ?=tanβ*√(1-(v2/c2))，

這個理解里采納了垂直方向的尺縮效應(yīng)，同理無需鐘慢也能滿足速度加成法則；這個理解的重要特點引入“同空性的相對性”，

β?≠β的特點揭示出了“同空性的相對性”，對應(yīng)于常說的“同時性的相對性”。

同空性的相對性，即所謂光子槍垂直于v的發(fā)射，其方向性在不同的參考系里是不同的，這特性應(yīng)該不沖突相對論諸觀點；

關(guān)于不同參考系對于光向不變的理解，

J理解（伽利略）采取的是光向由“槍向+車向的矢量和”決定的方案；

M1理解采取的是光向由槍向決定但槍向在車向中變化保持了“光速不變”性，不僅僅是速度的絕對值不變，光的方向也不變-永遠是槍向即光向，方向是空間概念，所以顯示了“同空性的相對性”。

該理解的可疑點是：車箱的高度，無論它有多高，在車速接近光速時都縮成接近0，若真能車速等于光速則發(fā)生了車箱高度等于0的不可思議現(xiàn)象。所以只能加上無法超光速的限制。

我注意到有主流知識在敘述狹義相對論采納了閔可夫斯基空間似乎能消除這樣的矛盾。但我沒有相應(yīng)知識，無法確認是否是同樣的矛盾。

1.3.3，M3理解

O看H

w?=√(c2-v2)，

與M1的“鐘慢而垂尺不縮”不同，

也與M2的“垂尺縮而鐘不慢”不同，

沒有邏輯上的理由認為M1與M2哪個選擇有特權(quán)，所以也可以

采納“同時垂尺縮而鐘慢”方案，

即AH?≠AH，t?≠t，

M1與M2的折中，鐘慢與尺縮的折中；

該理解的問題點，沒找到折中的規(guī)則。

從M1和M2的理解中，可以獲得一個認識：鐘慢與尺縮，不能同時用于同一計算中。

比如計算車箱里垂直運動物體的速度，

假如靜止系的車箱看，w=l/t，那么相對于它在運動著的地基看到的w?，

令二者之間以γ為系數(shù)關(guān)聯(lián)，即w?=γw，代入w?和w值可算出γ，于是：

w?=γ*(l/t），γ=√(1-(v2/c2)。

γ作用于t上就是鐘慢垂尺不縮，M1；

γ作用于l上就是垂尺縮但鐘不慢，M2。

單獨作用于時或空并沒有找到有邏輯的特權(quán)，M3起源于特權(quán)質(zhì)疑。

該式的母式寫成，

w?=γw

即變換因子作用于速度，

在無法確認作用于空間、時間、速度中哪一項為準(zhǔn)時，想起光速不變原理，自然延伸出先確認作用于速度的優(yōu)先權(quán)。

在這個理解中，尺縮與鐘慢是交互的，取決于變換因子對空間和時間的作用量，

全作用于空間時就表現(xiàn)出尺縮但鐘不慢，

全作用于時間時就表現(xiàn)出鐘慢但尺不縮，

分身作用于時間空間時，分出的量符合交互規(guī)則，用數(shù)學(xué)表示為kγ¤1/k=γ，符號¤是數(shù)值上的乘法運算但意義上強調(diào)互乘二者的一一對應(yīng)變化法則，即

w?=w*γ

=(l/t)*γ

=(l*γ)/t

=l/(t/γ)

=(l*kγ)/(t*k)其中k取值（1~1/γ）

主流認識中的垂直向kγ=1，這樣的取值屬于假設(shè)性的，

在垂直于車速v的方向的分析里，主流界多了一個假設(shè)，光速不變之外，多出了位置不變優(yōu)先于速度分量不變或時間不變的假設(shè)，

物理與數(shù)學(xué)上暫時未發(fā)現(xiàn)其優(yōu)先特權(quán)的所在。

在M1M2M3理解中，之前假定α=90度，如果是任意角度，其變換因子仍為，

w?=w*√(1-(v2/c2))

即變換因子是

γ=√(1-(v2/c2))

或是γ=1/√(1-(v2/c2))

其中隱含的關(guān)系：

tanβ?=tanβ*√(1-(v2/c2))，

1.3.4，M4理解

同理，沒有邏輯理由一定要w?遵循矢量運算規(guī)則。

在M1和M2和M3中，實則都在為了維持三角形運算法則，思路貫穿的是按幾何規(guī)則，先由光速不變推算出O看A時垂直方向的速度分量，再以該分量與A看A時的垂直方向?qū)Ρ龋?/p>

即w?=l?/t?

對比w=l/t。

速度、時間、空間，三個物理量，倘若均在協(xié)變，則數(shù)學(xué)處理更加難。

M1，速度分量變，采納空間量不變；

M2，速度分量變，采納時間量不變；

M3，速度分量變，采納空間時間量交互變，但交互規(guī)則下的變化規(guī)律還得深入探討；

M4，速度分量與光速不變原理的關(guān)系不按矢量分解規(guī)則，期待深入探討。

1.4，本文觀點

鑒于思維難度，先聲明一下，

a，我不能保證之上的理解沒有漏洞或描述夠清晰，歡迎指出；

b，我沒足夠查新保證之上所說的“同空性的同時性”、“垂向尺不縮”、“垂向尺縮”是否主流理解或已有學(xué)者同樣研究并公開過。

1.4.1，與大眾理論的區(qū)別的起源

同是根據(jù)光速不變原理，為什么本文會推理出不一樣的觀點呢？

a，起點不同，

大眾推理先推導(dǎo)出時間空間的變換法，以此為起頭然后根據(jù)空間除以時間得出速度變換法；

本文推理先推導(dǎo)出速度的變換法，然后由速度分解到時間和空間。

b，變換因子作用范圍不同，

大眾推理把變換因子作用到物理量的全域；

本文認為，兩相對參考系建立速度v差別的這一部分由兩參考系共享對等，沒在相對論變換的范圍，變換因子僅作用在各參考系非共享的部分。

M5理解--小結(jié)或修正理解

在之上的諸理解中，相對論的光速不變原理沒有得到充分的尊重。

a，“同空性的相對性”。

雖然尺縮鐘慢成了狹義相對論的基本認識，但用在處理與相對運動慣性系的與速度方向不平行的運動場景時并沒有堅持。

--主流觀點未足夠重視。

b，“同空性的相對性”與“同時性的相對性”要符合交互規(guī)則。

--未見主流明確提過。

c，速度更具有本原性，體現(xiàn)在相對論效應(yīng)里具有優(yōu)先特權(quán)，因此空間與時間的相對論效應(yīng)需要在確認交互取值時對應(yīng)確定。

--主流在特殊情景中的取值沒有說明原理。

因此，提出如下觀點：

考慮兩個相對速度為v的慣性系，靜止系O和運動系A(chǔ)，A系某物體由A至H按w速度運行t時間與距離l，AH與v方向夾角α，

則在O看來：

A，

用伽利略合成法，看到w方向與v方向的夾角為β，

sinα=(v/w+cosα)*tanβ；

而本文（狹義相對論修訂）合成法，看到w?方向與v方向的夾角為β?，

tanβ?=tanβ*√(1-(v2/c2))，

再次提示，w?是O看到的w在t時間后由A點指向H?點的速度；

B，

看到w?=w*γ*ξ，其中

γ=√(1-(v2/c2))是速度變換因子，

ξ是修正因子的總和，比如其中速度分解因子當(dāng)符合矢量幾何法則時等于1，比如絕對時空的修訂。

C，

看到的時空t?與l?的相對論效應(yīng)要遵從交互規(guī)則，具體而言：

w?=wγξ=ξ*γ*(l/t)

=ξ*(lγk)/(tk)

即交互規(guī)則為：(γk)¤(1/k)=恒值，k值取(1~1/γ)，

k的具體取值規(guī)律另需要研究，

其在狹義相對論里的意義是，速度變換因子并非同等作用于時間與空間，

比如全作用于時間時，空間的變換因子為1，k=1/γ，

反之亦然，

或者選擇交互規(guī)則支持的兩個分解份量同時作用于時間與空間，

分解分量總是一一對應(yīng)的。

D，

看到的w相對于O的速度是由v與w?合成的，假設(shè)為u?，具體是由O點指向H?點的速度，

u?=√(v2+w?2+2vw?cosα)。

E，

空間和時間的相對論效應(yīng)由u?匯同交互規(guī)則確認，

當(dāng)全作用于空間時，

l?=l*γ，

¤

t?=t*；

當(dāng)全作用于時間時，

l?=l*，

¤

t?=t*(1/γ)；

選擇交互規(guī)則支持的兩個分解份量同時作用于時間與空間時，

l?=l*(kγ)

¤

t?=t*k。

如按三維空間坐標(biāo)處理，另行分解。

注：符號加?代表由O看到的與A看到的同一物理量的值，即A看A時的量不加右上角標(biāo)、而對應(yīng)的O看到A的同一量加上?。

2，第二部分-跳出狹義相對論環(huán)境的思考

2.1，絕對空間

2.1.1，質(zhì)疑

誰靜誰動的質(zhì)疑無法在實際中抹去，

第一部分純粹以光速不變原理為基礎(chǔ)，按純粹的狹義相對論環(huán)境理解，并建立在兩個相對慣性系上，誰是運動系誰是靜止系完全是相互的并且等價的。這與經(jīng)驗的矛盾顯而易見，雖然我們坐于地球上日行萬里卻并不知情，說明我們自身是否運動需要有參考系來幫助確認，但現(xiàn)代知識早已經(jīng)明確我們確實在運動。狹義相對論效果并不見得非要在相對某個參考系時才會顯現(xiàn)，它理應(yīng)不僅僅是為了互相的計算而需要的。我們更自然地會相信，誰動誰靜自有“公”認，我們所選擇到的任意兩個慣性參考系，誰靜止誰動-更準(zhǔn)確說是誰慢動誰快動-應(yīng)該天然就有個評判者。

2.1.2，解決

借助我在其它研究中的觀點，我來繼續(xù)敘述出按狹義相對論思路選擇基準(zhǔn)參考系的思想。

空間中借某個坐標(biāo)當(dāng)?shù)谌齾⒖枷?，比如已知的宇宙全圖，然后O和H分別相對該坐標(biāo)有相對速度，從而為O和H間確認誰相對靜誰相對動及O與H間的相對速度值，這也許是個方案，宇宙全圖是公認的“公”。

但換一個角度分析，

我們先想象如上之O與A兩個慣性系統(tǒng)處在一團迷霧中，O和A均可以從受到迷霧的阻力程度來判斷自己運動的程度--我們先不去計較這已經(jīng)不算慣性系統(tǒng)了，正是知道類似于迷霧這樣的低阻力的可忽略才易滋生慣性的概念概念，尤其是人類之前對空間及真空的認識更加支持了無阻力，所以，我們能夠在思想上構(gòu)筑慣性系統(tǒng)，至于實際運用時如果涉及到不可忽略的阻力，比如空氣比如海洋或任何，以阻力修訂即可。

也就是說，任何實在物體都處于環(huán)境中，而在環(huán)境中運行時，速度與接受到的環(huán)境影響度正關(guān)聯(lián)，理論上我們可以測量物體受到的環(huán)境影響度比如阻力來確認物體的速度，兩個物體各自的測量對比再理論上忽略與清除這影響就是所謂的慣性系相互速度。

既然如此，邏輯上，我們沒有理由認定真空不提供阻力，雖然阻力小，但狹義相對論的意義多體現(xiàn)在高速場合，高速帶來的真空阻力也許有意義。

因此，純邏輯上，我們完全可以這樣選擇靜止參考系：未受到環(huán)境作用或者作用萬向同性而動態(tài)抵消了的參考系做為絕對靜止系，任何其它運動體均可以通過判斷自身的環(huán)境作用程度來建立與絕對靜止系的速度關(guān)系，從而獲得與絕對參考系的狹義相對論性效果。

2.1.3，小結(jié)

本文未能對引發(fā)絕對參考系的該作用定量化處理，暫時歸于ξ修正因子。

本文僅作出思想性提醒，以呼應(yīng)我在其它作文里提出的無量子宇宙觀。

慣性是無量子阻力或一切運動阻力被忽略后的近似，可以逆向修訂于慣性系理論中。

存在絕對速度并產(chǎn)生此速度下的狹義相對論效果，比較各自的這份效果可以產(chǎn)生這兩個受比較的參考系的相對效果。

2.2，參速不變

--光速值的任意性的提示

2.2.1，替換c值邏輯上照樣成立

狹義相對論的推導(dǎo)過程中，用任意速度當(dāng)成不變速度去取代光速不變都能成立。

光速不變假設(shè)不具備邏輯上的唯一性；

可能因光速是物理實踐中發(fā)生的最高速度才使得被選中，具有實際價值，使得實用中不會發(fā)生根號里的負值。

即光速值c允許用任意值，只要認可這值的不變性就成。在閔可夫斯基空間直接承認了c不必是常數(shù)。

甚至進一步說，無需一定是光，任意速度都行，只需要認可其不變性--與速度源無關(guān)與參考系無關(guān)。不影響推導(dǎo)出完全一樣的狹義相對論結(jié)論。

比如用聲速代替光速c，推理出的結(jié)論一樣。

只是物理實驗?zāi)茌p易地突破了其不能超越聲速的理