從低速現(xiàn)象得到的電磁理論

1、從低速現(xiàn)象得到的電磁理論，為什么會(huì)透露相對論的秘密？從低速現(xiàn)象得到的電磁理論，為什么會(huì)透露相對論的秘密？人們通過電磁學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)了相對論。相對論是對經(jīng)典時(shí)空觀的顛覆，它的效應(yīng)在高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候才顯著。而電磁學(xué)是在低速運(yùn)動(dòng)下得到的理論，為什么它會(huì)蘊(yùn)藏著相對論的秘密，導(dǎo)致人們發(fā)現(xiàn)時(shí)空的奧秘？1、相對論效應(yīng)、相對論效應(yīng)眾所周知，相對論非常神奇，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的生活經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)相對論，運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)間變慢，空間收縮。比如，母親在20歲生下孩子后，乘坐

2、宇宙飛船以0.995倍的光速離開地球。宇宙飛船一直以這樣的速度運(yùn)動(dòng)，3年后再回來。這時(shí)地球已經(jīng)過了30年，孩子30歲，而母親才23歲。在日常生活中，相對論效應(yīng)非常微弱，無法察覺，否則我們乘車的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)間變慢了。相對論效應(yīng)只有接近光速時(shí)才顯著，所以人類在地球上生活了這么多年，一直以為時(shí)間像勻速的河流一樣均勻流過。既然現(xiàn)實(shí)生活中相對論效應(yīng)很微弱，那人類是怎樣發(fā)現(xiàn)相對論的呢？物理學(xué)家通過擺弄導(dǎo)線、電池、磁鐵等玩意發(fā)展出了電磁學(xué)。這是一

3、種不尋常的理論，它的不尋常導(dǎo)致了一系列的實(shí)驗(yàn)，最后通向了相對論的發(fā)現(xiàn)。電磁學(xué)并不是研究高速運(yùn)動(dòng)得到的理論，但它在高速世界里仍然適用（這里速度的高低，是指與光速相比）。同樣，牛頓物理也是從低速的世界發(fā)展出來的，但它不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體。為什么同樣是研究低速的現(xiàn)象，電磁學(xué)就蘊(yùn)含了相對論的奧秘，最后顛覆經(jīng)典時(shí)空觀呢？本文后面的內(nèi)容包括兩部分：電磁學(xué)異常的地方是什么？為什么會(huì)出現(xiàn)這種異常？2、電磁學(xué)的異常、電磁學(xué)的異常A、相對性原理、相對性原

4、理在19世紀(jì)人們就發(fā)現(xiàn)電磁定律和其他的物理理論不同，認(rèn)為它不符合相對性原理。什么是相對性原理？坐過火車的朋友都知道，當(dāng)火車勻速行駛的時(shí)候，拉上窗簾，我們就無法判斷車在向前還是向后開。事實(shí)上，如果不是火車顛簸，我們根本不知道火車是靜止還是運(yùn)動(dòng)。這時(shí)候火車上的一切現(xiàn)象，都無法幫助我們判斷火車如何運(yùn)動(dòng)。比如車上水龍頭的滴水，并不會(huì)因?yàn)檐囅蚯斑\(yùn)動(dòng)，它就滴在后面。將這種經(jīng)驗(yàn)總結(jié)推廣，人們得到了相對性原理。按這個(gè)原理，物理規(guī)律在所有慣性系中都相同。

5、（牛頓力學(xué)成立的參照系就是慣性系。比如，靜止在地況如下圖，F(xiàn)e表示電力，F(xiàn)m表示磁力，F(xiàn)e指向q1，F(xiàn)m的方向垂直于速度v。電荷q1的受力情況類似，圖中沒有畫出?？梢娫谙礢和系S’中電荷的受力不一樣。在系S中，電荷只受到電力，力的方向在兩電荷的聯(lián)線上，因此電荷的加速度方向也在它們的聯(lián)線上。在系S’中，電荷受到電力和磁力，合力方向不在電荷的聯(lián)線上，因此加速度方向也不在這聯(lián)線上。而這是不可能的。不管在從哪個(gè)參照系看，結(jié)果都應(yīng)該一樣。這就如同

6、兩個(gè)小球是否相撞，不會(huì)因?yàn)閰⒄障挡煌吹讲煌慕Y(jié)果。如果用一根絕緣的剛性桿將兩個(gè)電荷聯(lián)接起來，當(dāng)電荷受力指向另一個(gè)電荷時(shí)，桿不會(huì)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)受力方向偏離聯(lián)線方向，則桿會(huì)偏轉(zhuǎn)。桿是否偏轉(zhuǎn)，在哪個(gè)參照系都一樣。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果只有一個(gè)，我們能從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果判斷出在開始時(shí)電荷是靜止還是運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上還可以進(jìn)一步，從電荷受力的大小和方向還能算出電荷原來的速度v是多少。這個(gè)速度是絕對的，不是相對的。這說明存在一個(gè)特殊的參照系。電磁學(xué)也只在這個(gè)特殊的參照系中

7、成立，這與相對性原理矛盾。D、實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)有了上面的認(rèn)識(shí)，人們就希望通過做實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)那個(gè)特殊的參照系——以太參照系，算出地球相對于以太的速度。1880年代，邁克爾遜和莫雷測量不同方向的光速，他們意外發(fā)現(xiàn)，在任何參照系中光在真空中的速度都相同。換句話說，同樣的一束光，相對于地面上的人是C，相對于乘著飛船追逐光的人也是C。這結(jié)果非常令人吃驚。1902到03年間，特魯頓—諾伯爾做了上面說的那個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們用平行板電容器代替電荷，用細(xì)絲將充了電的電

8、容器懸掛起來。對應(yīng)于上面所說的剛性桿偏轉(zhuǎn)，按照同樣的推理，這種情況下電容器就應(yīng)該偏轉(zhuǎn)。根據(jù)電容器轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，就能算出地球相對于以太運(yùn)動(dòng)的速度是多少。他們的實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)，在任何時(shí)候電容器都沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由于地球在運(yùn)動(dòng)，既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)。電容器不可能一直相對于那個(gè)絕對參照系靜止。這些出人意料的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了人們認(rèn)識(shí)上的混亂。后來愛因斯坦的相對論解決了這些問題。根據(jù)相對論，并不是相對性原理不對。電磁學(xué)在不同的慣性系中都成立，并不存在特殊的參照系。問