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相对论和量子力学的争议及惯性定律分析

来源:学术堂 作者:原来是喵
发布于:2016-11-04 共7661字
  本文试图从对惯性定律的分析中寻找到解决EPR问题的方法。文中研究了相对论中的自然运动和引力几何化问题,讨论了爱因斯坦和玻尔关于量子力学解释的争论,最后用惯性起源的马赫原理给出了解释EPR问题的一种可能方法。大家在相关论文写作时,可以参考这篇题目为“相对论和量子力学的争议及惯性定律分析”的物理史论文。
  
相对论和量子力学的争议及惯性定律分析

  原标题:爱因斯坦和玻尔的世纪之争及EPR问题
  
  摘要:相对论和量子力学不能同时为真,已是学术界的共识,而其原因仍是悬而未决的问题。将复杂问题分解为最简单问题进行研究是科学研究的常用方法,无外力作用物体的运动是力学中的最简问题,这种运动称为惯性运动或自然运动,亚里士多德、伽利略、牛顿、爱因斯坦四位历史上最伟大的物理学家都研究过自然运动。本文试图从对惯性定律的分析中寻找到解决EPR问题的方法。文中研究了相对论中的自然运动和引力几何化问题,讨论了爱因斯坦和玻尔关于量子力学解释的争论,最后用惯性起源的马赫原理给出了解释EPR问题的一种可能方法。
  
  关键词:惯性定律; 相对论; 量子力学;EPR问题;马赫原理
  
  0引言
  
  将复杂问题分解为最简单问题进行研究是科学研究的常用方法,牛顿力学和相对论中都使用了这个方法[1-2].要将复杂问题转化为简单问题,首先要将研究对象和环境分离,一旦分离成功,研究对象和环境的最简单关系就是两者之间没有任何相互作用的情况。对力学而言,无外力作用物体的运动就是力学中的最简问题,这种运动被称为惯性运动或自然运动,亚里士多德、伽利略、牛顿、爱因斯坦四位历史上最伟大的物理学家都研究过自然运动[3-4].本文通过对历史上惯性定律的形成过程的分析,揭示了惯性定律在整个宏观力学中的地位,文中研究了相对论中的自然运动和引力几何化的原因,用惯性起源的马赫原理解释了EPR问题,从方法论上给出了宏观物理学和微观物理学关系的新图景。
  
  1宏观力学的研究方法
  
  牛顿力学和相对论都属于宏观力学范畴,宏观力学和微观力学的一个显着区别是,宏观力学可实现研究对象和环境的有效分离,这一点在微观力学中做不到,这也是导致宏观力学和微观力学的研究方法在现代产生明显区别的主要原因,也是爱因斯坦和玻尔在量子力学解释上产生分歧的原因之一。
  
  所以研究宏观力学在方法论上要比微观力学简单,通常无需考虑作为环境一部分的测量工具对研究对象的干扰,也就是无需考虑宏观物体受测不准原理的制约。一旦研究对象和环境实现有效分离,就可以考虑最简单的情况: 环境和研究对象之间没有任何相互作用时物体的运动。实验和理论分析最后都导致了惯性定律的产生: 当一个物体不受任何外力作用时,将保持静止或匀速直线运动状态。如果物体受到外力作用,那么运动状态将发生改变,其中的定量关系就是牛顿第二定律,这样力学开始慢慢地由简单到复杂,这就是牛顿力学的主要思路。
  
  牛顿力学中也存在一些问题,主要出现在空间问题上,物体运动总要在一定的空间中发生,那么牛顿的空间到底是怎样的,有什么性质? 牛顿给出了绝对空间的概念,即: 一个一无所有的静止空间。绝对空间成为物体运动的场所,物体在这样的空间中运动,不和空间发生任何相互作用,但这样的空间存在吗? 历史上许多科学家都对此提出质疑,如贝克莱主教、莱布尼茨、马赫等。问题1: 一无所有的空间,连信息也没有,我们无法感知又如何知道它存在? 问题2: 静止和运动是相比较得到的,那么绝对空间的静止是和谁比较得到的? 问题3: 现实中根本找不到一个一无所有的空间。以前以为真空中一无所有,但后来发现真空中含有丰富的物质内容,如高能粒子、光、引力场、宇宙背景辐射等,所以一无所有的空间的存在性问题,在亚里士多德提出来二千多年后依然是一个没有解决的问题[5-6].
  
  相对论将引力视为空间的属性[7],引力归入了空间,又因为引力场有能量所以是一种物质的存在形式,这样对相对论而言,空间和物质是不可分割的。不存在一无所有的空间,存在的空间中都存在物质,至少存在引力场。所以在广义相对论中,物体所受外力中不包括引力,物体在不受引力之外的外力作用时的运动就成了自然运动,引力被几何化了。这样的处理恰好有黎曼几何与之对应,所以相对论就成为一个由数学理论体系支撑的宏观力学理论。
  
  相对论比牛顿力学的进步在于,它否定了运动物体和空间不会发生相互作用这一事实,如果真空中确实存在许多物质,那么运动物体一定会和真空发生相互作用,这种作用产生的物理效应就是相对论效应,当然这种效应只有在物体运动接近光速时才会显现。
  
  沿着这条思路,就产生了真空的真空是否存在的问题。我们又回到了与十七世纪研究真空是否存在的类似问题上。如果真真空存在,那么在真真空中,物体运动的极限速度就一定是超光速的。这样立刻会想起在无限稀薄的物质空间中,物体将如何运动的问题。结论只有一个,物体将静止或以无限快的速度运动。因为空间一无所有,引力也没有,根据惯性起源的马赫原理,物体将没有惯性,任何扰动都将使物体加速到无限快。如果运动物体是一个基本粒子,在周围有约束的环境中,那么这个基本粒子只能是以几率波的形式存在,因为它运动得太快了,我们根本无法确定它何时在何处,只能根据周围约束确定其在空间某位置出现的概率,这种图像和量子力学描述的微观物质世界图像是完全一致的。
  
  2亚里士多德的自然运动
  
  亚里士多德是古希腊时期最伟大的哲学家和科学家,他的关于物质运动的思想整整统治了人类2000多年。亚里士多德和后来的伽利略在研究力学问题的方法上,存在一个显着的区别,亚里士多德仅依靠观察和直觉得出结论,缺乏实验方法,所以他的关于物质运动的理论从直觉出发,得出了许多不正确的思想。首先为了确定物体的自然运动,亚里士多德根据对轻的物体上浮,重的物体下落的观察,规定了物质具有原始处所,重物的原始处所在地心,所以在没有外力作用的情况下,重物总是落向地心。而气体和轻的物体的原始处所在天上,所以当没有外力作用时它们总是飘向天空。
  
  另外亚里士多德根据,地面上的物体不用力推它,它就静止这一观察结果,断言力是产生运动的原因。显然亚里士多德的这些论断都是错误的,也说明在力学或自然科学中,正确结论的得出,不能仅凭简单的直觉或观测,还需要根据对限定条件下实验的分析,特别是定量实验得出正确结论,这也是现代科学的特征之一。
  
相关标签:物理学史论文
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