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天上方一日,地上已十年 — 论事物状态的相对性与绝对性

已有 3462 次阅读 2020-5-24 10:47 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记

“天上方一日,地上已十年”本来是中国古代人想象出来的神话,不过,现代人根据星球转动的不同周期来说明这句话的可能性。据此说来,天上一日,地上一年、十年、百年皆有可能。那么,这种相对性的说法究竟有何意义呢?

相对性是人们对客观事物的一种主观感受。相对性问题涉及范围十分广泛,例如:时空的相对性、运动的相对性、审美的相对性、真理的相对性,等等。归纳起来,物理学中的相对性包括时间相对性、运动相对性和测量相对性。“天上一日,地上十年”属于时间相对性问题。时间相对性最戏剧化的传说当属相对论大师爱因斯坦“美女与火炉”的故事。运动相对性是指对于同一个物体,当选取不同的空间参照系时,人们可以说它是处于静止的、运动的或加速的状态。测量相对性是笔者提出的重要概念,它是指对于同一个事物,当选取不同的参考物作为测量单位时,将使人产生不同的心理感受。许多人都有“少小离家壮年归,故道重游方觉窄”的体验。如果某人儿童时的步距是壮年时步距的一半,走过同样一条街道,成年人会觉得道路变短了。这就是测量相对性效应。

如果说相对性是人们对事物的主观感受,那么,绝对性就是指事物的客观状态。因此,相对性属于主观范畴,绝对性属于客观范畴。那么,与物理相对性所对应的绝对性是什么呢?就运动相对性而言,经典和现代相对论告诉我们,运动的绝对性是指物体的运动与参考系选择无关,其数学表达形式为伽利略变换不变性、洛伦兹变换不变性和爱因斯坦时空度规变换协变性。就时间相对性而言,现实物理学指出,时间的绝对性要求时间的流逝与人们所处的环境无关,其数学表达形式是时间的空间平移不变性。通俗地讲,就是天上和地上的时间是一样的(天地同时)。例如,“天上一日,地上十年”表示1天日=10地年。如果1地年=365地日,那么1天日=3650地日。一旦确定了这个天地同时的标准,地上一年和地上百年的说法不能同时成立,这是绝对性的意义所在。就测量相对性而言,现实物理学指出,测量的绝对性要求客观物体的状态与测量标准的选择无关,其数学表达形式是物理量的标度(测量单位)变换不变性。以前述“故道重游方觉窄”为例,1成人步距 = 2儿童步距,一条1000儿童步距的街道,成人500步就走完了。与儿童时期相比,成年后再走同一条街会有道路变短的感觉。尽管如此,这条街的实际长度并无变化,这是绝对性的意义所在。

现实物理学是如何消除相对性效应的呢?首先,现实物理学严格定义了实时间概念,以消除时间相对性效应。实时间的定义是 image.png ,其中ts是时间的标度,image.png 是时间的数字。标度是与空间位置无关的标量,表明时间的空间平移不变性。数字是自然数序列,表明时间的均匀性(不可压缩性)和单向性(不可逆性)。现实物理学还规定了时间同步协议用以确定时间的起点。第二,现实物理学的客观性原理确定了物理方程的标度无关性规则,以消除测量相对性效应。标度无关规则要求物理量具有标度变换不变性。物理量以实数量形式表示为标度和数字的乘积 image.png,实数量是客观量和绝对量,标度是主观因子,数字是相对因子。分解出标度(主观因子)以后,物理方程的实数量(绝对量)关系和数字(相对因子)关系等价。第三,现实物理学的客观性原理确定了物理方程的原点无关性规则,以消除运动相对性效应。原点无关规则要求空间参考点(原点)不能出现在方程中,粒子的空间位矢只能以位移量和间隔量出现(请参阅笔者相关论文和博文“上帝的归上帝,人类的归人类   谈现实物理学的客观性原理”)。

事实上,测量相对性具有更广泛的意义,它是日常生活中一个非常通俗的概念。例如,大与小、短与长、轻与重、快与慢、高与矮、美与丑、好与坏,等等。测量相对性也可以称为通俗相对性(popular relativity)。测量相对性来源于对事物的评价,对同一事物采用不同的标准可能导致不同的评价结果。这里,评价对象是客观的、绝对的,评价标准是主观的,评价结果是相对的。这可以称为通俗相对论原理。从本质上讲,测量是选择参考物对事物进行量化的过程,而选择参考物是个主观因素。从这个角度看,客观性原理包含了通俗相对论原理。客观性原理的重要突破在于为通俗相对论建立了一个数学模型,这个模型就是实数量的概念和表示。用实数量表示的评价对象的状态具有绝对性意义,评价的结果(数字因子)因采用的标准(标度因子)不同而具有相对意义。这种认识概括了从自然到社会的大量事实和普遍现象。现实物理学依据通俗相对性原理,采用标度变换不变性取代坐标变换不变性和时空度规变换协变性,这是对现有理论的变革,这种变革是现实物理学具有统一性和普适性的重要基础。

时间相对性也是通俗相对性的一种,爱因斯坦曾用这种通俗观点解释他的相对论。他说:当一个男人和一个美女坐一个小时,就好像一分钟。但让他在火炉上坐一分钟,会感觉比一小时还长。这就是相对论。最初听到这个美女与火炉的故事,物理专业学者会以为这是爱因斯坦在早期科普讲座中为增加趣味性添加的佐料,很少有人当真。可是考证下来,这并非是爱因斯坦的玩笑话。据说,1938年爱因斯坦在《放热科技杂志》(Journal of Exothermic Science and Technology.1938,Vol.1, No.9)上发表一篇题为“外部感觉输入对时间膨胀的影响(On the effects of external sensory input on time dilation)”的短文。他在文中介绍了自己的实验(严格地讲,只能算体验),以亲身经历得出结论:观察者的心理状态对时间的感知起着至关重要的作用。这里,“观察者的心理状态”隐含着观察者的主观标准,它是因人随时而变的因素。因为这个结论的主观色彩太浓,也不符合他一贯坚持的实在论立场,爱因斯坦关于美女与火炉的实验和文章一直被当成笑话(据说这篇文章被发表在“笑话”栏目)。

注意到这篇短文发表的时间是1938年,那时,狭义相对论已发表了33年,广义相对论也发表了23年。当时的爱因斯坦早已登上科学神坛,他为什么还要冒着火烧屁股的风险干这种被人笑话的事呢?在笔者看来,这是爱因斯坦继运动相对性之后对时间相对性的一种深入思考。尽管爱因斯坦因创建相对论被封神,但是他从未对自己的理论抱有坚定的信心。他曾经说过:我感到我的工作没有任何一个概念会很牢固地站得住脚,我也不敢肯定我所走的道路一定是正确的,¼¼它肯定会被一个新的理论所取代。美女与火炉实验应该是爱因斯坦对相对性概念和时空本性的新探索。遗憾的是,他不可能得出天地同时这个结论,因为他受限于自己创立的广义相对论的时间因地而异的局域时空观。(关于美女与火炉的传说和评论可参见俄罗斯科学家Z. K. Silagadze的文章。https://southerncrossreview.org/82/silagadze-einstein.html


论文下载:Outline of Real Physics. Global J. Sci. Front. Res. 2020,20(3A):9-27




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