论述相对论时空观的四维形式以及电动力学的四维表示

论述相对论时空观的四维形式以及电动力学的四维表示
题目就是这样.这是大学电动力学考卷的题目. 泡沫e咖啡 1年前他留下的回答 已收到1个回答

chenjin815 网友

该名网友总共回答了16个问题，此问答他的回答如下：采纳率：87.5%

我上大学时没遇到这类题,但是我有自己的想法（不是答案）,不知道对你有没有什么帮助.

相对论的四维空间就是可以用三个长度纲和一个时间纲描述和表达的空间.
高维空间无法在低维度空间上表达,因此我们只能采取权宜之计,用六个2维坐标表达一个四维空间体系.类似于用三视图表达一个三维物体.（实际上是一个矩阵,不过我们不用理矩阵的问题,因为我们不推导公式,也不作量化分析.）
即：(x,y)、(y,z)、(x,z)、(x,t)、(y,t)、(z,t).
这样就能在纸或电脑屏幕这样的二维空间上表达四维空间了,当然不直观是必须的代价.

这样一个坐标组表达的就是一个四维空间.如果四维空间所有的轴（量纲）都是均匀的,则这个空间就是均匀空间（我们习惯称为惯性系）.也就是说空间中的物体（点、线、面及立体）代表长度（或距离）与时间成线性关系.
若四个轴中任意一个轴（的刻度）是非均匀的,则表示空间是非惯性系,空间中的物体与时间不成正比,也就是曲线.在这样的空间中,物体本身如果是均匀的,则表现为相对空间作变速运动,如物体本身与空间相符（相对静止）,则表明空间是弯曲的.

在经典物理学中,我们有F＝ma,a表示加速度,但是在相对论中,这个加速度是不存在的,因为以太不存在,没有参照物就不存在加速度.所以公式的表达应该是a＝F/m,F/m是单位质量所受的引力,即引力场强度.那么公式的意思就是加速度是引力场强度值.
对照上面的空间表达,加速度就是空间的弯曲度（曲率）,因而空间的弯曲度也就是引力场强度.

至于电动力学,我们可以这样考虑：假设在一个均匀的空间中,某一点突然产生一个电荷,则距离这个点一定距离的另一点必须经过一定的时间才能感应到那个电荷的出现.因为空间是连续的,一个点不可能同时出现在不同位置.这个点的电荷消失,另一点也同样要经过一定时间才感知到它的消失.如果那个电荷以某种方式变强或变弱,同样需要一定时间另一点才能感知.因此,电荷的信息需要时间向另一点传递.这个场的信息传送速度暂且称之为“场速”.

显然在这个均匀的（惯性系）空间中,场速一定也是均匀的.
光速,光是电磁波,可以理解为那个电荷以一定频率作正弦变化,变化信息即以场速向另一点传送（球状扩散）.这就是光速,显然光速就是“场速”,因此可以断定在同一个空间中,光速恒定不变.就是场速.

电动力学的力理所当然是电场力,而带电粒子相对空间的运动,则由电场力的作用而产生影响.
这就像我们推车,如果车子没有磨擦力,车的最快速度必然小于人跑的速度,因为车要是比人跑的速度快,人就追不上车了,追不上车就无法继续给车施力,没有力也就没有加速度,没有加速度车就不会比人跑的速度快.
电场力的施加速度是都场速（光速）,当带电粒子被加速度时,同样不会超过光的速度,因为达到光速时,电场力就无法作用于带电粒子了.这就是在同一空间中,物体的速度不可能超过光速的原因.
显然（相对本空间）速度越快,电场力的作用就越小,所以当粒子达到光速时,粒子受的力就是0.
这种情况下,粒子不再受向前或向后（电场有正负）的任何力.假如人在这样的速度相对空间运动,则人不能向前或向后行走,不能向前或后伸手,不能转身,毫无疑问,这个速度运动的空间是一个二维空间（相对上述的均匀空间）.
同时以这样的速度运动的物体撞在任何物体上也不会产生力,因为场速限制了力的作用.光对宏观物体不会产生“光压”,就是这个道理.速度越快的物质产生的力越小,对静止物体的影响越小,比如中微子接近光速,因此几乎很难捕捉到.除非遇到刚好与它的速度方向接近的粒子才会产生作用.

前面说的是一个四维空间,不同空间显然至少有一个轴的刻度或角度（相对五维空间）不同,但是只要是均匀的,就一定是惯性空间,一个轴的刻度或角度不同,体现的就是相对5维空间的速度不同.因此,不同的惯性系就是不同的四维空间.

非惯性系是由无数惯性系连续排列成的空间,因此（相对五维空间的）速度的变化就是空间的跨越.

微观的电动力学,一个四维空间中不会有超过光速的运动,但是在不同空间中,则会发生下面的情况,一个空间的电场力作用在另一个空间时,相对原来空间的场速相对另一空间就不是原来的速度了,因此对另一空间的物体会有作用.微观粒子的振动实际上就是粒子不断在不同空间穿越,当穿越在某个空间时,就会受到来自另一空间的电场力的作用因而改变运动状态,因此电场力或光,对微观身体会起作用.比如光电效应.

宏观上,我们不可能跟随高速运动的物体一起运动着去进行各种测量和研究,因此,随着速度增加,粒子加速度下降的过程只能以相对性的等效方法等效成电场力恒定而粒子随着速度的提高而质量变大.
微观上,频率越高的电磁波（光）电场强度变化越剧烈,因此能量越大,对粒子的作用越强.

尺管不同空间相对的场速可能不同,因而会产生作用,但是,如果速度高于光速,依然不会起作用,因为像人推小车一样,车迅速从人身边穿过人来不及对车起作用.高于光速的情况任何空间都无法察觉和捕捉.这就像皇帝的新衣一样,等同于不存在.

我想先说这些吧,这是我的一些思路,是我对时空、电动力学等问题的认识,不知道对你有没有用.希望对你解答题目的思路能有一点点抛砖的作用.

1年前他留下的回答

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