1.时空的相对性.docx

时空的相对性

19世纪末的爆发的第三次数学危机，导致了后起之秀——操作主义思潮在欧洲横行，对于物理学的直接作用就是物理量的可测量性问题.如今人们已经明白，不能要求所有基本物理量都具有所谓的测量性.但是基本定律所给出的物理量的解，原则上必须具有可测性.放宽地讲，不要求基本原理本身的每一个物理量均具有可测量性.个别物理量数学上能够满足伽利略的思想实验即可.贝索说：“牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中说，时间是绝对的，空间也是绝对的.绝对的意思就是和一切事物都没有关系.既然空间、时间和任何事物都没有关系，你又怎么知道空间和时间存在呢？”一般认为，牛顿提出了绝对时空观，实际上，这是片面的.牛顿说“我没有定义时间、空间、处所和运动，因为它们是人所共知的.唯一必须说明的是，一般人除了通过可感知客体外无法想象这些量，并会由此产生误解.为了消除误解，可方便地把这些量分为绝对的与相对的，真实的与表象的以及数学的与普通的.”所以，牛顿的时空观既包含绝对时空，也包含相对时空.

在爱因斯坦的思维中这纯粹是运动学的问题，为了讨论这个问题他假定了一个理想的刚杆测量系统和一个基于理想时钟的时间测量系统，他没有假定这两个测量系统会随着观测者的不同运动状态而有所改变.经过对空间测量系统以及物体的运动对于空间测量系统的改变的分析发现正是此假设隐含着绝对空间的假设.在高速运动状态或者宇观世界里，物质的引力质量比较大，影响了空间与时间的结构，此时以相对空间为主.^【1】（笔者注：后面将要说明相对空间即物体激发的引力场，绝对空间是宇宙中所有引力质量激发的引力场）在广义相对论中，空间和时间不再是与物理学的其它方面无关的了，物体的几何特性和钟的运动依赖于引力场，这些场本身又是物质产生的.在广义相对论中，过程持续性、空间尺度、粒子引力质量以及有限与无限的观念也是依赖于参考系的.

下面的考虑是以相对性原理和真空光速不变原理为依据的，这两条原理我们定义如下：

1、物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系.

2、任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度V运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的.由此，得：

这里的“时间间隔”是依照§1中所定义的意义来理解的.

设有一静止的刚性杆；用一根也是静止的量杆量得它的长度是L.我们现在设想这杆的轴是放在静止坐标系的X轴上，然后使这根杆沿着X轴向x增加的方向做匀速的平行移动(速度是ν).我们现在来考查这根运动着的杆的长度，并且设想它的长度是由下面两种操作来确定的：

a)观察者同前面所给的量杆以及那根要量度的杆一道运动，并且直接用量杆同杆相叠合来量出杆的长度，正像要量的杆、观察者和量杆都处于静止时一样.

b)观察者借助于一些安置在静系中的、并且根据§1做同步运行的静止的钟，在某一特定时刻t，求出那根要量的杆的始末两端处于静系中的哪两个点上.用那根已经使用过的在这种情况下是静止的量杆所量得的这两点之间的距离，也是一种长度，我们可以称它为“杆的长度”.

由操作a)求得的长度，我们可称之为“动系中杆的长度”.根据相对性原理，它必定等于静止杆的长度L.

由操作b)求得的长度，我们可称之为“静系中(运动着的)杆的长度”.这种长度我们要根据我们的两条原理来加以确定，并且将会发现，它是不同于L的.

通常所用的运动学心照不宣地假定了：用上述这两种操作所测得的长度彼此是完全相等的，或者换句话说，一个运动着的刚体于时期t，在几何学关系上完全可以用静止在一定位置上的同一物体来代替.

此外，我们设想在杆的两端(A和B)，都放着一只同静系的钟同步了的钟，这些钟在任何瞬间所报的时刻，都同它们所在地方的“静系时间”相一致；因此，这些钟也是“在静系中同步的”.

我们进一步设想，在每一只钟那里都有一位运动着的观察者同它在一起，而且他们把§1中确立起来的关于两只钟同步运行的判据应用到这两只钟上.设有一道光线在时间①（注：① 这里的“时间”表示“静系的时间”，同时也表示“运动着的钟经过所讨论的地点时的指针位置”）.从A处发出，在时间于B处被反射回，并在时间返回到A处.考虑到真空光速不变原理，我们得到：

和

此处表示运动着的杆的长度——在静系中量得的.因此，同动杆一起运动着的观察者会发现这两只钟不是同步运行的，可是处在静系中的观察者却会宣称这两只钟是同步的.

由此可见，我们不能给予同时性这概念以任何绝对的意义；两个事件，从一个坐标系看来是同时的，而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来，它们就不能再被认为是同时的事件了.

微观领域中，当一个粒子轰击另一个粒子时，分离后的粒子的空间尺度不一定比原来的小，此时指的是相对空间.相对时间是宇宙中一切具体物质系统的时间方向性，是由它本身的内在矛盾及其与环境的相互作用而决定的.爱因斯坦说：没有场的空间是不存在的.时空和场是一个互相制约、互相依存的整体，是一个东西的两种不同的表述，理解物理时空就是理解场.爱因斯坦一直所说的就是“时空就是引力场”.时空是由场表征的，前者是后者的本质，后者是前者的显现，这可以从作为广义相对论基础的“等效原理”中看出.场作为时空的表征，只是一种数学工具.在几何纲领中，场就是时空，时空就是场，没有区别.引力场的本质是时空，是爱因斯坦所发展的几何纲领的要求.

参考文献

【1】（英）牛顿 原著.王克迪  译.袁江洋  核.《自然哲学之数学原理》，陕西人民出版社.