用经典物理学对迈克尔逊—莫雷实验结果所做的分析与探讨

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/27 03:33:27
现代物理学认为:经典物理学无法在理论上对麦克尔逊—莫雷实验结果进行分析说明。然而事实上幷非如此。在经典物理学框架内,根据麦克尔逊—莫雷实验光程图及实验结果,通过物理分析和逻辑推理就会发现:麦克尔逊—莫雷实验的零结果,即在实验中没有观测到干涉条纹移动的结果,恰好从实践上证明了“宇宙真空系就是绝对静止系”。
1、坐标变换在迈克尔逊—莫雷实验中的内涵。
1.1、被观测事件粒子P在S系与S′系中的运动坐标存在着线性变换关系。
假设S系和S′系两个惯性系坐标轴方向相同,其中S′系在S系中以速率U沿正X轴方向运动,而被观测事件粒子P在S系中以速率V沿正X轴方向运动。假设在T=T′=0时刻,原点O、原点O′以及粒子P三者重合。
当粒子P沿正X轴运动到空间某一点M位置时,如果粒子P在S系中的坐标为M(X、0、0、T),在S′系中的坐标为M′(X′、0、0、T′),那么坐标点M(X、0、0、T)到原点O的坐标距离X、时间T,分别是粒子P在S系中的运动距离和运动时间。而坐标点M′(X′、0、0、T′)到原点O′的坐标距离X′、时间T′,则分别是粒子P在S′系中的运动距离和运动时间。如下图1所示。
        
      由于S系中的坐标点M(X、0、0、T)与S′系中的坐标点M′(X′、0、0、T′),是同一个空间点,并且两者在数值上都具有唯一性,因此粒子P的S系与S′系两者间的坐标等效变换本质上是指:粒子P的S系坐标M(X、0、0、T)与S′系坐标M′(X′、0′、0′、0′)两者之间的线性变换。
1.2、变换式中坐标变量X、T、X′、T′四者的物理含义及本质。
如果粒子P在S′系中的运动坐标为(X′、0、0、T′),在S系中的运动坐标为(X、0、0、T),那么粒子P在S′系中的坐标变量X′、T′分别是粒子P在S′系中的运动距离和运动时间,而粒子P在S系中的坐标变量X、T分别是粒子P在S系中的运动距离和运动时间。
当S′系坐标M′(X′、0、0、T′)为已知量,而S系坐标M(X、0、0、T)为未知量时,通过求解线性方程组可以确定:把S′系坐标M′(X′、0、0、T′)等效变换成S系坐标M(X、0、0、T)的线性变换式为
X=K(X′+UT′)            (1―1)
T=KT′
上式中的系数K仅仅是把坐标M′(X′、0、0、T′)等效变换成坐标M(X、0、0、T)的变换系数,不是把坐标M(X、0、0、T)等效变换成坐标M′(X′、0、0、T′)的变换系数。
反之,当S系坐标M(X、0、0、T)为已知量,而S′系坐标M′(X′、0、0、T′)为未知量时,通过求解线性方程组可以确定:把坐标M(X、0、0、T)等效变换成坐标M′(X′、0、0、T′)的线性变换式为
     X′=K′(X―UT)               (1―2)
     T′=K′T  
上式中的系数K仅仅是把坐标M′(X′、0、0、T′)等效变换成坐标M(X、0、0、T)的变换系数,不是把坐标M(X、0、0、T)等效变换成坐标M′(X′、0、0、T′)的变换系数。
2、坐标变换式中(X―UT)与(X′+UT′)两式的物理含义。
2.1、坐标变换式中(X―UT)关系式的物理含义。
根据图(1)可以确定:粒子P在S′系中从M′点到S系原点O的运动距离(X′+UT′),与粒子P在S系中从M点到原点O的运动距离X=VT是物理含义相对应的距离。由于原点O′在S系中运动的距离为UT,因此粒子P与原点O′两者在S系中的坐标差X―UT为
X―UT=X―UT。
从粒子P运动距离上讲,上式中的坐标差X―UT=X―UT与S′系坐标X′两者的物理含义相对应。显然,坐标X′的物理含义是指:自S′系观测时,粒子P在S′系中的运动距离,而坐标差X―UT=(X―UT)的物理含义是指:自S系观测时,粒子P在S′系中的运动距离。
把坐标差X―UT=(X―UT)对时间T求导得速度差V―U即
V―U= = =V―U               (2―1)
从粒子P运动速度上讲,上式中的速度V―U与速度V′两者的物理含义相对应。显然,速度V′的物理含义是指:自S′系观测时,粒子P在S′系中的运动速度,而速度差V―U的物理含义是:自S系观测时,粒子P在S′系中的运动速度。
由(2―1)式可知,当粒子P为光子时,那么自S系观测,光子在S′系中的速率C―U=C―U。由于地球在宇宙系中的速度U≠0,因此我们可得到一个重要的推论:自宇宙真空系中观测,光子在地面系中的运动速度C―U=C―U。
2.2、坐标变换式中(X′+UT′)关系式的物理含义。
对于图(1)来讲,由于原点O在S′系中的运动距离为―UT′,因此粒子P与原点O两者在S′系中的坐标差X+UT′为
X+UT′=X′+UT′
从粒子P运动距离的角度讲,上式中的坐标差X+UT′与S系坐标X两者的物理含义相对应。显然,坐标X的物理含义是指:自S系观测时,粒子P在S系中的运动距离,而坐标差X+UT′=X′+UT′的物理含义是指:自S′系观测时,粒子P在S系中的运动距离。
把坐标差X+UT′=X′+UT′对时间T′求导得速度差V+U′即
    V+U′= =V′+U                     (2―2)
从粒子P运动速度上讲,上式中的速度V+U′与速度V两者的物理含义相对应。显然,速度V的物理含义是指:自S系观测时,粒子P在S系中的运动速度,而速度差V+U′的物理含义是:自S′系观测时,粒子P在S系中的运动速度。
由(2―2)式可知,当粒子P为光子时,那么自S′系观测,光子在S系中速率C+U′等于自S′系
观测,光子与S系两者在S′系中的速率之和,即:C+U′=C′+U。
我们搞清楚坐标变换式中(X―UT)与(X′+UT′)两式的物理含义及本质,对于我们下面利用迈克尔逊—莫雷实验结果,分析确定S系与S′系之间的变换系数K或K′的数值大小是非常重要的。
3、自S系和S′系观测时,光子A上下运动的时间相等、光程相等。
在迈克尔逊-莫雷实验中,观测者自S′系(地面系)和S系(宇宙真空系)中所观测的光子运动有两个,其一是上下运动的光子A,其二是水平往返运动的光子B。其中光子A在S′系中沿Y′轴向上或向下运动的距离等于 ,而光子B在S′系中沿X′轴往前或返回运动的距离也等于 。
从光子在惯性系中的运动轨迹来讲,光子A、B两者在S′系中的运动轨迹如下面的图(2)所示,而光子A、B两者在S系中的运动轨迹如下面的图2所示。

    对于上下运动的光子A来讲,如果自S′系(地面系)观测,那么根据图(2)可以确定,光子A是沿着Y′轴垂直上下运动的。由于光子A沿Y′轴上下运动的距离之和XA′= ,沿Y′轴上下运动的速度VA′= ,因此自S′系观测,光子A沿Y′轴上下运动的时间之和TA′为
TA′= =            (3―1)
然而,如果自S系(宇宙真空系)观测,那么根据图(3)可知,光子A上下运动的轨迹为∧型。由于光子A沿Y轴垂直上下运动的距离之和为 ,沿Y轴垂直上下运动的速度速度分量为 ,因此自S系观测,光子A沿∧型运动轨道上下运动的时间之和TA为:
TA=                          (3―2)
由上式和(3―1)式可以确定:在S′系和S系中,光子A沿Y′轴垂直上下运动的时间是相等的,即TA′=TA。该等式仅仅在与S′系速度U相垂直的方向上成立。于是在迈克尔逊-莫雷实验中,自S系(宇宙真空系)中观测,光子A沿∧型轨道上下运动的距离之和XA为
XA=CTA=                    (3―3)
4、自S′系观测,光子B在S系中水平往返运动所需要的时间TSB′。
4.1、自S′系观测,光子B在S′系中水平往返运动所需要的时间之和TB′。
对于光子B往前运动来讲,如果自S′系(地面系)观测,那么根据经典理论及图(2)可知,光子B以速度C―U沿正X′轴往前运动的距离为 。于是自S′系观测,光子B以速度C―U往前运动 所需的时间TB-′为TB-′=
对于光子B返回运动来讲,如果自S′系观测,那么光子B以速度C+U沿正X′轴返回运动的距离为 。于是自S′系观测,光子B以速度C+U返回运动 所需的时间TB+′为TB+′=
于是在迈克尔逊-莫雷实验中,根据经典理论及图(2)可以确定,自S′(地面系)观测,光子B在S′系中沿正X′轴往返运动距离 所需要的时间之和TB′为:
TB′=TB-′+TB+′= + =            (4―1)
4.2、自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙系)中水平往返运动所需要的时间之和TSB′。
对于光子B往前运动来讲,由于S′系在S系中以速度U沿正X轴运动,因此如果自S′系观测,那么根据图(3)可知,S系原点O在S′系中的运动距离为―UTB-′。于是自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中从原点O往前运动的距离XSB-′为
XSB-′= +UTB-′= + =
此外根据经典理论可知,自S′系观测,光子B在S系中沿正X轴往前运动的速率CSB-′为
CSB-′=(C―U)+U=C
于是自S′系观测,光子B在S系中沿正X轴往前运动所需要的时间TSB-′为
TSB-′= =
对于光子B返回运动来讲,如果自S′系观测,那么根据图(3)可知,光子B在S系中从反射点返回运动的距离XSB+′为:
XSB+′= ―UTB+′= ― =
而自S′系观测时,光子B在S系中返回的速率CSB+′为
CSB+′=U―(C+U)=―C
于是自S′系观测,光子B在S系中沿正X轴返回运动所需要的时间TSB+′为
TSB+′= =
于是在迈克尔逊-莫雷实验中,根据经典理论及图(3)可以确定,自S′系(自地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中沿正X轴往返运动所需要的时间之和TSB′为:
TSB′=TSB-′+TSB+′= + =               (4―2)
把上式与(4―1)式比较可以确定:自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中水平往返运动的时间TSB′,与自S′系(地面系)观测,光子B在S′系中水平往返运动的时间TB′相等即TSB′=TB′。

应当指出的是:经典理论的错误是没有意识到(4―2)式中的时间TSB′,是观测者自S′系(地面系)中观测到的——光子B在S系(宇宙真空系)中沿X轴往返运动的时间——。不是观测者自S系(宇宙真空系)中观测到的——光子B在S系(宇宙真空系)中沿X轴往返运动的时间TB——。否则,很难解释为什么经典理论不根据迈克尔逊-莫雷实验结果,来分析推导(1―1)式中的变换系数K,或(1―2)式中的变换系数K′。
对于宇宙真空中两条方向不同的相等光程来讲,由于在运动方向上的光程会出现尺缩(或尺胀)效应,因此这两条相等光程在不同惯性系中的光程是不相等的。由于光干涉条纹与光程相关,因此当人们用非宇宙真空系的光程来计算干涉条纹光程时,就会出现误差,从而使理论计算结果与实验结果不相符。迈克尔逊-莫雷干涉实验结果已证明了这一结论。由此可以确定:光干涉条纹的产生及移动变化都是由宇宙真空光程决定的,不是由非宇宙真空光程决定的。从这一点讲,如果用非宇宙真空中的光子运动时间差计算干涉条纹的光程差时,那么理论计算结果也不符合实验结果。
由于光子B运动时间TSB′是自地面系中观测到的,而运动时间TB是自宇宙真空系中观测到的,因此经典理论在确定光子A、B两者干涉条纹的运动时间差ΔT时,应当首先把S′系中的运动时间TSB′等效变换成S系中的运动时间TB。从而使时间差ΔT属于光子B在宇宙真空系中的时间差
5、把光子B的S′系时间TB′等效变换成S系时间TB的变换系数KT 。或把光子B的S系时间TB等效变换成S′系时间TB′的变换系数KT′。
5.1、迈克尔逊—莫雷实验结果表明:光子A、B两者在宇宙真空系中的运动时间始终相等。
在迈克尔逊-莫雷实验中观察到的干涉条纹,是光子A、B两者作用的结果。根据经典理论,自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中的运动时间TSB′=TB′= /( ),而自S系观测,光子A在S系(宇宙真空系)中沿∧型轨道上下运动的时间TA= / 。
然而,自宇宙真空系中观测,上下运动光子A的运动光程XA=CTA,水平往返运动光子B的运动光程XB=CTB。由于迈克尔逊-莫雷实验在任何方向上都观测不到干涉条纹的移动,因此光子A、B两者在宇宙真空系中的运动光程始终相等,即XA=CTA=XB=CTB。由此可以确定:光子A在S系(宇宙真空系)中上下运动的时间TA,始终等于光子B在S系(宇宙真空系)水平往返运动的时间TB,即
TA=TB 。
5.2、光子B在S′系中的运动时间TSB′与光子B在S系中的运动时间TB之间存在着变换系数。
由于时间TSB′属于在地面系中观测到的光子B在宇宙真空系中的运动时间,而时间TA、TB两者属于光子A、B两者在宇宙真空系中的运动时间,因此如果不把时间TSB′变换成宇宙真空系中的运动时间TB,那么TSB′与TA两者的时间差ΔT为:
ΔT=TSB′―TA= ― ≠0           (5―1)
经典理论正是根据上面时间差ΔT≠0的结果确认:利用迈克尔逊-莫雷实验可以观测到干涉条纹的移动。然而在迈克尔逊-莫雷实验中却观始终测不到干涉条纹的移动。这一事实表明:光子A、B两者虽然在不同惯性系中的运动时间差ΔT≠0。但两者在同一个惯性系中的运动时间差ΔT=0。
由于光子B在S系中的运动时间TB,始终等于光子A在S系中的运动时间TA,即TB=TA。而时间TSB′与TB是光子B在两个不同惯性系中物理意义相对应的运动时间。由此可以确定:在TSB′与TB两个相对应的运动时间之间,存在着一个使时间差ΔT=0的变换系数。
5.3.、把光子B的S′系时间TB′等效变换成S系时间TB的变换系数KT 。或把光子B的S系时间TB等效变换成S′系时间TB′的变换系数KT′。
假设把S′系(地面系)运动时间TSB′变换成S系(宇宙真空系)运动时间TB的变换系数为KT ,或把运动时间TB变换为运动时间TSB′的系数为KT′,那么根据迈克尔逊—莫雷实验的零结果,可以得到下面两式。

       KTTSB′―TA=KTTSB′―TB=KT ― =0              (5―2)
或  TSB′―KT′TA=TSB′―KT′TB= ―KT′ =0        (5―3)
由上式可得到下面两个变换系数。
   KT=     和      KT′=                       (5―4)
由上式可知,时间变换系数KT(即变换系数K)与时间还原系数KT′(即变换系数K′)互为倒数关系,即KTKT′=1。而不是相等关系即KT≠KT′。
5.4、“时慢效应”和“时快效应”的本质。
根据(5―4)式可知,把S′系运动时间TSB′等效变换成S系运动时间TB的变换系数KT<1。由此我们可以得到一个重要的结论:光子B在S′系(地面系)中的运动时间TSB′大于光子B在S系(宇宙系)中的运动时间TB,即TSB′>TB。
对于TSB′>TB关系式来讲,如果把运动时间TSB′等效变换为运动时间TB,那么由于时间TSB′会出现收缩现象,而这一现象自S系(宇宙系)来看可称为:S′系(地面系)运动时间TSB′相对于S系(宇宙系)运动时间TB会出现“时慢效应”。
反之,如果把运动时间TB等效变换为运动时间TSB′,那么由于时间TSB′会出现膨胀现象,而这一现象自S′系(地面系)来看可称为:S系(宇宙系)运动时间TB相对于S′系运动时间TSB′会出现“时快效应”。
6、把光子B的S′系光程XB′等效变换成S系光程XB的变换系数KL,或把光子B的S系光程XB等效变换成S′系光程XB′的变换系数KL′。
6.1、在迈克尔逊-莫雷实验中,自S′系观测,光子B在S系中水平往返光程之和XSB′。
对于上下运动的光子A来讲,如果自S′系观测,那么光子A是沿Y′轴垂直上下运动的。于是光子A在S′系中沿Y′轴上下运动的距离XA′=2 。
然而自S系观测,光子A是沿∧型轨道上下运动的。于是光子A在S系中沿∧型轨道上下运动的距离XA= 。
对于光子B往前运动来讲,自S′系观测,光子B在S′系中沿X′轴往前运动的距离XB-′= 。此外自S′系观测,光子B在S系中沿X轴往前运动的距离XSB-′为
XSB-′= +UTB-′= + =
对于光子B返回运动来讲,自S′系观测,光子B在S′系中沿X′轴返回运动的距离XB+′= 。此外自S′系观测,光子B在S系中沿X轴返回运动的距离XSB+′为:
XSB+′= ―UTB+′= ― =
根据上面分析讨论可以确定:自S′系(地面系)观测,光子B在S′系中沿X′轴往返运动的距离XB′=2 。此外自S′系观测,光子B在S系(宇宙系)中沿X轴往返运动的距离XSB′为:
XSB′=XSB-′+XSB+′= + =             (6―1)
应当指出的是:经典理论的错误是没有意识到上式中的距离XSB′,是观测者自S′系中观测到的——光子B在S系(宇宙真空系)中沿X轴往返运动的距离——。不是观测者自S系中观测到的——光子B在S系中沿X轴往返运动的距离XB——。否则,很难解释经典理论为什么不根据迈克尔逊-莫雷实验结果,来分析推导(1―1)式中的变换系数K,或(1―2)式中的变换系数K′。
对于宇宙真空中两条方向不同的相等光程来讲,由于在运动方向上的光程会出现尺缩(或尺胀)效应,因此这两条相等光程在不同惯性系中的光程是不相等的。由于光干涉条纹与光程相关,因此当人们用非宇宙真空系的光程来计算干涉条纹光程时,就会出现误差,从而使理论计算结果与实验结果不相符。迈克尔逊-莫雷干涉实验结果已证明了这一结论。由此可以确定:光干涉条纹的产生及移动变化都是由宇宙真空光程决定的,不是由非宇宙真空光程决定的。
由于运动距离XSB′是自地面系中观测到的,而运动距离XB是自宇宙真空系中观测到的,因此经典理论在确定光子A、B两者干涉条纹的光程差ΔX时,应当首先把S′系中的光程XSB′等效变换成S系中的光程XB。从而使光程差ΔX属于宇宙真空中的光程差
6.2、光子B的S′系光程XSB′与S系光程XB之间存在着变换系数。
在迈克尔逊-莫雷实验中观察到的干涉条纹,是光子A、B两者合成作用的结果。根据经典物理学,自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中沿X轴往返运动的距离XSB′= ,而自宇宙系观测,光子A在宇宙系中沿∧型轨道上下运动的距离XA= 。
然而,自宇宙真空系中观测,光子A的运动光程XA=CTA,光子B的运动光程XB=CTB。由于迈克尔逊-莫雷实验在任何方向上都观测不到干涉条纹的移动,因此光子A、B两者,在宇宙真空系中的运动光程始终相等,即XA=CTA=XB=CTB。由此可以确定:光子A在宇宙真空系中上下运动的光程XA、与光子B在宇宙真空系中水平往返运动的光程XB始终相等,即XA=XB=
由于距离XSB′属于在地面系中观测到的光子B在宇宙真空系中的运动距离,而距离XA、XB两者属于光子A、B在宇宙真空系中的运动距离,因此如果不把距离XSB′变换成宇宙真空系中的运动距离XB,那么XSB′和XA两者的光程差ΔX为
ΔX=XSB′―XA= ― ≠0         (3―2)
经典物理学正是根据上式光程差ΔX≠0的结果确认:利用迈克尔逊-莫雷实验可以观测到干涉条纹的移动。然而在迈克尔逊-莫雷实验中却观测不到干涉条纹的移动。这一事实表明:光子A、B两者虽然在不同惯性系中的运动光程差ΔX≠0。但两者在同一个惯性系中的运动光程差ΔX=0。
由于光子B在S系中的运动光程XB,始终等于光子A在S系中的运动光程XA,即XB=XA。而光程XSB′与光程XB是光子B在两个不同惯性系中物理含义相对应的运动时间。由此可以确定:在XSB′与XB两个相对应的运动光程之间,存在着一个使光程差ΔX=0的变换系数。
当我们用变换系数A把距离XSB′等效变换成距离XB,并由此确定出光子A、B两者在宇宙系中的光程差ΔX=0时,那么我们在理论上才能正确地分析说明迈克尔逊—莫雷实验结果为什么始终等于零。
6.3、光子在S系和S′系两者中运动距离的变换系数KL′或KL 。
假设把S′系运动距离XSB′变换成S系运动距离XB的系数为KL,或者把运动距离XB变换成运动距离XSB′的变换系数为KL′,那么根据迈克尔逊—莫雷实验的零结果,可以得到下面两式。
KLXSB′―XA=KLXSB′―XB=KL ― =0
  或  XSB′―KL′XA=XSB′―KL′XB= ―KL′ =0
由上式可以得到下面两个变换系数。
      KL=     和     KL′=         (6―3)
由上式可知,时间变换系数KL与时间还原系数KL′互为倒数关系,即KLKL′=1。而不是相等关系即KL≠KL′。应该指出的是:(6―3)式与(5―4)式实质上是同一个关系式即
     KL=KT=     或    KL′=KT′=  
由于KL是运动距离的变换系数,而KT是运动时间的变换系数,因此距离变换系数与时间变换系数是同一个变换系数。
6.4、“尺缩效应”和“尺胀效应”的本质。
根据(5―2)式可知,把S′系运动距离XSB′等效变换成S系运动距离XB的变换系数KL<1。由此我们可以得到一个重要的结论:光子B在S′系(地面系)中的运动距离XSB′大于光子B在S系(宇宙系)中的运动距离XB,即XSB′>XB。
对于XSB′>XB关系式来讲,如果把运动距离XSB′等效变换为运动距离XB,那么由于距离XSB′会出现收缩现象,而这一现象自S系(宇宙系)来看可称为:S′系(地面系)运动距离XSB′相对于S系(宇宙系)运动距离XB会出现“尺缩效应”。
反之,如果把运动距离XB等效变换为运动距离XSB′,那么由于距离XSB′会出现膨胀现象,而这一现象自S′系(地面系)来看可称为:S系(宇宙系)运动距离XB相对于S′系运动距离XSB′会出现“尺胀效应”。
7、高速(亚光速)粒子的近似坐标变换式。
把(6―3)式代入(1―1)式后,可得到一个只适用于光子B坐标变换的关系式即
可得到一个只即
X= (X′+UT′) ,Y=Y′,  Z=Z′
      T=T′                               (7―1)
或    X′= (X―UT)  , Y′=Y ,Z′=Z   
T′=T                               (7―2)

上面变换式中的S系为宇宙真空系。利用(7―1)式可以把S′系坐标(X′、0、0、T′),变换成S系坐标(X、0、0、T)。利用(7―2)式可以把S系坐标(X、0、0、T),还原(变换)成S′系坐标(X′、0、0、T′)。当坐标变换精度要求不高时,(7―1)、(7―2)两式也可做为高速粒子(亚光速)坐标的近似变换式
应该指出的是:(7―1)和(7―2)两式中的变换系数,是在“被观测事件为光子”这一条件下推证出来的。从这一点讲,上面两变换式对于光子来讲是正确的,但对于高速运动物体的坐标来讲,(7―1)和(7―2)两式仅仅是一个简单近似的变换式,而对于低速运动物体的坐标来讲,(7―1)和(7―2)两式则是错误的变换式。
当粒子P是低速运动的物体时,S′系与S系两者坐标变换所使用的变换式是另外的新变换式。而(7―1)式和(7―2)两个变换式,则是新变换式在一定条件下的简化式。此外,(7―1)和(7―2)两式完全符合数学运算法则的要求。现代物理学认为:经典物理学无法在理论上对麦克尔逊—莫雷实验结果进行分析说明。然而事实上幷非如此。在经典物理学框架内,根据麦克尔逊—莫雷实验光程图及实验结果,通过物理分析和逻辑推理就会发现:麦克尔逊—莫雷实验的零结果,即在实验中没有观测到干涉条纹移动的结果,恰好从实践上证明了“宇宙真空系就是绝对静止系”。
1、坐标变换在迈克尔逊—莫雷实验中的内涵。
1.1、被观测事件粒子P在S系与S′系中的运动坐标存在着线性变换关系。
假设S系和S′系两个惯性系坐标轴方向相同,其中S′系在S系中以速率U沿正X轴方向运动,而被观测事件粒子P在S系中以速率V沿正X轴方向运动。假设在T=T′=0时刻,原点O、原点O′以及粒子P三者重合。
当粒子P沿正X轴运动到空间某一点M位置时,如果粒子P在S系中的坐标为M(X、0、0、T),在S′系中的坐标为M′(X′、0、0、T′),那么坐标点M(X、0、0、T)到原点O的坐标距离X、时间T,分别是粒子P在S系中的运动距离和运动时间。而坐标点M′(X′、0、0、T′)到原点O′的坐标距离X′、时间T′,则分别是粒子P在S′系中的运动距离和运动时间。如下图1所示。
        
      由于S系中的坐标点M(X、0、0、T)与S′系中的坐标点M′(X′、0、0、T′),是同一个空间点,并且两者在数值上都具有唯一性,因此粒子P的S系与S′系两者间的坐标等效变换本质上是指:粒子P的S系坐标M(X、0、0、T)与S′系坐标M′(X′、0′、0′、0′)两者之间的线性变换。
1.2、变换式中坐标变量X、T、X′、T′四者的物理含义及本质。
如果粒子P在S′系中的运动坐标为(X′、0、0、T′),在S系中的运动坐标为(X、0、0、T),那么粒子P在S′系中的坐标变量X′、T′分别是粒子P在S′系中的运动距离和运动时间,而粒子P在S系中的坐标变量X、T分别是粒子P在S系中的运动距离和运动时间。
当S′系坐标M′(X′、0、0、T′)为已知量,而S系坐标M(X、0、0、T)为未知量时,通过求解线性方程组可以确定:把S′系坐标M′(X′、0、0、T′)等效变换成S系坐标M(X、0、0、T)的线性变换式为
X=K(X′+UT′)            (1―1)
T=KT′
上式中的系数K仅仅是把坐标M′(X′、0、0、T′)等效变换成坐标M(X、0、0、T)的变换系数,不是把坐标M(X、0、0、T)等效变换成坐标M′(X′、0、0、T′)的变换系数。
反之,当S系坐标M(X、0、0、T)为已知量,而S′系坐标M′(X′、0、0、T′)为未知量时,通过求解线性方程组可以确定:把坐标M(X、0、0、T)等效变换成坐标M′(X′、0、0、T′)的线性变换式为
     X′=K′(X―UT)               (1―2)
     T′=K′T  
上式中的系数K仅仅是把坐标M′(X′、0、0、T′)等效变换成坐标M(X、0、0、T)的变换系数,不是把坐标M(X、0、0、T)等效变换成坐标M′(X′、0、0、T′)的变换系数。
2、坐标变换式中(X―UT)与(X′+UT′)两式的物理含义。
2.1、坐标变换式中(X―UT)关系式的物理含义。
根据图(1)可以确定:粒子P在S′系中从M′点到S系原点O的运动距离(X′+UT′),与粒子P在S系中从M点到原点O的运动距离X=VT是物理含义相对应的距离。由于原点O′在S系中运动的距离为UT,因此粒子P与原点O′两者在S系中的坐标差X―UT为
X―UT=X―UT。
从粒子P运动距离上讲,上式中的坐标差X―UT=X―UT与S′系坐标X′两者的物理含义相对应。显然,坐标X′的物理含义是指:自S′系观测时,粒子P在S′系中的运动距离,而坐标差X―UT=(X―UT)的物理含义是指:自S系观测时,粒子P在S′系中的运动距离。
把坐标差X―UT=(X―UT)对时间T求导得速度差V―U即
V―U= = =V―U               (2―1)
从粒子P运动速度上讲,上式中的速度V―U与速度V′两者的物理含义相对应。显然,速度V′的物理含义是指:自S′系观测时,粒子P在S′系中的运动速度,而速度差V―U的物理含义是:自S系观测时,粒子P在S′系中的运动速度。
由(2―1)式可知,当粒子P为光子时,那么自S系观测,光子在S′系中的速率C―U=C―U。由于地球在宇宙系中的速度U≠0,因此我们可得到一个重要的推论:自宇宙真空系中观测,光子在地面系中的运动速度C―U=C―U。
2.2、坐标变换式中(X′+UT′)关系式的物理含义。
对于图(1)来讲,由于原点O在S′系中的运动距离为―UT′,因此粒子P与原点O两者在S′系中的坐标差X+UT′为
X+UT′=X′+UT′
从粒子P运动距离的角度讲,上式中的坐标差X+UT′与S系坐标X两者的物理含义相对应。显然,坐标X的物理含义是指:自S系观测时,粒子P在S系中的运动距离,而坐标差X+UT′=X′+UT′的物理含义是指:自S′系观测时,粒子P在S系中的运动距离。
把坐标差X+UT′=X′+UT′对时间T′求导得速度差V+U′即
    V+U′= =V′+U                     (2―2)
从粒子P运动速度上讲,上式中的速度V+U′与速度V两者的物理含义相对应。显然,速度V的物理含义是指:自S系观测时,粒子P在S系中的运动速度,而速度差V+U′的物理含义是:自S′系观测时,粒子P在S系中的运动速度。
由(2―2)式可知,当粒子P为光子时,那么自S′系观测,光子在S系中速率C+U′等于自S′系
观测,光子与S系两者在S′系中的速率之和,即:C+U′=C′+U。
我们搞清楚坐标变换式中(X―UT)与(X′+UT′)两式的物理含义及本质,对于我们下面利用迈克尔逊—莫雷实验结果,分析确定S系与S′系之间的变换系数K或K′的数值大小是非常重要的。
3、自S系和S′系观测时,光子A上下运动的时间相等、光程相等。
在迈克尔逊-莫雷实验中,观测者自S′系(地面系)和S系(宇宙真空系)中所观测的光子运动有两个,其一是上下运动的光子A,其二是水平往返运动的光子B。其中光子A在S′系中沿Y′轴向上或向下运动的距离等于 ,而光子B在S′系中沿X′轴往前或返回运动的距离也等于 。
从光子在惯性系中的运动轨迹来讲,光子A、B两者在S′系中的运动轨迹如下面的图(2)所示,而光子A、B两者在S系中的运动轨迹如下面的图2所示。

    对于上下运动的光子A来讲,如果自S′系(地面系)观测,那么根据图(2)可以确定,光子A是沿着Y′轴垂直上下运动的。由于光子A沿Y′轴上下运动的距离之和XA′= ,沿Y′轴上下运动的速度VA′= ,因此自S′系观测,光子A沿Y′轴上下运动的时间之和TA′为
TA′= =            (3―1)
然而,如果自S系(宇宙真空系)观测,那么根据图(3)可知,光子A上下运动的轨迹为∧型。由于光子A沿Y轴垂直上下运动的距离之和为 ,沿Y轴垂直上下运动的速度速度分量为 ,因此自S系观测,光子A沿∧型运动轨道上下运动的时间之和TA为:
TA=                          (3―2)
由上式和(3―1)式可以确定:在S′系和S系中,光子A沿Y′轴垂直上下运动的时间是相等的,即TA′=TA。该等式仅仅在与S′系速度U相垂直的方向上成立。于是在迈克尔逊-莫雷实验中,自S系(宇宙真空系)中观测,光子A沿∧型轨道上下运动的距离之和XA为
XA=CTA=                    (3―3)
4、自S′系观测,光子B在S系中水平往返运动所需要的时间TSB′。
4.1、自S′系观测,光子B在S′系中水平往返运动所需要的时间之和TB′。
对于光子B往前运动来讲,如果自S′系(地面系)观测,那么根据经典理论及图(2)可知,光子B以速度C―U沿正X′轴往前运动的距离为 。于是自S′系观测,光子B以速度C―U往前运动 所需的时间TB-′为TB-′=
对于光子B返回运动来讲,如果自S′系观测,那么光子B以速度C+U沿正X′轴返回运动的距离为 。于是自S′系观测,光子B以速度C+U返回运动 所需的时间TB+′为TB+′=
于是在迈克尔逊-莫雷实验中,根据经典理论及图(2)可以确定,自S′(地面系)观测,光子B在S′系中沿正X′轴往返运动距离 所需要的时间之和TB′为:
TB′=TB-′+TB+′= + =            (4―1)
4.2、自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙系)中水平往返运动所需要的时间之和TSB′。
对于光子B往前运动来讲,由于S′系在S系中以速度U沿正X轴运动,因此如果自S′系观测,那么根据图(3)可知,S系原点O在S′系中的运动距离为―UTB-′。于是自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中从原点O往前运动的距离XSB-′为
XSB-′= +UTB-′= + =
此外根据经典理论可知,自S′系观测,光子B在S系中沿正X轴往前运动的速率CSB-′为
CSB-′=(C―U)+U=C
于是自S′系观测,光子B在S系中沿正X轴往前运动所需要的时间TSB-′为
TSB-′= =
对于光子B返回运动来讲,如果自S′系观测,那么根据图(3)可知,光子B在S系中从反射点返回运动的距离XSB+′为:
XSB+′= ―UTB+′= ― =
而自S′系观测时,光子B在S系中返回的速率CSB+′为
CSB+′=U―(C+U)=―C
于是自S′系观测,光子B在S系中沿正X轴返回运动所需要的时间TSB+′为
TSB+′= =
于是在迈克尔逊-莫雷实验中,根据经典理论及图(3)可以确定,自S′系(自地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中沿正X轴往返运动所需要的时间之和TSB′为:
TSB′=TSB-′+TSB+′= + =               (4―2)
把上式与(4―1)式比较可以确定:自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中水平往返运动的时间TSB′,与自S′系(地面系)观测,光子B在S′系中水平往返运动的时间TB′相等即TSB′=TB′。

应当指出的是:经典理论的错误是没有意识到(4―2)式中的时间TSB′,是观测者自S′系(地面系)中观测到的——光子B在S系(宇宙真空系)中沿X轴往返运动的时间——。不是观测者自S系(宇宙真空系)中观测到的——光子B在S系(宇宙真空系)中沿X轴往返运动的时间TB——。否则,很难解释为什么经典理论不根据迈克尔逊-莫雷实验结果,来分析推导(1―1)式中的变换系数K,或(1―2)式中的变换系数K′。
对于宇宙真空中两条方向不同的相等光程来讲,由于在运动方向上的光程会出现尺缩(或尺胀)效应,因此这两条相等光程在不同惯性系中的光程是不相等的。由于光干涉条纹与光程相关,因此当人们用非宇宙真空系的光程来计算干涉条纹光程时,就会出现误差,从而使理论计算结果与实验结果不相符。迈克尔逊-莫雷干涉实验结果已证明了这一结论。由此可以确定:光干涉条纹的产生及移动变化都是由宇宙真空光程决定的,不是由非宇宙真空光程决定的。从这一点讲,如果用非宇宙真空中的光子运动时间差计算干涉条纹的光程差时,那么理论计算结果也不符合实验结果。
由于光子B运动时间TSB′是自地面系中观测到的,而运动时间TB是自宇宙真空系中观测到的,因此经典理论在确定光子A、B两者干涉条纹的运动时间差ΔT时,应当首先把S′系中的运动时间TSB′等效变换成S系中的运动时间TB。从而使时间差ΔT属于光子B在宇宙真空系中的时间差
5、把光子B的S′系时间TB′等效变换成S系时间TB的变换系数KT 。或把光子B的S系时间TB等效变换成S′系时间TB′的变换系数KT′。
5.1、迈克尔逊—莫雷实验结果表明:光子A、B两者在宇宙真空系中的运动时间始终相等。
在迈克尔逊-莫雷实验中观察到的干涉条纹,是光子A、B两者作用的结果。根据经典理论,自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中的运动时间TSB′=TB′= /( ),而自S系观测,光子A在S系(宇宙真空系)中沿∧型轨道上下运动的时间TA= / 。
然而,自宇宙真空系中观测,上下运动光子A的运动光程XA=CTA,水平往返运动光子B的运动光程XB=CTB。由于迈克尔逊-莫雷实验在任何方向上都观测不到干涉条纹的移动,因此光子A、B两者在宇宙真空系中的运动光程始终相等,即XA=CTA=XB=CTB。由此可以确定:光子A在S系(宇宙真空系)中上下运动的时间TA,始终等于光子B在S系(宇宙真空系)水平往返运动的时间TB,即
TA=TB 。
5.2、光子B在S′系中的运动时间TSB′与光子B在S系中的运动时间TB之间存在着变换系数。
由于时间TSB′属于在地面系中观测到的光子B在宇宙真空系中的运动时间,而时间TA、TB两者属于光子A、B两者在宇宙真空系中的运动时间,因此如果不把时间TSB′变换成宇宙真空系中的运动时间TB,那么TSB′与TA两者的时间差ΔT为:
ΔT=TSB′―TA= ― ≠0           (5―1)
经典理论正是根据上面时间差ΔT≠0的结果确认:利用迈克尔逊-莫雷实验可以观测到干涉条纹的移动。然而在迈克尔逊-莫雷实验中却观始终测不到干涉条纹的移动。这一事实表明:光子A、B两者虽然在不同惯性系中的运动时间差ΔT≠0。但两者在同一个惯性系中的运动时间差ΔT=0。
由于光子B在S系中的运动时间TB,始终等于光子A在S系中的运动时间TA,即TB=TA。而时间TSB′与TB是光子B在两个不同惯性系中物理意义相对应的运动时间。由此可以确定:在TSB′与TB两个相对应的运动时间之间,存在着一个使时间差ΔT=0的变换系数。
5.3.、把光子B的S′系时间TB′等效变换成S系时间TB的变换系数KT 。或把光子B的S系时间TB等效变换成S′系时间TB′的变换系数KT′。
假设把S′系(地面系)运动时间TSB′变换成S系(宇宙真空系)运动时间TB的变换系数为KT ,或把运动时间TB变换为运动时间TSB′的系数为KT′,那么根据迈克尔逊—莫雷实验的零结果,可以得到下面两式。

       KTTSB′―TA=KTTSB′―TB=KT ― =0              (5―2)
或  TSB′―KT′TA=TSB′―KT′TB= ―KT′ =0        (5―3)
由上式可得到下面两个变换系数。
   KT=     和      KT′=                       (5―4)
由上式可知,时间变换系数KT(即变换系数K)与时间还原系数KT′(即变换系数K′)互为倒数关系,即KTKT′=1。而不是相等关系即KT≠KT′。
5.4、“时慢效应”和“时快效应”的本质。
根据(5―4)式可知,把S′系运动时间TSB′等效变换成S系运动时间TB的变换系数KT<1。由此我们可以得到一个重要的结论:光子B在S′系(地面系)中的运动时间TSB′大于光子B在S系(宇宙系)中的运动时间TB,即TSB′>TB。
对于TSB′>TB关系式来讲,如果把运动时间TSB′等效变换为运动时间TB,那么由于时间TSB′会出现收缩现象,而这一现象自S系(宇宙系)来看可称为:S′系(地面系)运动时间TSB′相对于S系(宇宙系)运动时间TB会出现“时慢效应”。
反之,如果把运动时间TB等效变换为运动时间TSB′,那么由于时间TSB′会出现膨胀现象,而这一现象自S′系(地面系)来看可称为:S系(宇宙系)运动时间TB相对于S′系运动时间TSB′会出现“时快效应”。
6、把光子B的S′系光程XB′等效变换成S系光程XB的变换系数KL,或把光子B的S系光程XB等效变换成S′系光程XB′的变换系数KL′。
6.1、在迈克尔逊-莫雷实验中,自S′系观测,光子B在S系中水平往返光程之和XSB′。
对于上下运动的光子A来讲,如果自S′系观测,那么光子A是沿Y′轴垂直上下运动的。于是光子A在S′系中沿Y′轴上下运动的距离XA′=2 。
然而自S系观测,光子A是沿∧型轨道上下运动的。于是光子A在S系中沿∧型轨道上下运动的距离XA= 。
对于光子B往前运动来讲,自S′系观测,光子B在S′系中沿X′轴往前运动的距离XB-′= 。此外自S′系观测,光子B在S系中沿X轴往前运动的距离XSB-′为
XSB-′= +UTB-′= + =
对于光子B返回运动来讲,自S′系观测,光子B在S′系中沿X′轴返回运动的距离XB+′= 。此外自S′系观测,光子B在S系中沿X轴返回运动的距离XSB+′为:
XSB+′= ―UTB+′= ― =
根据上面分析讨论可以确定:自S′系(地面系)观测,光子B在S′系中沿X′轴往返运动的距离XB′=2 。此外自S′系观测,光子B在S系(宇宙系)中沿X轴往返运动的距离XSB′为:
XSB′=XSB-′+XSB+′= + =             (6―1)
应当指出的是:经典理论的错误是没有意识到上式中的距离XSB′,是观测者自S′系中观测到的——光子B在S系(宇宙真空系)中沿X轴往返运动的距离——。不是观测者自S系中观测到的——光子B在S系中沿X轴往返运动的距离XB——。否则,很难解释经典理论为什么不根据迈克尔逊-莫雷实验结果,来分析推导(1―1)式中的变换系数K,或(1―2)式中的变换系数K′。
对于宇宙真空中两条方向不同的相等光程来讲,由于在运动方向上的光程会出现尺缩(或尺胀)效应,因此这两条相等光程在不同惯性系中的光程是不相等的。由于光干涉条纹与光程相关,因此当人们用非宇宙真空系的光程来计算干涉条纹光程时,就会出现误差,从而使理论计算结果与实验结果不相符。迈克尔逊-莫雷干涉实验结果已证明了这一结论。由此可以确定:光干涉条纹的产生及移动变化都是由宇宙真空光程决定的,不是由非宇宙真空光程决定的。
由于运动距离XSB′是自地面系中观测到的,而运动距离XB是自宇宙真空系中观测到的,因此经典理论在确定光子A、B两者干涉条纹的光程差ΔX时,应当首先把S′系中的光程XSB′等效变换成S系中的光程XB。从而使光程差ΔX属于宇宙真空中的光程差
6.2、光子B的S′系光程XSB′与S系光程XB之间存在着变换系数。
在迈克尔逊-莫雷实验中观察到的干涉条纹,是光子A、B两者合成作用的结果。根据经典物理学,自S′系(地面系)观测,光子B在S系(宇宙真空系)中沿X轴往返运动的距离XSB′= ,而自宇宙系观测,光子A在宇宙系中沿∧型轨道上下运动的距离XA= 。
然而,自宇宙真空系中观测,光子A的运动光程XA=CTA,光子B的运动光程XB=CTB。由于迈克尔逊-莫雷实验在任何方向上都观测不到干涉条纹的移动,因此光子A、B两者,在宇宙真空系中的运动光程始终相等,即XA=CTA=XB=CTB。由此可以确定:光子A在宇宙真空系中上下运动的光程XA、与光子B在宇宙真空系中水平往返运动的光程XB始终相等,即XA=XB=
由于距离XSB′属于在地面系中观测到的光子B在宇宙真空系中的运动距离,而距离XA、XB两者属于光子A、B在宇宙真空系中的运动距离,因此如果不把距离XSB′变换成宇宙真空系中的运动距离XB,那么XSB′和XA两者的光程差ΔX为
ΔX=XSB′―XA= ― ≠0         (3―2)
经典物理学正是根据上式光程差ΔX≠0的结果确认:利用迈克尔逊-莫雷实验可以观测到干涉条纹的移动。然而在迈克尔逊-莫雷实验中却观测不到干涉条纹的移动。这一事实表明:光子A、B两者虽然在不同惯性系中的运动光程差ΔX≠0。但两者在同一个惯性系中的运动光程差ΔX=0。
由于光子B在S系中的运动光程XB,始终等于光子A在S系中的运动光程XA,即XB=XA。而光程XSB′与光程XB是光子B在两个不同惯性系中物理含义相对应的运动时间。由此可以确定:在XSB′与XB两个相对应的运动光程之间,存在着一个使光程差ΔX=0的变换系数。
当我们用变换系数A把距离XSB′等效变换成距离XB,并由此确定出光子A、B两者在宇宙系中的光程差ΔX=0时,那么我们在理论上才能正确地分析说明迈克尔逊—莫雷实验结果为什么始终等于零。
6.3、光子在S系和S′系两者中运动距离的变换系数KL′或KL 。
假设把S′系运动距离XSB′变换成S系运动距离XB的系数为KL,或者把运动距离XB变换成运动距离XSB′的变换系数为KL′,那么根据迈克尔逊—莫雷实验的零结果,可以得到下面两式。
KLXSB′―XA=KLXSB′―XB=KL ― =0
  或  XSB′―KL′XA=XSB′―KL′XB= ―KL′ =0
由上式可以得到下面两个变换系数。
      KL=     和     KL′=         (6―3)
由上式可知,时间变换系数KL与时间还原系数KL′互为倒数关系,即KLKL′=1。而不是相等关系即KL≠KL′。应该指出的是:(6―3)式与(5―4)式实质上是同一个关系式即
     KL=KT=     或    KL′=KT′=  
由于KL是运动距离的变换系数,而KT是运动时间的变换系数,因此距离变换系数与时间变换系数是同一个变换系数。
6.4、“尺缩效应”和“尺胀效应”的本质。
根据(5―2)式可知,把S′系运动距离XSB′等效变换成S系运动距离XB的变换系数KL<1。由此我们可以得到一个重要的结论:光子B在S′系(地面系)中的运动距离XSB′大于光子B在S系(宇宙系)中的运动距离XB,即XSB′>XB。
对于XSB′>XB关系式来讲,如果把运动距离XSB′等效变换为运动距离XB,那么由于距离XSB′会出现收缩现象,而这一现象自S系(宇宙系)来看可称为:S′系(地面系)运动距离XSB′相对于S系(宇宙系)运动距离XB会出现“尺缩效应”。
反之,如果把运动距离XB等效变换为运动距离XSB′,那么由于距离XSB′会出现膨胀现象,而这一现象自S′系(地面系)来看可称为:S系(宇宙系)运动距离XB相对于S′系运动距离XSB′会出现“尺胀效应”。
7、高速(亚光速)粒子的近似坐标变换式。
把(6―3)式代入(1―1)式后,可得到一个只适用于光子B坐标变换的关系式即
可得到一个只即
X= (X′+UT′) ,Y=Y′,  Z=Z′
      T=T′                               (7―1)
或    X′= (X―UT)  , Y′=Y ,Z′=Z   
T′=T                               (7―2)

上面变换式中的S系为宇宙真空系。利用(7―1)式可以把S′系坐标(X′、0、0、T′),变换成S系坐标(X、0、0、T)。利用(7―2)式可以把S系坐标(X、0、0、T),还原(变换)成S′系坐标(X′、0、0、T′)。当坐标变换精度要求不高时,(7―1)、(7―2)两式也可做为高速粒子(亚光速)坐标的近似变换式
应该指出的是:(7―1)和(7―2)两式中的变换系数,是在“被观测事件为光子”这一条件下推证出来的。从这一点讲,上面两变换式对于光子来讲是正确的,但对于高速运动物体的坐标来讲,(7―1)和(7―2)两式仅仅是一个简单近似的变换式,而对于低速运动物体的坐标来讲,(7―1)和(7―2)两式则是错误的变换式。
当粒子P是低速运动的物体时,S′系与S系两者坐标变换所使用的变换式是另外的新变换式。而(7―1)式和(7―2)两个变换式,则是新变换式在一定条件下的简化式。此外,(7―1)和(7―2)两式完全符合数学运算法则的要求。
]]
公式传不上来···只好贴图了····················
人才呀,大哥你晚生了一个世纪呀。
要不是这样,第一次世界大战不会发生,第二次世界大战就能避免,冷战就不会延续50年。
天妒英才呀。
无视所有只用到初等代数的推导
那你给我解释个最简单的吧。
设A、B处于同一位置。A向某方向发出一束光,B同时追那束光以速度V运动。在 t 时间之后,AB相距vt。而由于光速的不变性,A距光的波前的位置为ct,B也为ct。
你给我经典一个;P 。