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健′。因此:
x1′+ vt′= a′= a / k
故此得到:
a = k( x1′+ vt′)= k a′ (1)
对K′系中处于静止状态的任意空间点B′来说,在K系中是运动点。人们在K′系中观察,总是x2′= OB′= b′,但在K系中观察到的是B点,在t = 0的时刻, K系中的OB与K′系中的OB′并不相等,x2 = OB = b ≠ b′。我们必须通过一个系数k′,才能将二者表示成 b′= k′b 。在时刻t ≠ 0的时候,B点的坐标是x2 = b + vt ,数值x2 - vt= b 。因此:
x2 - vt = b = b′/ k′
故此得到:
b′= k′( x2 - vt)= k′b (2)
在还没有任何根据的情况下,没有理由认为k是与a无关的永远不改变的常数,k′是与b′无关的永远不改变的常数。这样,我们应该将k表示为与a相关的函数ζ(a),把k′表示为与b′相关的函数ξ(b′)。
k = ζ(a) , k′= ξ( b′) (3)
这样,(1)、(2)式重新表示为:
a = ζ(a)a′, b′= ξ( b′)b (4)
当取a=0时,a′= 0 ,在把a作为变量来对待时,a和a′是同时变为零的。这才是教材中写出〃数值x和x′+ vt′是同时变为零的〃的原本应该要表达的意思。当取b′= 0时,b=0 ,在把b′作为变量来对待时,b′和b也是同时变为零的。这等同于教材中应该以同样道理写出的〃数值x′和x - vt是同时变为零的〃的含意。
在没有任何根据之前,当a = b′时,k可能不等于k′,k和k′可能与速度方向有关。只要它们保持对K系和K′系都是同样的规律,就符合相对性原理的要求。从K系转换到K′系,与从K′系转换到K系,由于速度方向正好相反,我们可以分别称之谓〃正方向变换〃和〃负方向变换〃。
原则上要求k = ζ(a),k′= ξ( b′)都是单值函数。当a = b′= 0时,也就是在坐标原点处,由于0 = ζ(0)a′,0 = ξ(0)b ,只可能是:
要么a′= b = 0 ,要么ζ(0)= ξ(0)= 0 ;
a = b′= a′= b = 0 ,意味着K系的原点在K′系中观察到的动态对应点与K′系的原点重合,K′系的原点在K系中观察到的动态对应点K系的原点重合。
在a = b′= 0 、ζ(0)= ξ(0)= 0 的条件下,a′与b可以是任何数值。这就意味着K系的原点在K′系中观察到的动态对应点可以处于任何位置处,K′系的原点在K系中观察到的动态对应点可以处于任何位置处。
当a = b′≠ 0时,从a =ζ(a)a′,b′=ξ(b′)b推不出任何结果,a ′、 b与 ζ(a)、ξ( b′)都是待定值。
就算根据相对性原理,当a = b′时,k = k′。由于a ′与 b都是待定值,只能推导出a′= b ,也同样确定不出ζ( a )=ξ( b′)应该等于多少?单从数学关系上看,ζ( a )或ξ( b′)取任意值都保持式子成立。
相对来说,最简单的处理方式是令ζ( a )= ξ( b′)永远保持不变,等于某个常数。比如让它等于1,就回到了经典的伽利略变换上。也可以令ζ( a )= ξ( b′)等于只与速度v相关的某个式子,比如人为的用来给出ζ( a );就得到狭义相对论坐标变换。只要自己开心 ,高兴让ζ( a )等于什么数值,它就可以等于什么数值。
为什么会得出上面这样的结果?根本原因就在于,(1)式子中的( x1′+ vt′)好像与 vt′相关, 其实不然,这里面的x1′是由a′- vt′来决定,( x1′+ vt′)永远等于t′= 0时刻的x1′值a′;(2)式子中的( x2 - vt )也好像与 vt 相关,其实也不然,这里面的x2是由b + vt来决定,( x2 - vt )永远等于t = 0时刻的x2值b ;这也就意味着,无论t与t′怎样改变,(1)式子和(2)式子所描述的都只是t = t′= 0时刻的变换关系。
为了更加清楚地理解上述变换可能赋予的物理意义,请参看图5…2坐标变换关系图。其中,K系静止,K′系以速度V相对K系做匀速运动,约定K参照系与K′参照系的坐标原点重合时,K系与K′系中的记时显示为0时刻。K系中的静止点A在t=0时刻的坐标在K系中为xa ,按照经典的伽利略坐标变换公式,K系中的静止点A在K′系中的运动坐标x′为:
x′= xa - vt′;
由于:
x′+ vt′= xa 、
k(x′+ vt′)= kxa
因此:
x = k ' x′-(-v)t′' = k(x′+ vt′)= kxa
该式子永远描述的只是t′= 0时刻状况。
同样,参看图5…3坐标变换关系图。其中,K′系静止,K系以速度 …V相对K系做匀速运动,K′系中的静止点B在t=0时刻的坐标在K′系中为xb′。按照经典的伽利略坐标变换公式 ,K′系中的静止点B在K系中的运动坐标x为
x = xb′+ vt ;
由于
x - vt = xb 、
k( x - vt ) = kxb ,
因此:
x′= k(x - vt)= kxb
该式子永远描述的只是t = 0时刻状况。
这显然不是相对论所要说明的物理意义。在程守洙、江之永先生编写的教材中,由于把考察的空间点取在原点上,因而才会在t = t′= 0的时刻具有x1′= x2 、和x2′= x1的特殊情况。这样就可能在不知不觉之中,将A点的x1坐标与B′点坐标x2′混为一谈,和将A′点的x1′坐标与B点坐标x2混为一谈。否则,人们很容易发现推导过程忘记了a ≠ a′、b ≠ b′的要点,马上判断出所做的变换实际是伽利略变换。再把x1与x2统一写成x,把x2′和 x1′都统一写成x′之后,t=0时对应的x1 =a 就被篡改成了t′≠ 0时的x2 ;t=0时对应的x2′= b′就被篡改成了t ≠ 0时的x1′。于是,教材中写出的(1)式和(1a)式原本具有的意义便被悄悄的改变掉了。
另外,教材中没有写出(1a)式子,该式的来由也仅用了〃用同样方法对O′这一点来讨论,可以得到x′= k′(x - vt)〃。这其中隐藏着一个玄机,我们再把它还原出来如下:
对于O这一点来说,由坐标系K来观察,不论在什么时候,总是x = 0 , 但是由坐标系K′来观察, 在时刻t′的坐标是x′= - vt′;亦即x′+ vt′= 0 。由此可见 ,在同一空间点上 ,数值x和x′+ vt′是同时变为零的。这就自然而然地使人认为在任何时刻x和x′+ vt′都有一个比例关系,设这个比例常数是k,那么
x = k(x′+ vt′) (1)
对于O′这一点来说,由坐标系K′来观察,不论在什么时候,总是x′=0 ,但是由坐标系K来观察,在时刻t的坐标是x = vt ;亦即x - vt = 0。由此可见,在同一空间点上,数值x′和x - vt是同时变为零的。这就自然而然地使人认为在任何时刻x′和x - vt都有一个比例关系,设这个比例常数是k′,那么
x′= k′(x - vt) (1a)
根据狭义相对论的相对性原理,K和K′是等价的,上面两个等式的形式就应该相同(除正负号外),所以两式中的比例常数k和k′应该相等。即有
k = k′
这样
x′= k(x - vt) (2)
为了求得确定的变换法则,必须求出常数k 。根据光速不变原理,假设光信号在0与0′重合的瞬时(t = t′= 0)就由重合点沿OX轴前进,那么在任何一瞬时t(由坐标系K′量度则是t′),光信号到达点G的坐标对两个坐标系来说,分别是
x = ct , x′= ct′ (3)
由于在给出(1)式的叙述中已经告诉人们x′= - vt′,在给出(1a)式的叙述中又已经告诉人们x = vt ;当把x = vt、x′= -vt′和x = ct ,x′= ct′放在一起求解时,将得出:
c = -v , c = v
在c = -v与 c = v 都要成立的情况下,只有让c = v = 0,将c = v = 0代入(3)式只能得出 x = x′= 0 ;于是(1)、(2)式子还是
0 = k × 0 , 0 = k′× 0
请注意,O′与O不是同一个点,它们只在t = t′= 0的时刻重合。也即教材中使用的是两个空间点,并不是一个空间点。当程守洙、江之永先生在编写的教材中,把两个参照系的坐标原点O′、O混为一谈后,就不能再写出(1a)式子的具体来历了,否则也将解不出的结果。
由此可以判定,程守洙、江之永先生误解了狭义相对论的坐标变换含义。他们有可能是认为在任何时刻,狭义相对论的坐标变换是指:在K系中处以静止状态的任意空间点的坐标x与该点在K′系中观察到的运动点的坐标x ′之间始终存在换算系数k,可将它们表示成x = kx′的关系。我们试分析一下:
在K系中处以静止状态的任意空间点A,在K′系中是运动点。人们在K系中观察,总是x1 = OA = a 。在t′= 0的时刻,K′系中的OA′≠ a 。这也就意味着t′= 0之时,K′系中的OA′与K系中的OA并不相等,x1′= OA′= a′,我们必须通过一个系数k ,才能将二者表示成a = ka′,也即:
x1 = kx1′、 a = kx1′、 x1′= a/k
对于t′≠ 0的时刻,由于:
x1′= a/k - vt′
因此有:
a = x1 = k( x1′- vt′)
= k( a/k - vt′)= a - kvt′
于是得到:
kvt′= 0 (1…1)
同理,在K′系中处于静止状态的任意空间点B,在K系中是运动点。人们在K′系中观察,总是x2′= OB′= b′。在t= 0的时刻,K系中的OB ≠ b 。这也就意味着,K系中的OB与K′系中的OB′并不相等,x2 = OB = b ,我