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极端情况下的质子与磁场的相互作用

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:如果质子与磁场在空间中都保持静止,这种情况下,带电荷的静止粒子不会受到磁场的影响,也不会产生洛伦兹力。再换一种极端情况。以及最后一种极端情况:磁场与质子都在以太海中运动,但随着两者相对速度的不同,质子的受力方向会发生变化,这又是为什么?

极端情况下的质子与磁场的相互作用

在讲解洛伦兹力时,我们描述的是一个运动的质子射入了静态的磁场。

换一种情况。如果质子与磁场在空间中都保持静止,这种情况下,带电荷的静止粒子不会受到磁场的影响,也不会产生洛伦兹力。如果用以太假说来解释,则是:

静止于磁场中的质子仍然存在有可能位移的方向,也就是磁场中负以太流的方向。但这个过程中,这个静止的质子并没有途径来获得额外的能量以形成位移,所以当质子与磁场都于空间中静止时,质子的位置不会发生任何改变,自然也没有受力。

再换一种极端情况。如果运动的不是这个质子,而是磁场,也就是质子在以太海中静止,磁场在以太海中运动,因为质子与磁场之间的相对运动,洛伦兹力的现象仍然会发生,这又该如何解释?

以及最后一种极端情况:磁场与质子都在以太海中运动,但随着两者相对速度的不同,质子的受力方向会发生变化,这又是为什么?

事实上,我们并没有办法确认任何惯性系相对于空间的运动状态,所以最后这种情况才是真实的情况。

这个问题直接指向狭义相对论的另一个核心假设。

爱因斯坦在提出狭义相对论时,曾经用到两条假设。

第一条假设是光速不变原理,也就是在任何惯性系内,光速恒定。

前文描述了在以太假说下物体运动时的情况。有了粒子—光子模型的支持,我们发现运动的物体,其时间的计量会改变,其空间的长度会缩短。又因为我们无法对单程光速进行测量,只能计算往返的双程光速,当以上三种因素结合在一起,我们能测量到的光速恒定为c。

但其实这并不是说光在惯性系中的速度为c。在运动的惯性系中,如果我们能有效测量单程光的光速,那惯性系内的观测者会看到,光在各个方向上的速度是不同的。但因为单程光速无法测量,我们在计算双程光速以后,在对时间与空间的度量发生改变后,会发现光速恒定是一个数值不变的计算结果。

第二条假设是相对性原理,也就是在不同的惯性系中物理规则不变。其实光速不变原理也可看作在不同惯性系下测量到的光速不变,是相对性原理的一种应用。

爱因斯坦认为相对性原理是宇宙中的一个根本性原理,因此,其体系内的许多重要结论都以此为基础展开,包括我们马上要讨论的广义相对论。因为人类的确从未发现任何违背相对性原理的物理现象,所以,该原理已经成为现代物理学中最底层的一条根本性原理。

但事实上,我们究竟应该把这条原理当作物理学的本质,还是物理学的现象?

跟光速不变原理一样,我们应该像以往那样把它作为相对论的支柱,还是作为以太假说下的一个物理结论?

随着在以太假说下的研究越来越深入,我们会发现,相对性原理的确是普遍存在的根本现象,但并不是有谁“规定”了这样一条根本原理,因为这一切都可以在以太观假说下得到解释。(www.xing528.com)

所有物理现象都符合相对性原理,但不同物理现象有不同的底层机制,也就是相对性原理有不同的触发背景。相对性原理应当是“果”,而不是“因”。

比如我们完整地推导了为什么对于光速恒定来说,相对性原理是成立的,但如果要解释为什么洛伦兹力也符合相对性原理,也就是如上两种极端情况,那我们要做许多额外工作,需要引入粒子的以太结构、电荷相关、粒子与以太海的反应等等知识,虽然这些都已在本书中做了介绍,但要把它们串起来仍然需要许多篇幅。

在光速恒定与洛伦兹力之外,其他物理现象也同样遵循相对性原理,所以我们需要在以太假说下去分析不同物理现象背后的以太机制,以及使不同物理现象的“相对性原理”能够成立的以太机制。

篇幅所限,本书不再对这些内容进行完整的展开,有兴趣的读者可以根据“物质以太”的特性自行推导。

最终我们会发现,如果不考虑引力场(本书最后一章的内容),一切都与光速c、与物体自身的速度v相关,而这也是为什么洛伦兹因子[3]在相关研究中普遍适用的原因。

这一章,我们尝试用以太假说“重建”电磁学的相关认知。当我们能用“物质以太”观念对电荷进行解释后,自然就能推导出电场与磁场的以太海结构。

其实,无论是现代物理学中的认知还是“物质以太”观念下的电磁学解释,其应用规则是不变的,甚至现代物理学中的方法在应用时会更方便。引入以太假说下的思路,也许可以帮助大家开阔一下视野,尝试从新的角度思考问题,以新的眼光看待我们生活世界

通过前面的分析可以看到,“物质以太”观念下的物理模型完整且自洽,不过它依然要面对所有以太论者都要经受的诘难:

有什么办法可以证明以太的存在?

下一章我们将进行这方面的论证,以及试着讨论一些被现有物理体系所忽视的细节。

【注释】

[1]磁单子:只有一种磁极特征的基本粒子

[2]既包括前面讨论过的电势能,也包括后文中的引力势能。

[3]洛伦兹因子:又称相对论因子,是依照相对论处理不同惯性系间物理量转换时用到的一个方程组。

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