動(dòng)體電動(dòng)力學(xué)研究

前言

那是在一九七九年，我在北京大學(xué)無線電電子學(xué)系讀一年級(jí)?！丢M義相對(duì)論力學(xué)》作為《力學(xué)》課的選修章節(jié)，是老師布置給所謂“有能力的”同學(xué)自修的。自命不凡的我將書讀了一遍后，發(fā)現(xiàn)《狹義相對(duì)論》并不像人們傳說的那樣難懂，無非是將三維空間加上一個(gè)速度限制后得到的一種四維表象，而且從理論的推導(dǎo)過程看，將限制速度定為光速完全是人為的，如果將這個(gè)限制速度定為音速，完全相同的推導(dǎo)過程可以得到形式上完全相似的理論表述，差別僅僅在于光速變成了音速！我曾經(jīng)跟同學(xué)調(diào)侃：如果這種理論能夠成立，就可以推導(dǎo)出“音速是宇宙間的最大速度”，在超音速飛機(jī)橫行霸道的今天，得到這樣的結(jié)論豈不荒謬！最終讓我相信“限制速度是光速”的原因是BeRtozzi實(shí)驗(yàn),Bertozzi用靜電加速器加速電子，令人信服地證明了“用靜電加速器加速電子，電子的速度最多只能達(dá)到光速，而不能超過光速”，從而被普遍認(rèn)為是直接證明了愛因斯坦狹義相對(duì)論的“光速是最大速率”的推論。事情由此告一段落，為此我榮幸地被同學(xué)們冠以“大吹”的雅號(hào)。這是在大學(xué)一年級(jí)發(fā)生的事情。到了三年級(jí)學(xué)習(xí)電動(dòng)力學(xué)的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)電磁波的傳播速度就是光速（本該在二年級(jí)學(xué)習(xí)電磁學(xué)的時(shí)候就知道電磁波的傳播速度就是光速，不知道為什么，當(dāng)時(shí)竟然沒有特別注意此事），這意味著電磁場(chǎng)的傳播速度就是光速，又使我想起了Bertozzi實(shí)驗(yàn)，疑問又來了：形象地說，電磁場(chǎng)是包裹著電子使其運(yùn)動(dòng)的，就像我們抱著籃球跑一樣，我們跑的速度決定了籃球的運(yùn)動(dòng)速度，但不能說我們跑的最大速度就是籃球運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到的最大速度！

內(nèi)容概要

《動(dòng)體電動(dòng)力學(xué)研究》從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)定律的適用條件出發(fā)，研究了為解決20世紀(jì)初物理學(xué)天空上的“兩朵烏云”而產(chǎn)生的“狹義相對(duì)論”和“量子力學(xué)”兩個(gè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，重點(diǎn)討論了“光速是宇宙間物體運(yùn)動(dòng)和能量傳輸?shù)淖畲笏俾省钡膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證、狹義相對(duì)論的適用條件和量子力學(xué)基礎(chǔ)假設(shè)的物理內(nèi)涵等問題?！秳?dòng)體電動(dòng)力學(xué)研究》否定了一些重要的傳統(tǒng)結(jié)論，取得了一些開創(chuàng)性的基礎(chǔ)成果。    《動(dòng)體電動(dòng)力學(xué)研究》第一章回顧并點(diǎn)評(píng)了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)定律的適用條件，第二章至第三章用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的方法解釋了為什么用電磁加速的方法不能使電荷粒子的運(yùn)動(dòng)速度超越光速的問題，第四章至第五章討論了狹義相對(duì)論的相關(guān)基礎(chǔ)問題，第六章至第七章討論了量子力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)問題。

書籍目錄

第一章 電磁現(xiàn)象的規(guī)律與麥克斯韋方程組  第一節(jié) 真空中靜止電荷的電場(chǎng)規(guī)律  第二節(jié) 真空中穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)規(guī)律  第三節(jié) 真空中的麥克斯韋方程組第二章 運(yùn)動(dòng)電荷的電磁定律  第一節(jié) 運(yùn)動(dòng)電荷的電場(chǎng)方程  第二節(jié) 等效靜止電荷  第三節(jié) 電荷的運(yùn)動(dòng)自屏蔽效應(yīng)  第四節(jié) 運(yùn)動(dòng)電荷的庫(kù)侖定律  第五節(jié) 運(yùn)動(dòng)電荷的安培定律  第六節(jié) 洛倫茲力公式的修正  本章點(diǎn)評(píng)：也許一切需從頭開始  附錄2．1  參考文獻(xiàn)第三章 Bertozzi不能使電子運(yùn)動(dòng)速度超越光速的原因  第一節(jié) 在電場(chǎng)中被加速的電子的速度v與其接受的加速能量的關(guān)系  第二節(jié) 運(yùn)動(dòng)電子相伴電場(chǎng)的動(dòng)能  參考文獻(xiàn)第四章 洛倫茲變換的實(shí)驗(yàn)意義  第一節(jié) 電磁學(xué)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量準(zhǔn)嗎  第二節(jié) 運(yùn)動(dòng)電荷的荷質(zhì)比  第三節(jié) 麥克斯韋方程組的洛倫茲協(xié)變性及其實(shí)驗(yàn)意義  第四節(jié) 電荷守恒定律的洛倫茲協(xié)變性  第五節(jié) 同一自由點(diǎn)電荷電場(chǎng)的兩種理論結(jié)果  參考文獻(xiàn)第五章 物理測(cè)量中的系統(tǒng)限制  第一節(jié) 測(cè)量系統(tǒng)間的時(shí)空變換  第二節(jié) 相對(duì)性偽力學(xué)  第三節(jié) 測(cè)量系統(tǒng)的速度限制  第四節(jié) 狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)  本章點(diǎn)評(píng)：“自然的宇宙”與“愛因斯坦的宇宙”  參考文獻(xiàn)第六章 電荷的粒子與波／62  第一節(jié) 電磁場(chǎng)的建立與傳播  第二節(jié) 點(diǎn)電荷電場(chǎng)的建立與傳播  第三節(jié) 運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷的推遲勢(shì)  第四節(jié) 運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷的電磁場(chǎng)  第五節(jié) 原子發(fā)光及其偏振特性  第六節(jié) 光波對(duì)電荷粒子的作用  附錄6．1關(guān)于雅可比行列式的推導(dǎo)  附錄6．2驗(yàn)證(6．3．15)式滿足洛倫茲規(guī)范(6．1．9)式  參考文獻(xiàn)第七章 氫原子的穩(wěn)定性與定態(tài)薛定諤方程/90  第一節(jié) 質(zhì)子俘獲電子所滿足的經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方程  第二節(jié) 電子自相干效應(yīng)與定態(tài)薛定諤方程  第三節(jié) 電子自相干效應(yīng)的驗(yàn)證  第四節(jié) 光電效應(yīng)與動(dòng)態(tài)薛定諤方程  附錄7．1電子在原子中的速度  附錄7．2求解電磁場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)理論  附錄7．3電磁波在球形邊界上的散射  參考文獻(xiàn)后記致謝

章節(jié)摘錄

插圖：4.牛頓力學(xué)也許就像我們用光電電磁儀器（包括眼睛）來觀察測(cè)量聲學(xué)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)音速的傳播是有方向性的、是依賴于傳播介質(zhì)的，因而蝙蝠力學(xué)是不正確的一樣，我們要發(fā)現(xiàn)光速傳播的方向性和介質(zhì)依賴性，需要利用傳播響應(yīng)速度比光速更快的測(cè)量?jī)x器。而相對(duì)論力學(xué)的某些結(jié)論與實(shí)驗(yàn)相符合，可能是某種巧合的結(jié)果，就像索末菲（Sommerfeld，1916）用相對(duì)論修正原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)得到了正確的結(jié)果、而最終發(fā)現(xiàn)是偶然巧合一樣，有更深層次的物理規(guī)律在等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。牛頓力學(xué)是實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)最強(qiáng)的科學(xué)。它對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的要求就是測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)傳播和響應(yīng)速度遠(yuǎn)大于被測(cè)量物體的變化速度，因此不會(huì)像相對(duì)性偽力學(xué)一樣將測(cè)量系統(tǒng)的速度限制帶入實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以在測(cè)量系統(tǒng)符合它的要求的情況下，它是目前最接近被測(cè)量物體本象的科學(xué)。牛頓力學(xué)中物體的質(zhì)量是物體內(nèi)部含有物質(zhì)的度量，是物體的內(nèi)部性質(zhì)，不隨外部的參考速度而改變。除了勢(shì)能外，牛頓力學(xué)不能像相對(duì)論力學(xué)那樣能夠計(jì)算在牛頓力學(xué)看來似乎像物體內(nèi)能的運(yùn)動(dòng)能量和靜止能量。

后記

早在兩百多年前，大衛(wèi)·休謨（David Hume）就發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)規(guī)律：“最為世人所稱道、并且自命達(dá)到了精確和深刻推理的各家體系，它們的基礎(chǔ)同樣是非常脆弱的。盲目地接受原理推導(dǎo)出來的殘缺的理論，它的各部分之間必然不相調(diào)和，整個(gè)體系亦必然缺乏證據(jù)?！豹M義相對(duì)論是如此，量子力學(xué)也是如此。它們共同的特點(diǎn)就是它們的原理缺乏證據(jù)，因此它們的基礎(chǔ)是脆弱的。從本書的分析中可以看到：這兩個(gè)理論體系并非像現(xiàn)實(shí)中吹噓的那樣神奇而偉大，它們只不過是同樣不完美的經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)體系在宏觀速度或微觀尺度的測(cè)量極限下的兩個(gè)特例，是原有經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)體系的補(bǔ)充。狹義相對(duì)論和量子力學(xué)在基礎(chǔ)原理上的瑕疵是眾所周知的。雖然本人已經(jīng)發(fā)覺狹義相對(duì)論和量子力學(xué)僅僅是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)體系內(nèi)的兩種特例，但是，由于本人才疏學(xué)淺、思維愚鈍，到發(fā)書之時(shí)也未能給出完滿的解決，僅僅提出了一些發(fā)現(xiàn)和相應(yīng)的驗(yàn)證，指出了可能的解決方向，還可能遺留下一些推導(dǎo)失誤或錯(cuò)誤結(jié)論，有待高手們繼續(xù)斧正。完成本書，恰逢虎門銷煙一百七十周年，不禁感慨萬(wàn)千。在中華人民共和國(guó)成立六十周年蓬勃向上之際，又是《狹義相對(duì)論》發(fā)表一百零五周年和量子力學(xué)誕生一百一十周年即將到來之時(shí)，滿懷赤子感恩之心，謹(jǐn)將本書獻(xiàn)給我們偉大復(fù)興中的祖國(guó)。劉顯鋼2009年8月19日

編輯推薦

《動(dòng)體電動(dòng)力學(xué)研究》是北京師范大學(xué)出版社。

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