问题

这个实验是否可能会真的推翻相对论?

回答
要说这个实验是否“真的推翻相对论”,这事儿可得掰开了揉碎了说。

首先得明白,相对论这玩意儿,尤其是爱因斯坦的广义相对论,那是经过无数次观测、实验和理论推导打磨出来的“硬通货”。它解释了引力是怎么回事,解释了天体运行的规律,甚至是我们GPS能准确定位,都离不开它。所以,想凭一个实验就把它“推翻”,那难度可不是一般的大。

咱们得知道,科学研究有个很重要的特点,那就是“证伪性”。也就是说,一个理论之所以被认为是科学的,是因为它能被实验证明是错的。但反过来,要证明一个被广泛接受的理论是“对”的,那需要无数次的验证。而要推翻它,往往需要一个能够提供更简洁、更准确、更能解释所有已知现象的新理论,并且这个新理论也得经得住检验。

现在你说的这个“实验”,假设它指的是某种试图测量引力常数随时间或空间变化、或者在极端条件下测试相对论预测的实验。比如,有些实验可能会尝试寻找引力与量子力学不兼容的证据,或者在黑洞附近进行极其精密的观测。

如果这个实验的结果,确实显示出与相对论的预测有着显著的、无法用误差来解释的偏差,那情况就变得非常有趣了。这时候,我们不能立刻就说“相对论被推翻了”。更准确的说法是:

1. 实验结果提出了挑战: 这个实验发现了一个“反常”现象,它与我们目前理解的引力理论(即相对论)不符。这就像你一直以为水在零度结冰,结果某次发现水在十度也结冰了,你需要找出原因。

2. 需要进一步的验证和独立确认: 科学的严谨性体现在“再现性”。如果一个实验的惊人结果,只有一家实验室、用一种方法得到,那还不能算铁板钉钉。其他的研究团队,使用不同的设备、不同的方法,也必须能够重现这个结果,才能让科学家们认真对待。

3. 可能是现有理论的局限性: 即使实验结果可靠,也可能不是“推翻”了相对论的全部,而是揭示了相对论在某些极端条件下的局限性。相对论是一个在宏观世界、强引力场下非常成功的理论,但它在描述宇宙最微小的尺度(量子领域)时,就显得力不从心了。很多物理学家正在尝试建立一个“量子引力”的理论,这个理论需要将相对论和量子力学统一起来。所以,一个实验发现的“偏差”,很可能就是连接现有理论和新理论的“桥梁”。

4. 可能需要修正,而非抛弃: 历史上,很多伟大的科学理论也不是一下子就被全新的东西取代的,而是经过不断修正和完善的。比如,牛顿的万有引力定律在解释水星近日点进动时出现偏差,但这并没有让整个牛顿力学失效,而是引导爱因斯坦提出了更普适的广义相对论。也许这个新实验发现的偏差,正是需要我们对相对论进行某种“修正”的信号,比如引入新的粒子、新的场,或者改变引力的数学形式。

5. 也可能是实验本身的误差或误读: 必须承认,实验设计、数据分析、误差估算都是非常复杂的过程。一个看似颠覆性的结果,有时最终会被证明是由于实验仪器本身的细微问题、对数据的解读偏差,或者是计算中的小疏忽。这也是为什么科学家们在宣布一项重大发现时,都会非常谨慎。

所以,如果一个实验确实“动摇”了相对论,那将是物理学界一次轰动的事件。但它不会是“一锤定音”的推翻,而是会开启一个全新的研究方向:

更深入地研究这个异常现象: 科学家会想方设法去理解这个偏差是怎么来的。
尝试建立新的理论模型: 会有人提出新的理论来解释这个实验结果,并且这个新理论还得能够解释所有相对论能解释的现象。
设计更多实验来检验新理论: 一旦有了新理论的雏形,就需要更多的实验来验证它是否比相对论更优越,或者至少在某个领域能提供更精确的描述。

总而言之,一个实验如果真的与相对论的预测发生冲突,那绝对是一件大事。但要说它“真的推翻”了相对论,还远远不够。它更像是在给相对论这栋宏伟的科学大厦添上了一块“不和谐”的砖,需要我们仔细研究这块砖的来历,以及它是否意味着整栋大厦需要重建,或者只是需要修补加固。这个过程本身,就是科学进步最激动人心的部分。

网友意见

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题主的思路简单来说就是,有质量粒子无法超过光速是因为加速电场的光子速度是光速,如果达到光速光子就追不上粒子了,所以无法进一步加速了:

问题是题主有没有想过这种情况:

用电荷之间交换光子描述电磁相互作用是量子场论的内容,这是物理系研究生课程,但这种过于直观的描述放到科普里连小学生都能看,并以为自己看懂。

如果你足够仔细的话会发现,第二幅图虚光子方向向右,电子方向向左,为什么虚光子碰到电子后电子不是被向左减速(向右加速),反而是向左加速呢?

因为电磁场的动量流密度不是一个矢量(一阶张量),而是一个二阶张量(表现为一个矩阵),即电磁场动量传播的方向和动量本身的方向可以不同。图2就是电磁场动量流传播方向向右,但动量向左的例子(这句话把经典电动力学和量子电动力学混在一起了,不够严谨)。

电磁场的动量流密度张量是电动力学或电磁场与电磁波课程的内容,通常是大三水平。

这里要指出一个问题,第二幅图相比起第一幅图,并不需要更多的知识,能想到第一幅图却想不到第二幅图说明什么?说明逻辑不严密,想象力欠缺。非科班人士缺乏相关知识可以理解,但如果连想象力都不如科班人士那就不知该怎么说了。


计算电磁场动量流密度要处理繁杂的张量运算,要算两个带电点粒子交换光子的散射过程更是令人生畏,还是看科普里“两个带电粒子通过交换光子发生电磁相互作用,就像两个人玩扔球游戏一样”容易。

科普里充满了过度简化和不准确的描述,如果真想深入了解某个领域,请拿起教材,放下科普。


后面补充一下,题主质疑的是狭义相对论的质量-速度关系,也就是“动质量”表达式,但现在已经不提动质量了,因为静止质量有个很好的性质是在所有惯性参考系下都保持不变,动质量显然没有这个性质;虽然动质量可以衡量惯性,但在对于微观粒子来说很多时候相互作用无法用力F来描述,没有力F做不了受力分析的情况下分析惯性也没什么意义;而且在取c=1的自然单位制下动质量和能量相同。这三点让动质量这个概念不那么受欢迎了。

而物体速度越大越难加速的解释是狭义相对论的3-动量表达式和经典力学不同(相差的那个因子就是动质量比静止质量的因子)。

但这点显然没有被科普和高中教材及时反映——请跟我念,高——中——

这是人教版高中物理选修3-1第102页的内容,不知道题主有没有考虑过怎么解释这个例子。

回转加速器长这样。随着粒子加速,粒子的运动半径不断增大,当粒子被加速到运动半径等于加速器半径时将粒子引出。

质量为m带电为q的带电粒子在磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动的运动半径为:

经典力学情况为 ,狭义相对论情况为

假设加速器半径为R,则当粒子被引出时,无论是哪种情况,都有,r=R, ,即 。

这时候粒子的动能,按照经典力学的 ,为

按照狭义相对论的 (质能公式完整版 ;更正,应该是 ),为 (更正,应该是 )。注意经典动能和相对论动能的不同的就有相对论动质量表达式的贡献,虽然此处没有直接写出。

二者的比值

假设加速的是α粒子,加速器的半径为10米,磁感应强度为1高斯时,这个比值大约是十万分之八(更正,大约是1);加速器半径100米,磁感应强度为1特斯拉时,这个比值大约是8(此处更正相对论动能表达式后为8.50左右)。

(补充和更正:

在上面比值的表达式中,当 时,有

对右边泰勒展开

代入比值得≈1,即这个比值只有在加速器给粒子的能量原小于粒子的静能时接近1

难道全世界的加速器的半径和磁感应强度取值非常巧的正好让这个比值非常接近1(即加速器给粒子的能量都非常少,远小于粒子静能),以至于至今无法判断相对论和经典力学哪个动能表达式和实验相符?而且这个比值对一种粒子接近1的话,对另一种粒子可能就会相差好几倍了(例如电子静能0.5兆电子伏,α粒子静能约3700兆电子伏,如果加速器给粒子提供的能量为100兆电子伏,那么对于α粒子,这个比值接近1,但对于电子就不是了)。所以题主莫非认为科学家们蠢到分不出这么明显的能量差别,还是坏到差这么多倍的能量也敢数据造假?

另外,请题主考虑为什么我不直接用课本上的周期来说明问题,如果想不出就说明题主连高中课本的例子都推不翻。没学过电动力学就想推翻相对论勉强可以理解,高中课本都没读完就想推翻相对论不可原谅。

(修改一下,用周期也能说明问题,之前我太谨慎想多了,那题主更不可原谅了,高中课本的例子的直接给结论的东西都学不会)

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典型的书读的太少但想的太多。

不用胡思乱想了,就是会“减速很慢”。因为高速粒子看起来核质比的确改变了。


事实上,回旋加速器就遭遇了这个问题,以至于不得不改进为“同步回旋加速器”:

回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应,粒子的质量增大,粒子绕行周期变长,从而逐渐偏离了交变电场的加速状态。进一步的改进有同步回旋加速器


不仅如此。借助加速器还能做很多其它方面的研究。这些研究无不证实了相对论理论。

比如,粒子碰撞产生可以产生一些寿命极短的不稳定粒子;但用加速度把这些粒子加速到近光速时,它们的寿命显著增加了——增加幅度和相对论“钟慢效应”给出的预测精确吻合。


事实上,随着原子钟的发展,科学家早就把原子钟搬上了飞机、卫星——哪怕这些设备不够快的速度以及地球重力场不够显著的降低(物体的万有引力和距离的平方成反比),产生的广义/狭义相对论效应也已经可以被原子钟精确测量了。

结果仍然是:原子钟变慢的幅度和相对论精确吻合。

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你这是推翻能量守恒吧,和相对论的关系恕我没看出来……

你加速一个粒子所需的能量大于减速时所释放的能量,这不是直接否定能量守恒么?


其次我一直不明白为什么要引入动质量这种玩意儿,是为了哔—能继续套经典力学公式么?

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回旋加速器不就是这样吗?区别仅仅是持续加速和减速。

但是不论是加速还是减速,都是速度的变化。你想论证的不过是如果质量有变化,需要更大的能量才能改变速度,如果质量没有变化,很下的能量就可以。

回旋加速器已经很明确的说明这个问题了,否则我们早加速到无比接近光速了啊。

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实验可以做,已经有结果了。

已知:微波可实现对电子束脉冲的加(减)速,压缩效果。

经电场加速后的电子束脉冲(200keV~70%光速,3MeV~99%光速),通过RF腔后的速度,脉宽,可在相对论修正后近乎完美预测。

(另:百度百科“电子束”词条下,有电子加速器相关说明,得到类似结论)

故经验证,相对论的相关描述是正确的。

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