狭义相对论中的几个基本概念（1）

科学网著名博主刘全慧在其最近一篇被精选博文《爱因斯坦攻击量子力学所凭何据?》中，曾指出：“要批判量子力学，必须站在量子力学之外。类似地，批评相对论或热力学，就要站在相对论或热力学之外”。我很赞同这种看法，我还认为，即使为了更深入理解量子力学或相对论，或者为了更全面讲述量子力学或相对论，也最好站在量子力学或相对论之外看一看。

其实，讲述量子力学或相对论，可以按照不同的方法，遵循不同的理论体系。本文只谈相对论。例如，著名相对论学者Synge 在其著作 Relativity:the special theory 中关于狭义相对论的理论体系就与爱因斯坦的理论体系不相同。爱因斯坦讲述狭义相对论的理论体系是：一开始就讲光速不变原理，随后介绍洛伦兹变换，接着便解释钟慢尺缩，这种讲法使初学者很难接受那些与牛顿力学很不相同的现象。Synge讲述狭义相对论的理论体系是：先讲一些狭义相对论中基本概念，如事件、时空、坐标及坐标系、时间及空间、世界线、标准钟、间隔等等，这种讲法易于使初学者通过对牛顿力学的推广来接受那些与牛顿力学很不相同的现象。本文将在学习Synge的著作 Relativity:the special theory 的基础上，科普性地介绍狭义相对论中的几个基本概念。

一、事件

首先强调一下，本文只限于讨论宏观现象，即认为在本文所讨论的问题中，物质的微观结构和量子现象可忽略不计，不予考虑。

在物理学的宏观现象中，物质常表现为一个个的物体或者一个个的物质场（如电磁场等），而物体及物质场都可以看成是由一群质点所组成的，因之，物质可以看成是质点的集合。物质存在于空间之中，这也就是说，组成物质的质点在空间占有一定的位置；物质可能运动或者物质的状态可能发生变化（例如两片分别荷有正、负电的乌云因放电发出电闪光，在电闪光之前，分别荷有正、负电的、组成乌云的质点因静电力相吸而运动接近，闪电时发出一束光波、即电磁波在空间传播），这往往对应着组成物质的质点于一定的时间内在一定空间范围中的运动。一个质点在空间的位置可用一几何点来表示，一个质点运动的瞬刻可用时计来测定。在牛顿力学和相对论中都是这样做的。

     人们的日常经验和物理实验事实告诉我们，描述空间几何点的位置需要三个独立变量（x,y,z），称为空间独立坐标，描述时间瞬时需要一个独立变量t ，称为时间独立坐标。在物理学上，把任一瞬时发生在位于空间任意一点的现象都称为一个事件（如火箭发射时离开起飞架的瞬间，炸弹击中目标时爆炸的瞬间等等），一个事件可用它的时空独立坐标（t,x,y,z）或（ct,x,y,z）来表示。独立坐标（常简称坐标）的个数称为维数，目前公认的空间独立坐标为3，我们便说空间为3维，时间独立坐标为1，我们便说时间为1维，因而时-空为4维。由于超弦和M理论的研究，提出了空间高于3维的可能性；但高于3维的空间是否存在，在物理学上还没有证实。

时间坐标可用一条有向直线上的点来表示。有向直线是有方向的，时间的流逝也有方向，它总是由‘过去’指向‘未来’。