專利名稱：超波(光)速運輸方法和機具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于運輸工具。
從物理學(xué)的意義上，運輸工具本身是一個運動的物體。運動物體的速度是由牛頓運動定律決定的F＝ma或F/m＝a。外力除以物體的質(zhì)量等于其獲得的加速度。但是，根據(jù)愛因斯坦的相對論理論，當物體的質(zhì)量與其運動速度有關(guān)，有 ，運動速度越大，其質(zhì)量也越大。當物體的速度u接近光速c的時，其質(zhì)量接近無窮大。因此，人們認為任何外力都無法加速該物體。這類關(guān)于物體運動速度的認識，使人們放棄了尋求更高運輸速度的嘗試和努力。這限制了運輸器具的速度的進一步提高和發(fā)展。
本發(fā)明的目的在于，首先從物理學(xué)理論上，解決關(guān)于超光速運動的問題，幫助人們獲得超光速運動的基本方法及機具。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，根據(jù)新的廣泛的相對論理論，將運輸工具攜帶燃料，不停的加速，直至以大于光速的速度運行。
優(yōu)點和積極效果本發(fā)明首先從理論上，解決了超光速運動的機理，消除了人們現(xiàn)有的對于相對論的誤解。實現(xiàn)可以超光速運行的運輸工具，將大大提高宇宙空間的運輸效率，大大節(jié)省星際旅行的時間。


圖1，小于光速。圖2，大于光速。圖3，加速火箭。
首先，我們推導(dǎo)關(guān)于超光速運動的理論廣泛的相對論。一、引言愛因斯坦的相對論是物理學(xué)上最偉大的成就之一。但是，根據(jù)更基本的物理原理，卻顯示該部分理論是相對性理論中的一個組成部分，相對論將具有更完整的內(nèi)容。本文從物理學(xué)最基本的原理出發(fā)，更深入和完整地討論相對論。
物理學(xué)是一門觀察、分析和研究物理現(xiàn)象的科學(xué)。物理學(xué)必須以觀察可被觀察到的物理對象為基礎(chǔ)，再進行分析和研究。
相對性理論所研究的是相互運動的慣性系之間的物理關(guān)系。物理學(xué)的最基本任務(wù)是觀察和研究物體的運動。物體的空間位置，位移，物體的運動速度，及在外力作用下物體速度的變化規(guī)律，及物體的能量，等等。為了研究的方便，人們設(shè)立空間慣性坐標系，以便清晰和直觀的形式描述物體的運動。采用空間慣性系描述和考察物體的位置和運動軌跡等，是物理學(xué)最基本的方法。觀察物體的運動時，我們經(jīng)常遇到這樣的任務(wù)從一個慣性系，觀察和描述另外一個慣性系中的物體的運動。即相對性的運動關(guān)系，它是物理學(xué)中非常重要的部分----相對論。
觀察----是指客觀的物體和物理現(xiàn)象，通過某些客觀的物質(zhì)媒介接觸我們的感官，而被人們觀察到。任何物質(zhì)和物理現(xiàn)象都是真實和客觀地存在的。但是，它們都是由某些物質(zhì)媒介的傳遞，才得以被人們感覺和觀察到。或者說，我們不得不利用客觀存在的物理手段和條件，觀察物理對象。然而，任何物質(zhì)媒介都具有一定的物理特性，其物理特性必定會影響我們的觀察結(jié)果。
通常，人們利用物質(zhì)波觀察客觀的物體的運動，物質(zhì)波包括光波、聲波、引力波和電子波等等。物質(zhì)波具有直線運動，折射和反射的基本物理特性，可以在運動的物體與觀察者之間傳遞信號，而且很容易地被人們所觀察到。人們通過所接受到的信號，獲知物理現(xiàn)象及物體的運動狀態(tài)。某些物質(zhì)波的能量很小，如光波和聲波，幾乎不改變物體的運動。因此，人們絕大多數(shù)利用光波來測量運動的物體；有時也利用聲波進行測量。但是，物質(zhì)波本身所具有的物理特性，會影響觀察的結(jié)果。使得真實的物體運動現(xiàn)象與被觀察到的物體運動鏡像之間，產(chǎn)生特定的區(qū)別。因此，人們在分析和研究物體的運動時，必須計及其物理特性。
總之，沒有物質(zhì)波，就沒有觀察沒有觀察，就沒有物理學(xué)。二、相對性運動的最基本原理在客觀的宇宙中，慣性系是真實和客觀地存在的，并不依賴于人們的觀察。在兩個相對運動的、不同的慣性系之間，相互觀察和研究物體的運動。這類關(guān)于相對運動的慣性系的研究理論，被稱為相對性理論。通常，慣性系是一種在空間作勻速直線移動的笛卡兒坐標系，它可以用以描述物體、或質(zhì)點P的運動位置和軌跡。本文中的慣性系都是相同的，都具有相同的物理特性空間坐標和時間。
人們可以從兩個相互運動的慣性系之間，相互觀察對方慣性系上的物體運動和運動規(guī)律。物體的坐標位置，運動速度，動量變化，能量變化等等。這里，先研究一種最簡單的情況真實客觀地存在著的兩個相互平行的慣性系，同時客觀地存在的一個質(zhì)點P(或物體)。并且，每個慣性系以客觀的物理意義確定自己的時間在S系中的時間為t；在S′系的時間為t′。這樣，時間t和t′分別成為各慣性系的固有時間(內(nèi)在時間或自有時間)。令S′系以速度u相對于S系沿X軸正方向運動，在t′＝t＝0時刻兩坐標系的原點O、O′重合(見圖1)。
對于這兩個真實客觀的慣性系，如果沒有觀察，它們的相對運動情況將如何？1，首先，我們作為這兩個慣性系之外的第三者，知道這兩個慣性系是客觀存在的，及P點在這兩個慣性系上的坐標分別為x和x′。這里，如果不必借助物質(zhì)波觀察這些慣性系；或不必真正地觀察到慣性系的運動；或尚不能觀察到慣性系。即，我們沒有或不能觀察到慣性系，但不足以否定慣性系和質(zhì)點的存在或運動；也沒有充足的理由，認為慣性系與該質(zhì)點之間的關(guān)系不存在。或者說，它們是客觀存在的。由于，我們已經(jīng)確定本文中的慣性系都是相同的，可以有t′＝t。我們就能從速度的定義和位移迭加原理出發(fā)，及這兩個慣性系之間的數(shù)學(xué)上的關(guān)系，得到這樣最基本的坐標變換關(guān)系式---即伽利略變換關(guān)系式 2，然后，討論這兩個慣性系相互之間的關(guān)系。其中某個慣性系上的觀察者(物理學(xué)家)，得知與另一個慣性系的相對運動速度為u；由于，我們已經(jīng)確定本文中的慣性系都是相同的，可以有t′＝t。因此，他也可以知道另一個慣性系上的時間也是相同的，也有t′＝t，他也就能從速度的定義和位移迭加原理出發(fā)，及這兩個慣性系之間的數(shù)學(xué)上的關(guān)系，也得到這樣最基本的坐標變換關(guān)系式---即伽利略變換關(guān)系式 實際上，這是兩個相對運動的慣性系之間的客觀真實的坐標變換關(guān)系；并且，是與觀察用的物質(zhì)波(包括光波)無關(guān)的、或在我們觀察范圍之外的。無疑，這是人們根據(jù)客觀真實的、獨立存在于空間的相對運動的慣性系之間的關(guān)系，所確定的坐標變換式。所反映的是真實(本質(zhì))時空---有人稱之為絕對時空---中的慣性系之間的最基本的相對論變換式。不過，這種不借助于觀察用物質(zhì)波的慣性系之間的相互關(guān)系，是人們根據(jù)物理學(xué)最基本的原理，在數(shù)學(xué)上推導(dǎo)得到的相對性運動的關(guān)系式---相對論的最基本原理。對于慣性系上的觀察者而言，由于沒有或不能真實地觀察到另外一個慣性系或運動物體，沒有物理學(xué)意義。在物理學(xué)上，它可以成為研究相對性運動的最基本的理論基礎(chǔ)---相對性最基本原理。
因此，伽利略變換是關(guān)于真實的、非觀察的時間-空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
同時，根據(jù)這個相對性最基本原理，我們可以得出 ，u將可以是3000萬公里/秒(即100c---光速)。它顯示了慣性系之間的相對移動速度，不受任何因素的限制。即，相對速度可以是大于光速的任何值；甚至是無窮大。
但是，我們也需要從實際觀察的基礎(chǔ)，研究相對性運動關(guān)系；更需要了解慣性系之間相互觀察的實際結(jié)果。即，有真實物理意義的相對論。這就不得不借助于物質(zhì)波進行觀察。
事實上，我們知道在物質(zhì)世界中，如果沒有物質(zhì)波(如光波、聲波等)，我們根本無法看到物體的運動。在慣性系之間的觀察時，我們不得不利用物質(zhì)波進行觀察，才能真正地觀察到物體的運動。因此，必須考慮和注意物質(zhì)波的物理特性，特別是物質(zhì)波在慣性系中的物理特性。在所利用的物質(zhì)波中，最常用的是光波----一種觀察用的媒質(zhì)或中介物。以下，我們首先討論利用光波進行觀察時，在慣性系之間的觀察相對運動時的情況----在光波中的相對性理論。由于光波本身所具有的物理特性，會影響我們的觀察結(jié)果。觀察物體的運動時，必須考慮光波的物理特性對觀察結(jié)果的影響----產(chǎn)生有物理學(xué)意義的一種相對論理論和效應(yīng)。三、光波中的相對論---利用光波測量物體運動的相對性理論如果我們用光波作為慣性系之間，測量相互運動的物質(zhì)手段。即，如果圖1中的質(zhì)點P點是個光脈沖，那么兩個慣性系，才能夠都觀察到該質(zhì)點。雖然，兩個慣性系都能觀察到這個光脈沖了，但此時光波的特性可能會影響我們的觀察結(jié)果。在這兩慣性系之間相互觀察時，就應(yīng)當考慮光波的物理特性。
根據(jù)已有的、大量的光學(xué)實驗，我們已經(jīng)知道曾經(jīng)測量過的所有的慣性系中，光波的速度都為30萬公里/秒。在地球上，沿赤道測得的光速，與沿經(jīng)線方向測得的光速是相同的，也與在人造衛(wèi)星上測得的光速是相同的。所有的實驗使我們知道，在任何慣性系中光波的速度都是30萬公里/秒----即在任何慣性系中光波的速度都是相同的。因此，有光波的物理特性光波的速度在任何速度或方向的慣性系上，都是相同的。
因此，必須遵循光速不變規(guī)律在所有的慣性系中，自由空間(真空)中的光速都具有相同的量值c。
現(xiàn)在，也從最簡單的情況---兩個相互平行移動的慣性系之間的相對性運動著手。為此，設(shè)S′系以速度u對于S系沿X軸正方向運動，在t′＝t＝0時刻兩坐標系的原點O、O′重合。這時從共同的原點發(fā)出一個光信號。經(jīng)過一段時間后，S′系的原點到達圖1所示的位置，光信號的波陣面沿X(或X′)方向到達P點。根據(jù)光速不變原理，自S系和S′系分別觀察到P點坐標各為由于，兩個慣性系的相對運動速度u，將會有小于光速的與大于光速的兩類情況。在這兩類不同的慣性系中，光脈沖P將會有不同的方向。因此，先要區(qū)分0＜u＜c和u＞c的兩種的不同情況進行討論。
1，當0＜u＜c時的光學(xué)相對性理論——愛因斯坦的相對論對于S慣性系，慣性系S′的速度小于光(P點)的速度，正如圖1所示的情況。此時，有x＝ct，y＝0， z＝0x′＝ct′，y′＝0，z′＝0
(x′，t′)與(x，t)之間的變換關(guān)系，將是 我們得出 同樣令β＝u/c， 可以得變換關(guān)系x′＝γ(x-ut)，t′＝γ(t-βx/c)總起來說，對同一事件，自兩個慣性系觀察所得的兩組坐標(x，y，z，t)和(x′，y′，z′，t′)之間的變換式及其逆變換式分別為 這就是洛侖茲變換關(guān)系式，它能使麥克斯韋爾方程，保持形式上的不變性。但是，當u→±c時，有x′＝0和t′＝0；或x＝0和t＝0。該變換式失去物理意義。
2，相對論效應(yīng)a，長度收縮有兩個觀察者，從各自的慣性系S和S′對同一剛性棒的長度進行測量，S相對于S′以速度u運動。有L＝L0/γb，時間膨脹(和鐘慢)有兩個相對以速度u運動的慣性系S和S′，觀察相同的兩個事件。自S慣性系觀察到這兩個事件發(fā)生的時間間隔為Δt。會有Δt＝γΔt′c，同時性在一個慣性系中，前后發(fā)生的兩個事件，在另外的慣性系中其先后順序仍然是不可逆的。
d，相對論中的動量和質(zhì)量設(shè)兩個相對以速度u運動的慣性系。自一個慣性系中測得到一個質(zhì)點的質(zhì)量為m0。那么，自另外一個慣性系中，將測得該質(zhì)點的質(zhì)量為m=γm0=m0/1-v2/c2]]>e，相對論中的能量Ek＝mc2-m0c2f，質(zhì)能關(guān)系ΔE＝Δ(mc2)＝c2Δm。
3，幾個重要的疑問以上是用光波測量時、及當0＜u＜c時，兩個慣性系之間的相對性理論和效應(yīng)。實際上，這部分也是愛因新坦的相對論。應(yīng)當說明的是，愛因斯坦已有的相對論理論，缺乏更深刻的理論基礎(chǔ)，當時它產(chǎn)生于關(guān)于光速不變的假定。無法說明為什么是如此的，它的產(chǎn)生具有偶然性。因此，至今仍然有許多人不理解愛因斯坦的相對論；并且，所有的人都對愛因斯坦的相對論具有某些誤解。
a，速度沒有極限這主要表現(xiàn)在，當u→c時，物體的質(zhì)量m→∞。人們根據(jù)牛頓運動定律F＝ma，認為任何外力無法給該物體加速。因此，普遍認為c(光速)是物體運動的極限速度，任何物體的速度都不能超過光速。
這是由于人們誤以為所有的外力，都是從自己所在的、靜止的慣性系上施加到運動的物體上的。但是，事實上任何外力都是物質(zhì)運動的結(jié)果。如果施加在物體上的外力，是隨物體一起運動的，情況將完全不同。
例如，我們考慮一個運動的火箭，其靜止質(zhì)量為M0，(見圖3)。從地球上觀察，該火箭的速度為V→c，c是光的速度。從我們靜止的慣性系上，將測量得到該火箭的質(zhì)量M非常大 。但是，我們同時也測量得到，在該火箭內(nèi)的燃料的質(zhì)量m0，燃料的速度也接近V→c，測得的質(zhì)量m也是非常的大 。該燃料被從火箭尾部向火箭運動相反的方向噴射出來(從該火箭上看)。我們知道火箭的加速原理，是根據(jù)動量守恒定律，火箭燃料的反向沖量加速火箭。“無窮大”的火箭燃料能產(chǎn)生無窮大的反向沖量，仍然能夠給予質(zhì)量為“無窮大”的火箭加速。這里，較難找到合適的數(shù)學(xué)表達式。因此，當火箭的速度接近或等于光速時，仍然能夠被正常地加速。
因此，我們現(xiàn)在的關(guān)于當物體的速度接近光速時，物體無法被進一步加速；光速c是物體運動速度的極限。這樣的結(jié)論缺乏足夠的理由。它是物理學(xué)上一個最大的誤解。
b，相對論效應(yīng)的相互性l，長度收縮是相互的。目前，有人只注意到從一個慣性系S上，觀察另外一個慣性系S′中的尺度時L0，具有長度收縮效應(yīng)。有L0＝x2′-x1′＝γ(x2-uτ)-γ(x1-uτ)＝γ(x2-x1)＝γL；因此，為L＝L0/γ。
實際上，從另外一個慣性系S′上，反過來觀察慣性系S時，同樣看到長度收縮效應(yīng)。在S上，原棒長為L0′；從S′上將觀察得到該棒長為L′。我們也有L0′＝x2-x1＝γ(x2+uτ)-γ(x1+uτ)＝γ(x2-x1)＝γL′；因此，也為L′＝L0′/γ。如果L0′＝L0，將有L′＝L，即相對論性的長度收縮是相互的。
2，時間膨脹是相互的。同樣，有人只注意到從一個慣性系S上，觀察另外一個慣性系S′中的時鐘間隔Δt′時，具有時間膨脹效應(yīng)。有Δt＝t2-t1＝γ(t2′+βξ/c)-γ(t1′+βξ/c)＝γ(t2′-t1′)；因此，有Δt＝γΔt′。
同時，從另外一個慣性系S′上，反過來觀察慣性系S時，同樣看到時間膨脹效應(yīng)。在S上，原時鐘為Δ′t；從S′上將觀察得到該時鐘為Δ′t′。我們也有Δ′t＝t2′-t1′＝γ(t2-βξ/c)-γ(t1′-βξ/c)＝γ(t2-t1)；因此，也為Δ′t＝γΔ′t′。如果Δ′t＝Δt′，將有Δt＝Δ′t，即相對論性的時間膨脹是相互的。
3，質(zhì)量變化是相互的。同樣，有人只注意到從一個慣性系S上，觀察另外一個慣性系S′中的質(zhì)量m0時，質(zhì)量會有變化。有 同時，從另外一個慣性系S′上，反過來觀察慣性系S時，同樣看到質(zhì)量的變化。在S上，原有質(zhì)量為m0′；從S′上將觀察得到該時鐘為m′。我們也有 如果m0＝m0′，將有m＝m′，即相對論性的質(zhì)量變化也是相互的。
等等。
總之，相對論性的各種效應(yīng)都是相互的---相互運動的慣性系之間，相對論效應(yīng)是相同的、等效的。從S系觀察S′系所看到的，與從S′系觀察S系所看到的相同。單方面看待相對論，必定會導(dǎo)致誤解。
另外，相對論的長度收縮效應(yīng)，使物體的觀察尺寸有收縮，這似乎與凹透鏡的鏡像相似。以及，相對論的時間膨脹，使時間的觀察值有膨脹?？梢哉J為相對論效應(yīng)是一種相對性的鏡像。因此，相對性效應(yīng)是慣性系之間，相互觀察時的一種鏡像。相對運動的速度不受任何因素的影響，超光速的運動物體及慣性系是客觀存在的。四、當u＞c時的相對論效應(yīng)---超光速運動的相對論效應(yīng)1，光學(xué)相對論的基本理論(當u＞c時)當u＞c時的相對論理論和效應(yīng)，這是指超光速的相對性運動的情況。這里，我們必須暫時忘記愛因新坦的相對論。我們從第二節(jié)中，最基本的相對性原理出發(fā)，進行討論。
設(shè)S′系以速度u＞c相對于S系，沿X軸正方向運動，在t′＝t＝0時刻兩坐標系的原點O、O′重合。這時從共同的原點發(fā)出一個光信號。經(jīng)過一段時間t后，S′系的原點到達圖2所示的位置。在S系中光信號以速度c運動，光信號的波陣面，將沿+X軸的方向到達P點。自S系觀察到P點的坐標為x＝ct，y＝0，z＝0這里，特別要注意的是S′系是以超過這個光波的速度沿S系的+X軸的方向運動；而同時該光波在S′系中也應(yīng)當能夠被測量到，那么其仍然應(yīng)當是以c的速度運動。但是很明顯，光波在S′系中，卻應(yīng)該是以c的速度，沿-X′軸的方向運動的。根據(jù)光速不變的規(guī)律，自S′系觀察到P點的坐標為x′＝-cLt′，y′＝0，z′＝0(x′，t′)與(x，t)之間的變換關(guān)系為
我們必須有a11(x-ut)=(-1)(1-a112x)+a112uta11uc]]>得到 ?？梢粤瞀拢絬/c， 。這里，當c＜u＜2c時，有ω＞1；當u＞2c時，有ω＜1，便得變換關(guān)系x′＝ω(x-ut)，t′＝ω[t-(2-β)x/c]總起來說，對同一事件，自兩個慣性系觀察所得的兩組坐標(x，y，z，t)和(x′，y′，z′，t′)之間的變換式及其逆變換式分別為 在慣性系之間轉(zhuǎn)換時，能夠使麥克斯韋方程組的形式保持不變的，除了洛侖茲已有的變換式外，還有上述這樣的變換式。
超光速運動的速度變化式考慮從S系和S′系觀察同一質(zhì)點在某一瞬間的運動速度。設(shè)S系和S′系的觀察者分別測得的速度值為v(vx，vy，vz)和v′(vx′，vy′，vz′)，將有vx′=vx-u1-(2c-u)vx/c2]]>vy′=vyω[1-(2c-u)vx/c2]]]>vz′=vzω[1-(2c-u)vx/c2]]]>反過來也可得vx=vx′+u1+(2c-u)vx′/c2]]>vy=vy′ω[1+(2c-u)vx′/c2]]]>vz=vz′ω[1+(2c-u)vx′/c2]]]>以上是超光速的速度變換式。
2，超光速運動的相對論效應(yīng)超光速運動的相對論效應(yīng)將與愛因斯坦的相對論相似。我們有(1)長度變化設(shè)有兩個觀察者，從各自的慣性系S和S′對同一根剛性棒的長度進行測量。S相對于S′以速度u運動。(S和S′兩慣性系的情況如圖2所示)。已知這棒沿X，X′軸放置，并相對于S′系靜止不動。設(shè)S′系中的觀察者，測得棒兩端點的坐標為x1′和x2′，可知棒長為L0＝x2′-x1′。對S系中的觀察者，則必須在同一時刻t＝τ測得該棒兩端點的坐標，設(shè)分別為x1和x2，那么棒的長度即為L＝x2-x1。由相對論原理，有x1′＝ω(x1-uτ)，x2′＝ω(x2-uτ)，所以L0＝x2′-x1′＝ω(x1-uτ)-ω(x2-uτ)＝ω(x2-x1)＝ωL或 L＝L0/ω這就是說，與棒之間有相對運動的觀察者測量得棒的長度L，同與棒相對靜止的觀察者所測得棒的長度L0會有如此的變化當c＜u＜2c時，L比L0短；當u＞2c時，L比L0長。
(2)時間變化(和鐘變化)現(xiàn)在考慮自S和S′兩慣性系觀察兩個事件的時間間隔Δt和Δt′之間的關(guān)系。設(shè)一個事件在S′系中某點x′＝ξ處發(fā)生，用固定在S′系中的時鐘來量度，這事件發(fā)生于t1′時刻；另一事件也在x′＝ξ處發(fā)生于t2′時刻，兩者之間的時間間隔為Δt′＝t2′-t1′而從固定在S系中的時鐘來量度時，前一事件在t1時刻發(fā)生于處x1，后一事件則在t2時刻發(fā)生于x2處(注意x1與x2是不相等的)，而 ，所以S系中對這兩事件所測量出的時間是Δt=t2-t1=ω(t2′+(2-β)cξ)-ω(t1′+(2-β)cξ)]]>＝ω(t2′-t1′)＝ωΔt′也就是說，由對于事件發(fā)生的地點作相對運動的慣性系中量出的時間，與相對靜止的慣性系中所測量出的時間(稱為固有時間)相比，會有這樣的變化當c＜u＜2c時，時間Δt′0＞τ0更慢一些；當u＞2c時，時間Δt0′＜τ0要變快一些。用τ0表示固有時間，應(yīng)有Δt′＝τ0所以Δt＝ωτ0換句話說，一個時鐘由一個與它作相對運動的觀察者來觀察時，將與由與相對靜止的觀察者觀察時不同。
(3)同時性設(shè)自慣性系S觀察到兩個事件分別在兩a，b點處同時發(fā)生，a， b兩點相距Δx＝xB-xA≠0，而兩事件發(fā)生的時間間隔Δt＝tB-tA＝0，或tA＝tB。若S′系相對于S沿軸方向以速度u運動，據(jù)上述的變換，可得自S′系觀察到兩事件發(fā)生的時間間隔為Δt′＝tB′-tA′＝ω(2c-u)(xB-xA)/c2≠0即，自S′系觀察，兩事件將不是同時發(fā)生的。因為按上述變換，t′不只是與t有關(guān)，也與空間坐標x有關(guān)。所以凡是自一個慣性系觀察到是同時但在不同地點發(fā)生的事件，自另一個慣性系觀察將不會是同時發(fā)生的。經(jīng)過簡單的分析，還可以看出，如果在一個慣性系S′中既不同時也不同地發(fā)生的兩件事件(Δt＝≠0，Δx≠0)，滿足Δt-(2c-u)(Δx)/c2的條件，即Δt正好等于(2c-u)(Δx)/c2，則根據(jù)上述變換可得Δt′＝0，即自以速度u作相對運動的另一個慣性系S′觀察，倒可看到是同時發(fā)生的。
另外，設(shè)在S系中，t時刻在x處的質(zhì)點，經(jīng)Δt時間運動到x+Δx處。根據(jù)上述變換t′＝ω[t-(2c-u)x/c2]，故Δt′＝ω[Δt-(2c-u)Δx/c2]＝ωΔt[1-(2c-u)v/c2]，這里v是質(zhì)點運動的速度，因u＞c，所以Δt′必與Δt同號。即有因果聯(lián)系的事件，其先后順序仍然是不可逆的。[但是，根據(jù)Δt＝ωΔt′h+(2c-u)v/c2]，可以得到當u＞2c+c2/v時，Δt′與Δt有不同號的情況。似乎意味著在速度超過2c的部分慣性系中發(fā)生的事件的順序，在靜止的慣性系看來卻可能是逆順序的？](4)相對論中的動量和質(zhì)量如果保留動量的定義p＝mv不變。設(shè)S系以速度u相對于S′系運動，從兩個慣性系中看同一個質(zhì)量為m小球的動量，該小球以某個速度運動。自S系看來p＝mv；在S′系來看p0＝m0v0。根據(jù)動量守恒定律，從不同的慣性系中觀察，小球的動量不應(yīng)該變，即mv＝m0v0。但是，S′系是以速度u相對于S系運動。又有速度變換公式，最終可得 m＝ωm0＝m0/(u/c-1)很顯然，在超光速運動的慣性系中，物體的質(zhì)量也與相對運動的速度有關(guān)。當c＜u＜2c時，有ω＞1，質(zhì)量增加；當u＞2c時，有ω＜1，質(zhì)量變小。而當u→∞時，質(zhì)量將變?yōu)?。
(5)相對論中的能量從上面的相對論動力學(xué)基本方程出發(fā)，可推得相對論中動能的表達式，也可得出一個非常重要的關(guān)系式----質(zhì)能關(guān)系式。
據(jù)動能定理，當外力對物體做功時，物體動能的增量等于合外力對它所做的功。dEk＝F·ds＝F·vdt＝v·(Fdt)＝v·d(mv)。
為了簡化問題，下面只考慮物體受力的方向與其運動方向相同的特殊情況，所得結(jié)果對一般情況也普遍成立。設(shè)物體自速度c開始在方向恒定的合外力F的作用下，從位置a到位置b，速度由c增至u。由于F與v的方向總是相同的， ，因而在這過程中它所獲得的動能即為Ek=∫dEk=∫v·d(mv)=∫vd(m0vv/c-1)]]>可得Ek=∫cuvd(m0vv/c-1)=-m0c2∫cuv(v-c)2dv=m0c2[cv-c-ln(v-c)]cu]]>即就是靜質(zhì)量為m0的物體，以速率v運動時的相對論動能表達式，式中m＝ωm0＝m0/(u/c-1)為物體以速率v運動時的質(zhì)量。
(6)質(zhì)能關(guān)系式E＝f(mc2)表明，物體的質(zhì)量和能量這兩個重要的物理量之間也有著密切的聯(lián)系。如果一個物體的質(zhì)量發(fā)生Δm的變化，據(jù)上式可知，物體能量也一定有相應(yīng)的變化ΔE＝Δf(mc2)＝c2Δm·f(u)反過來，如果物體的能量發(fā)生變化，那么它的質(zhì)量也一定發(fā)生相應(yīng)的變化。
從上面的討論可知，超光速慣性系與其它慣性系之間的相對論效應(yīng)，與愛因斯坦已經(jīng)取得的u＜c時的相對論效應(yīng)相似。長度、時間、同時性、質(zhì)量、能量、質(zhì)能關(guān)系都會隨相對運動速度的改變，而發(fā)生變化。但是，變化的情況將與愛因斯坦的相對論效應(yīng)，有很明顯的不同。
上述的討論，是以愛因斯坦的思想為先導(dǎo)，首先從理論上推導(dǎo)出超光速運動的相對論效應(yīng)。但是，超光速物體運動的相對論效應(yīng)，將有待物理實驗的證實。五、聲波中的相對論---利用聲波測量時的相對論真實的、物理性的相對性運動的測量中，必須利用測量用的物質(zhì)(波)。否則，我們什么都觀察不到，什么都看不見。在相互運動的慣性系之間進行觀察時，除了光波外，我們也可以用聲波進行測量。當我們用聲波進行測量時，我們也必須考慮聲波的物理特性。
根據(jù)已有的、大量的聲學(xué)實驗，我們已經(jīng)知道曾經(jīng)測量過的所有的慣性系中，聲波的速度都為340米/秒。在標準的大氣狀態(tài)中，從行駛的火車，與飛行的飛機上測得的光速是相同的，也與從航行的輪船上的聲速是相同的，以及它們以任何方向運行時。所有的實驗使我們知道，在任何慣性系中聲波的速度都是340米/秒----即在任何慣性系中聲波的速度都是相同的。因此，有聲波的物理特性聲波的速度在任何速度或方向的慣性系上，都是相同的。
因此，必須遵循聲波不變規(guī)律在所有的慣性系中，標準大氣狀態(tài)中的聲速都具有相同的量值cs。
這里，聲波的速度為cs＝340米/秒。為此，我們?nèi)匀豢紤]兩個這樣平行運動的慣性系。設(shè)S′系以速度u對于S系沿X軸正方向運動，在t′＝t＝0時刻兩坐標系的原點O、O′重合。這時從共同的原點發(fā)出一個聲波信號。經(jīng)過一段時間后，S′系的原點到達圖1所示的位置，聲波信號的波陣面沿X(或X′)方向到達P點。根據(jù)聲速不變原理，自S系和S′系分別觀察到P點坐標各為由于，相對S系，有小于聲速的與大于聲速的兩類不同慣性系S′。在這兩類速度的S′系中，聲波將有不同的方向。這里，首先要區(qū)分0＜u＜cs和u＞cs的兩種不同情況。
A，當0＜u＜cs時----聲學(xué)相對論的基本理論及效應(yīng)0＜u＜cs1，基本理論。慣性系S′的速度小于聲波的速度，與圖1所示的情況相似x＝cst，y＝0，z＝0x′＝cst′，y＝0，z′＝0(x′，t′)與(x，t)之間的變換關(guān)系為 與光學(xué)相對論一樣，我們也可以求出 同樣令βs＝u/cs， ，可以得變換關(guān)系x′＝γs(x-ut)，t′＝γs(t-βx/cs)對同一事件，自兩個慣性系觀察所得的兩組坐標(x，y，z，t)和(x′，y′，z′，t′)之間的變換式及其逆變換式分別為 2，相對論效應(yīng)a，長度收縮有兩個觀察者，從各自的慣性系S和S′對同一剛性棒的長度進行測量，S相對于S′以速度u運動。有L＝L0/γsb，時間膨脹(和鐘慢)有兩個相對以速度u運動的慣性系S和S′，觀察相同的兩個事件。自S慣性系觀察到這兩個事件發(fā)生的時間間隔為Δt。會有Δt＝γsΔt′c，同時性在一個慣性系中，前后發(fā)生的兩個事件，在另外的慣性系中其先后順序仍然是不可逆的。
d，相對論中的動量和質(zhì)量我們能夠得到m=γsm0=m01-u2/cs2.]]>
e，相對論中的能量Ek＝mcs2-m0cs2。
f，質(zhì)能關(guān)系ΔE＝Δ(mcs2)＝cs2Δm。
B，當u＞cs時----聲學(xué)相對論的基本理論1，基本理論。為此，我們?nèi)匀豢紤]兩個這樣平行運動的慣性系。設(shè)S′系以速度u對于S系沿X軸正方向運動，在t′＝t＝0時刻兩坐標系的原點O、O′重合。這時從共同的原點發(fā)出一個聲波信號。經(jīng)過一段時間后，S′系的原點到達圖2所示的位置，聲波信號的波陣面沿X(或X′)方向到達P點。根據(jù)聲速不變原理，自S系和S′系分別觀察到P點坐標各為同樣，我們有x＝cst， y＝0， z＝0x′＝-cst′，y′＝0，z′＝0(x′，t′)與(x，t)之間的變換關(guān)系為 與光學(xué)相對論一樣，我們也可以求出 可以令βs＝u/cs， ?？梢缘米儞Q關(guān)系x′＝ωs(x-ut)，t′＝ωs[t-(2-βs)x/cs]對同一事件，自兩個慣性系觀察所得的兩組坐標(x，y，z，t)和(x′，y′，z′，t′)之間的變換式及其逆變換式分別為 2，相對論效應(yīng)a，長度收縮有兩個觀察者，從各自的慣性系S和S′對同一剛性棒的長度進行測量，S相對于S′以速度u運動。有L＝L0/ωs＝L0(u/cs-1)b，時間膨脹(和鐘慢)有兩個相對以速度u運動的慣性系S和S′，觀察相同的兩個事件。自S慣性系觀察到這兩個事件發(fā)生的時間間隔為Δt。會有Δt＝ωsτ0c，同時性在一個慣性系中，前后發(fā)生的兩個事件，在另外的慣性系中其先后順序仍然是不可逆的。
d，相對論中的動量和質(zhì)量有m＝ωsm0＝m0/(u/cs-1)。
e，相對論中的能量Ek=m0cs2[csv-cs-ln(v-cs)]csu]]>f，質(zhì)能關(guān)系ΔE＝cs2Δm·f(u)聲學(xué)中的相對論是存在的，并與光學(xué)中的相對論相似。聲學(xué)中的相對論效應(yīng)將很快被實驗所證實。五、廣泛的相對論(理論上的歸納)我們知道我們對客觀物理世界的測量，基本上是以光波作為觀察手段的。事實上，我們也可以用聲波來測量物體的運動，例如聲納、超聲波等等，某些海洋動物的觀察手段的確是應(yīng)用了聲納。甚至，我們將來可以用電子波、引力波等等物質(zhì)波，來測量物理對象。也就是說，由于物質(zhì)波具有直線性、反射性，以及對被測量對象的干擾幾乎可以被忽略，各種各樣的物質(zhì)波都可以被用以測量物理對象。
通過前面幾章的討論后。同樣，如果我們也在各種物質(zhì)波中，建立各種慣性系。并且，也可以假定在各種慣性系中，物質(zhì)波也具有相同的速度；各種物理定律和物理現(xiàn)象和物理常數(shù)，在各種慣性系中也相同。那么，我們也就可以在各種物質(zhì)波中，建立統(tǒng)一的相對論理論。
我們可以仿照愛因斯坦的相對論理論，和本文的超光速和聲波中的相對論理論，推導(dǎo)在某種物質(zhì)波中的相對論理論。令，某種物質(zhì)波的速度為cM，并建立兩個相對運動的慣性系S系和S′系，它們的相對速度為u。也在這兩個慣性系S系和S′系中，分別建立坐標系在S系上為XYZ；在S′系X′Y′Z′。并使只要S系的三個坐標軸與S′系的三個坐標軸各自相互平行，并且兩系的相對運動方向是沿X(和X′)軸進行的。那么，就同一個事件，在這兩個坐標系中的坐標點位置，分別為(x，y，z，t)點和(x′，y′，z′，t′)點，并且，也總是有y′＝y(tǒng)，z′＝z那么，a，也有當0＜u＜cM時，對同一事件，自兩個慣性系觀察所得的兩組坐標(x，y，z，t)和(x′，y′，z′，t′)之間的變換式及其逆變換式分別為 式中γM=11-u2/cM2;]]>b，也有當u＞cM時，對同一事件，自兩個慣性系觀察所得的兩組坐標(x，y，z，t)和(x′，y′，z′，t′)之間的變換式及其逆變換式分別為 式中ωM=1u/cM-1.]]>廣泛的物質(zhì)波的相對論效應(yīng)，更是有待于將來的物理實驗證實。六、總結(jié)1，相對性鏡像通過上面的討論，我們知道在S′系中的自有坐標x′和長度L′，在另外一個S系看來卻是x＝γ(x′+ut′)或x＝ω(x′+ut′)；及L＝L′/γ或L＝L′/ω?？梢哉J為原有的物理形象，在相對論性過程中，產(chǎn)生了變化。因此，相對論效應(yīng)是人們觀察相對運動的物體時，所得到的一種變形后的物理鏡像---可以稱為相對性鏡像。(還有，在S′系中的自有時間t′或Δt′，在另外一個S系測量時，卻得到t＝γ(t′+ux/c2)或t＝ω[t′+(2c-u)x′/c2]?？梢哉J為原有的時間，在相對論性過程中，產(chǎn)生了畸變后的時間的鏡像。)不過，我們只能通過觀察這種鏡像，才能間接地了解物體真實的運動情況。正如人們從反射鏡所看到的物體的反面的鏡像；或在放大鏡、或望遠鏡、或顯微鏡、或凹透鏡或引力透鏡中所看到的物體被放大、或縮小后的鏡像。在這些光學(xué)儀器中，物體的真實形象被光學(xué)儀器及光波反轉(zhuǎn)或放大或縮小。
另外，特別是在哈哈鏡中所看到的物體被扭曲后的鏡像---不反映真實物體的形狀。但是，如果不利用光學(xué)儀器及光波，我們就無法看見那些物體。
更重要的是相對論性鏡像，使我們看到了質(zhì)量與能量之間的關(guān)系。
2，為此，我們可以得到這樣的結(jié)論a，一個真實的運動不同于它被觀察的情況。
b，相對論效應(yīng)不僅存在于低于光速的各個慣性系之間，也存在于各種速度(包括大于光速u＞c)的各種慣性系之間。
c，相對論效應(yīng)不僅存在于以光波為測量手段的各慣性系之間，也廣泛地存在于用各種物質(zhì)波測量的各個慣性系之間。
d，兩個慣性系之間相對論性的各種效應(yīng)都是相互的；相對論效應(yīng)是相同的、等效的。
e，相對論效應(yīng)是一個慣性系中，真實物理世界的鏡像。
因此，從理論上，我們解決了超光速運動的物理原理，消除已有的關(guān)于相對論理論中速度極限的限制。同時，只要運輸工具自身攜帶足夠的燃料，不斷地加速，最終將可以實現(xiàn)超過光速的運動速度。
權(quán)利要求
1，一種超光速運行的運輸方法，其特征在于運輸工具是以廣泛的相對論理論，作超光速運動的。
2，一種超光速運行的運輸工具，其特征在于運輸工具自身攜帶有足夠的燃料箱，不斷地加速，直至運行速度超過光速。
全文摘要
物理學(xué)上,現(xiàn)有的相對論理論認為光速是運動物體的速度的極限,因此不再嘗試著超光速運行的運輸工具的設(shè)想和發(fā)展。本方法首先從物理理論上,探討了廣泛的相對論理論,該新理論認為超光速運動,是可以實現(xiàn)的,同時也提出了其運動的特征及如何測量該類運輸工具。
文檔編號B64C39/00GK1351943SQ0012731
公開日2002年6月5日 申請日期2000年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月9日
發(fā)明者高波 申請人:高波