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杨鸿智-后现代理论医学博客

《后现代医学》、《正反馈医学》、《自体原位器官重构技术》

 
 
 

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这是一个宣传后现代理论医学的博客.后现代理论医学是以系统理论为指导的新医学.该理论认为,在生命组织中干细胞是决定机体功能状态最基本的因素.通过调节机体内环境和为干细胞提供再生所需要的物质和能量,就可以使干细胞在患者体内原位再生,实现器官重构,使器质性病变得到治疗.现在,已经在北京医药信息学会内成立了后现代理论医学专业委员会,杨鸿智是主任委员.

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(2)狭义相对论的先驱:洛伦兹和彭加勒  

2013-05-02 11:51:11|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2)狭义相对论的先驱:洛伦兹和彭加勒

 

洛伦兹是于189211月在荷兰阿姆斯特丹科学院提出收缩假说的。他是荷兰物理学家,21岁就获得博士学位、精通法、德、英文。他在解释了迈克耳孙实验的否定结果时认为:“初看起来,这个假设似乎不可思议,但我们不能不承认,这决不是牵强附会的,只要我们假定分子力也像电力和磁力那样通过以太而传递(至于电力和磁力,现在可以明确地作这样的断言),平移很可能影响两个分子或两个原子之间的作用,其方式有点类似于荷电粒子之间的吸引与排斥。既然固体的形状和大小最终取决于分子作用的强度,因此物体大小的变化也就会存在。”

 

在提出收缩假说后,洛伦兹进一步探讨了以太和地球相对运动对其他电磁现象和光现象的影响问题。1895年,他发表了“运动物体中电磁现象和光现象的理论研究”。在这篇论文中,他不仅进行了个别的讨论,而且证明了普遍保证一阶效应不能显示出来的状态对应定理:“设在静止参照系中存在着以xyzt为变数表示的电磁状态,那么在具有同样物理构造并以v运动的参照系中,以相对坐标x'y'z'和当地时间t'为独立变数的同样的函数所表示的电磁状态也必定存在。”现在看来,这个定理在一次近似下表示了洛伦兹协变性。可是,洛伦兹当时并无此意,当地时间只不过是为了数学上的方便而引入的辅助变数而已。

 

1895年的理论仅仅是完成了一次近似,用它还不能说明迈克耳逊实验。用收缩假说虽然可使矛盾得以解决,但是该假说和他的理论体系并没有本质的联系。因此,洛伦兹努力提高对应态定理适用范围的阶数,企图使它成为一个严密的定理。彭加勒的中肯批评和后来的两个实验加快了洛伦兹的工作进程。

 

1900年,彭加勒在巴黎召开的国际物理学会议上作了“实验物理学和数学物理学的关系”的讲演。在这篇讲演中,他特别谈到,洛伦兹理论是现存理论中最使人感到满意的理论,但是也有修正的必要。他认为,假使为了解释迈克耳逊实验的否定结果,需要引入新的假说,那么每当出现新的实验事实时,也同样有这种需要。毫无疑问,对于每一个新的实验结果创立一种特殊假说,这种作法是不自然的。假使能够利用某些基本假定,并且不用忽略这种数量级或那种数量级的量,来证明许多电磁作用都完全与系统的运动无关,那就更好了。其实,彭加勒在1899年的一次讲话中就谈到这种看法。

 

彭加勒的批评给洛伦兹指出了努力的方向,但促使他最后下决心改善先前理论的是瑞利、布雷斯以及特劳顿和诺布耳的实验。

 

按照洛伦兹的收缩假说,假使物体在运动方向缩短,那么它的密度就会因方向而异,这样一来,透明体理应显示出双折射现象。瑞利在1902年做了实验,并未发现预期的现象。布雷斯在1904年重复了这个实验,依然得到否定的结果。按照同样的假说,如果使电容器的极板与地球运动方向成一角度,那么当给电容器充电时,应该存在使电容器极板转向地球运动方向的力偶作用。可是在1903年,特劳顿和诺布耳把电容器固定在灵敏的扭秤上,这种扭秤的灵敏度足以测出该数量级的力偶矩,然而他们在实验中却没有观察到任何效应。

 

洛伦兹面对事实,抱定彻底解决而不是近似解决所有问题的决心,经过重新努力,终于在19045月完成了题为“速度小于光速系统中的电磁现象”的论文。洛伦兹1904年的理论是以麦克斯韦方程和作用在电荷上的力(后来称为洛伦兹力)的表达式为基础的,其中麦克斯韦方程在相对于以太固定的参照系(xyz)中是成立的。他的目的是研究以匀速沿x轴方向运动的物理系统中所发生的电磁现象,以阐明该现象显示不出任何运动效应。他发现,利用原先的方程和表达式在相对以太运动的参照系中处理问题是极为复杂的,为了避免不必要的麻烦,他作为一种数学技巧引入了新的变数——相对坐标和当地时间。在定义了新的电位移矢量和磁场强度矢量后,他又假定了电荷密度和速度之间的变换式。他把新变数代入原方程之中,得到了带撇变数的新方程,它与原方程具有几乎相同的形式。

 

就这样,洛伦兹在没有忽略所有各阶项的情况下得到了对应态定理。尽管洛伦兹事先声称,他的这篇论文是以“基本假定”而不是以“特殊假说”为基础的,但为了达到他的既定目标,还是采用了11个特殊假说。洛伦兹从他科学生涯一开始,就着手计划把菲涅耳关于以太和物质相互作用的思想与麦克斯韦电磁场理论以及韦伯、克劳修斯电的原子观点统一起来。1904年的理论就是这一目标的最终实现。尽管洛伦兹企图在经典理论的框架内解决新实验事实和旧理论的矛盾,可是某些结论却超出了这个框架(例如粒子质量随速度而变化,粒子在以太中运动的速度不能大于光速)。

 

彭加勒极为热情地接受了洛伦兹的理论,他从数学上给洛伦兹理论以更为简洁的形式。他把洛伦兹的坐标与时间变换式命名为洛伦兹变换,并论证当l1时,该变换形成一个群。彭加勒还推广了洛伦兹理论,导出电荷和电流密度的变换关系,他甚至(虽然是隐含着)使用了四维表达式。实际上,伏格特在1887年,拉摩于1900年已分别发现了类似的变换式,只是由于没有认识到它的重要意义,因而并未引起人们的注意。

 

彭加勒主要是一个数学家,而洛伦兹主要是一个理论物理学家。可是谈到对相对论发展的贡献,情况却恰好相反:洛伦兹提出了许多数学表达式,而彭加勒却提出了普遍原理。

1895年,彭加勒在研究拉摩的电磁理论的论文中首次出现了相对性原理的提法。在那里他说,从各种经验事实得出的结论能够概括为述断言:“要证明物质的绝对运动,或者更确切地讲,要证明可称量物质相对于以太的运动是不可能的。”

 

1899年,他在巴黎大学讲演时说:“我认为很可能,光学现象只依赖于物体的相对速度。……在光行差常数中,如果不忽略二阶或三阶量,这也许是正确的,但却不是严格正确的。当实验变得越来越严格,这一原理也将变得越来越精确。”

 

第二年,在巴黎举行的物理学会议上,他再次重申了同样的观点:“我不相信……除了物体的相对位移之外,更严密的观察将会使其他东西明显起来。”对于所有各阶“都必须找到同一解释……这种解释同样完满地适用较高阶的项,这些项的相互对消将是严格的绝对的。”相对性原理这个术语是彭加勒19049月在圣路易斯国际技术和科学会议的讲演中首次使用的。由于这一原理,“物理现象的定律对‘一个固定的观察者’与对于一个相对于他做匀速运动的观察者必定是相同的。这样一来,我们没有,也不可能有任何识别我们是否做这一运动的手段。”

 

彭加勒在1898年还第一个讨论了假设光速对所有观察考都是常数的必要性。在这一年发表的“时间之测量”一文中,彭加勒指出:光具有不变的速度,特别是光速在所有方向上都相同“是—种公设,没有这一公设,就无法测量光速”。他还指出:“绝对空间是没有的,我们所理解的不过是相对运动而已”,“绝对时间是没有的,所谓两个历时相等,只是一种本身毫无意义的断语。”“不但我们没有两个相等的时间的直觉,并且我们对于两地所发生的两事件的同时性也没有直觉。”在同—篇文章中,彭加勒还讨论了用交换光信号确定两地同时性的问题。在1902年出版的《科学与假设》中,他又一次重申了上述观点。几乎没有什么疑问,到1900年,彭加勒手头已经具备了建造相对论的所有必需的材料。在1904年圣路易斯会议的讲演中,他还惊人地预见了新力学的大致轮廓。

 

19世纪末,运动物体电磁现象的研究取得了进展,因电气技术发展而提出的单极电机问题引起了物理学家的兴趣。所谓单极电机,就是使一个圆筒形的磁铁绕轴旋转,把转轴和筒壁用导线联结起来,回路就有电流流过(单极感应)。这时,感应电动势在回路的什么地方产生呢?磁铁旋转时,磁力线随之一起旋转呢,还是停留在一个固定的位置上呢?这个问题在1900年前后成为物理学家的中心议题之一,实际上相当于如何使包括有可动物体系统中的电磁现象理论化的问题,属于动体电动力学的内容。1900年,科恩继续坚持赫兹在1890年“关于动体电动力学的基础方程式”一文中提出的观点(以太并不独立于物体运动,力线并非物质的特殊状态,它只是一种符号等等),尝试用动体电动力学来处理当时面临的实际问题。

 

科恩也把世界分为以太和电子,而不论及运动参照系中的现象是如何被看到的;他始终把物体当作宏观的、一成不变的东西来处理,论述物体运动时内部发生的电磁现象。科恩也引入了与洛伦兹相同的当地时间作独立变数,找到了可以变为与静止物体的麦克斯韦宏观方程形式严格相同的方程式,把它作为运动物体的方程式。

 

用今天的眼光来看,其引人注目之处在于,他能根据近于协变性的想法导出方程式。尽管科恩当时并不清楚它的意义,但他导出的方程式能说明大多数实验事实,因而在那时还是有影响的。

 

 

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