不同惯性参照系的时间和空间属性

志勰

提出一个物理描述实例,此说明相对论和牛顿力学具有描述的等效性。


        在相对论中,不同惯性参照系中的空间观念是不同的,表现为沿运动方向的长度发生变化。即:所说的“尺缩”现象。本篇通过不同惯性参照系间的比较,来说明这个问题。

        我们对空间长度进行比较,首先我们必须确定比较长度的方法。我们根据相对论可以判断,在不同参照系中,同样的一个物体在沿运动方向的长度是不同的。相对论把这种现象叫做长度收缩。在较明显的物体长度收缩发生在非常高的速度状态,因此这样的一个结论只能是相对论的理论结果。由于任意一个时刻,物体想对于观测参照系的位置都是瞬时的,那么,我们不能通过对实体的实验测定来判断这样的理论预言是否正确。

     针对于实物沿运动方向的长度我们不能进行观测测定。那么,空间的属性我们只能依赖于物体在不同参照系中运动时所反映的情况来判断了。

我们先来看一看判断方法:

      如果我们判断同样大小的一个物体,在两个惯性参照系中在沿运动方向物体长度会存在不同,我们必须有一个可供比较的比较方法,对于实验观测,那么最好的方法就是将两个惯性参照系中的物体放到同一个观测参照系中处理,并且在观测参照系中去确定两个物体在沿运动方向是否存在空间长度的不同。

   相对论确定了不同参照系中物体同时的相对性,我们在这个基础上的确是不能进行比较的。但好在相对论存“在物体在空间长度的收缩于运动的垂直方向无关。”那么,我们可以将观测点建立在沿运动的垂直方向(或者近乎垂直的方向),这样,我们就可以对相对论的空间效应进行比较了。

   但是,实际上由于高速的问题,可以说我们不能进行这样的实验,我们不能通过空间观测来比较不同参照系在运动方向上的长度上的计量结果。那么,是否还存在其它的方法呢?

一种判断方法:

    如图:我们测定物体a、b沿运动方向在静止时的长度,测定A、B两点间的长度,A、B和观测点间的长度,这里需要说明一下的是我们现在测定的空间几个点之间的长度是相对于观测点参照系的长度。我们假设a、b两个物体分别在两个惯性参照系之中,并且物体a、b的速度相差很大,有足够可观侧的长度收缩的量。我们在AB两点分别放置两个经过校准的时钟,那么我们在沿垂直的方向上进行观测a、b两物体掠过A、B两点的时间,这样我们就可以在理论上对“尺缩”现象进行判定了。

    xdldkjwt001.jpg (13007 字节)

  在这种判断方法中需要注意的问题:

     在观测参照系中所测定的a、b两物体的速度,所表示的仅是a、b两物体在静止参照系测定的速度,不表示它们在不同参照系里单位时间里(以静止参照系的时间单位来算2000.9.7   16时56分纠正)所运动的距离。两个参照系里的长度单位是不同的。这一点从速度的关系上m/s可以看出来。时间和长度都按cgwyd-2.gif (956 字节)进行相同的变化。两个物体从A运动到B,相对论和牛顿力学通过不同的定义体系对这个运动过程的描述是等效的。在如上所作的图例中,如果采用牛顿力学和相对论对A、B两点间的任意距离采用相对论和牛顿力学进行预言,那么,两种理论的结果(如果是时间和沿运动方向长度上的预言)只要加入一个时间和长度的收缩因子cgwyd-2.gif (956 字节),那么,两种理论的预言结果是一致的,没有任何的不同。

  在不同参照系中,由于存在时间和空间的转换因子cgwyd-2.gif (956 字节),那么我们在理论上不能比较出采用牛顿力学和相对论两种定量体系存在任何描述的不同,两者在计量物体的高速运动上是等效的。

两种描述体系对物理概念的对应

    在相对论中,定义了不同参照系间的相对的同时性,这使得我们不能从运动的方向上对两个物理描述体系在时间上进行任何的比较(好在,沿垂直运动方向上可以进行比较,这依赖于两个惯性参照系的同时性的概念)。在空间上,相对论又定义了沿运动方向上不同惯性参照系间的长度标准。那么,相同的两点之间的距离,如图中的A、B两点,两个惯性参照系中长度的大小也是不同的。我们从图中的例子可以看出,两种描述体系虽然定义的时间和长度的概念存在不同,但是,在对物理世界的描述上具有等效性。

    但是,两种定义体系使得我们不能从对物理事件的描述上进行判断,这是因为相对论对同时性定义的不同,我们不能对相对论和牛顿力学所设计的时间和空间概念进行任何的比较。(传统中对时间和空间的证明,如:环球飞行的铯原子钟、飞行的介子寿命等实验上的证明是存在问题的,不足以证明时间的膨胀和空间的缩短,时间的膨胀在空间的各向同性中作过说明,空间缩短我会在未来的时间和空间的逻辑结构中做出说明)

    时间和空间物理概念的定义是依赖于我们的定义体系的。时间对应于事件的某种流程度量,空间对应于物质的某种度量属性。在某种意义上来说,这依赖于我们对物质世界的描述定义体系。

2000.9.6