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随体观测与实验室观测的关系 精选

已有 1777 次阅读 2021-1-27 10:59 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

狭义相对论对于20世纪的科学理论的影响主要表现在:对于客观的物理过程,随体观测的物理场量和实验室观测的物理场量是不同的。

就电磁场而言,考虑运动的电荷,在电荷静止系上只能观测到电场而没有磁场,而在实验室系,则能观测到电场和磁场。运动系观测到的场和静止系观测到的场之间满足洛伦兹变换关系。

哲学上,物理场量在不同的观测系是不同的。而客观不变的只是物质运动本身。在数学描述上,就需要建立任意坐标系(静止或运动,一般性的时空坐标系)下的物质运动方程。

经典理论给出的是实验室系(绝对静止系,或是惯性系)下的运动方程,它描述的是实验室系下的物理量的变化规律。如果接受相对论的理念,则随体系上观测的相应物理量是与实验室系观测量不同的。而联系两者的桥梁就是随体系与实验室系的几何运动关系。

就抽象理论发展而言,把实验室系总结的物理运动规律推广到任意系(运动系,变形系)就成为20世纪个学科的重要理论研究论题,这个阶段可以泛称为运动方程张量化。

在实验观测上,随体观测和实验室观测就是相对独立的两个观测过程。在有了随体观测场量和实验室观测场量以后,理性上,可以得到实验室观测场量和随体系观测场量间的变换关系(变换群)。

抽象理论给出的是,这个变换群可以由随体系与静止系的相对几何运动关系而得到。这样,几何运动的基本量就成为描述物理场量的必要量。从而,物理场量的一般形式就是(物理场量X几何场量)。由此,(几何场量的正变换X物理场量的逆变换)就形成一个恒等变换。由此,物质运动的客观不变性就得到维持。这个思想就是现代科学理论几何化的基本思想。

在现实的工程实践中,在运动物体上安置随体传感器进行物理场量的测量已经是普遍性的。而在实验系的观测测量也是普遍性的。理论上,在实验室系观测随体系的运动是必要的。这样,有几何运动观测可以得到几何量的变换关系。这样,就可以检验物理场量观测值计算得到的变换关系是否与几何观测得到的变换关系协调一致。

如果一致性是存在的,则验证了张量运动方程的正确性。如果不一致,则说明运动方程是有缺陷存在的。这样,理论接受的检验范围就由传统的实验室系扩展到任意系下的检验。在一个相当长的时期,这个路线下的研究并没有取得显著的进展。只是确认了几何变形、曲线运动引起的相关效应是极为复杂的。

代表性的运动是流体力学中的湍流。考虑实验室观测系给出的N-S流体运动方程。如果采用张量理论的普遍性基础概念,用着色粒子来观测速度场,建立物理量(应变速率),则的确,这个物理量与实验室系的对应量是有明显差别的。理论上,要建立随体运动系下的运动方程,但是困难在于:这个随体系的运动是复杂的,它是一个时变空变坐标系。

这样,客观上,张量运动方程面对的是:刚性的静止的实验室坐标系下的运动方程,时变空变的随体坐标系下的局部运动方程。在这个原则性的问题上,目前的理论进展实质上是停止的。

人们可以期待的是:随着随体观测数据和实验室系观测数据的积累,能够有物理场量总结出这个变换关系,从而反推几何上的运动变换关系,由此来确定流动的一般规律。

在这层意义上,经典理论拓展到复杂运动下的相应理论依旧是个难题。也就是说,经典理论本身需要有进一步的发展。那么这个发展,除了目前的张量理论可用之外,还需要发展新的等价的理论,也就成为抽象理论界的研究论题。

而实验观测上,静止实验室系观测和随体变形任意系观测就是同时进行的观测。实验的概念也就拓展了。这是一个变革。而与之伴随的是个学科理论的变革。在这层意义上,21世纪就是20世纪理论进展进入工程应用的阶段。

这个阶段突出了任意曲线系的工程测量的重要地位。从而,把测绘学科的地位提升到基础性观测的地位。张量方程的有关几何量被精确的测定后,本质性的物理量也就得到更为精确的观测,从而具体学科的理论就会出现新的发现,新的进展也就是可以期待的。在另一层意义上,现代科学理论的进展对于实验观测的依赖性更为复杂化。从而,实验装置的重要性被提升到新的高度。在这个大背景下,提升抽象理论水平和进行本质性实验观测就是科学发现的基础性条件。

本博文的结论是:科学实验设计与抽象理论并重是现代科学研究要取得实质性进展的基础性条件。

 



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