試論物理學(xué)時間和空間的關(guān)系-預(yù)覽頁
【正文】 表示時間的數(shù)軸（時間軸）上，時刻用點表示，時間間隔用線段表示。如果?t等于零，則說明事件A和事件B是同時發(fā)生的。對空間的度量，包括了對物體的體積（三維空間）、面積（二維空間）和長度（一維空間）的度量。在當(dāng)時的國際單位制中，米是用地球子午線全長的四千萬分之一來定義的。它以參照物上某一個固定點為原點O，從此原點沿3個互相垂直的方向引3條直線作為坐標(biāo)軸，通常分別叫做x，y，z軸。在x軸上，位置A的空間坐標(biāo)記為xA，0，0，位置B的空間坐標(biāo)記為xB，0，0，兩位置之間的空間距離（長度）記為?l，則：?l=xBxA （2）由于對體積、面積、長度等空間大小的度量，本質(zhì)上就是對長度的度量?！盵2]19而對于空間，他又說：“絕對的空間，就其本性而言，與外界任何事物無關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動的。同樣，在測量的精確范圍內(nèi)，同一物體的長度也不隨慣性參考系的選擇而變化。 牛頓相對性原理和伽利略坐標(biāo)、速度變換經(jīng)典力學(xué)主要是研究物體運(yùn)動的，運(yùn)動就是位置的變化，由于位置總是相對某物體而言的，所以描述運(yùn)動必須先得選定參考系。為了從絕對時空觀推導(dǎo)出這一原理，我們可以運(yùn)用坐標(biāo)系的變換來說明：設(shè)有兩個參考系，分別以直角坐標(biāo)系S（O，x，y，z）和S39。z39。中分別有兩個結(jié)構(gòu)完全相同的秒表，這兩個秒表可與各自參考系一起運(yùn)動，并與各自參考系保持相對靜止，分別測量各自參考系內(nèi)的時間間隔，且兩個鐘都以兩坐標(biāo)系重合的時刻作為計時零點開始計時。位置記為（x39。下面我們就來推導(dǎo)不同參考系中的時間和空間的關(guān)系：根據(jù)絕對時間的概念，我們可以得到：t=t39。=z （6）將式（3）～式（6）寫在一起，就可以得到下面的一組變換公式：x39。=t （7）式（7）這組公式就是伽利略坐標(biāo)變換，我們可以清楚地看出，它是由絕對時空觀推導(dǎo)出來的，這說明時間和空間的測量與參考系的相對速度無關(guān)，即時間和空間是“絕對的”。dt39。dt39。=vz （9）式（9）這組公式就是伽利略速度變換，它說明在不同的慣性系里，共線的速度是線性疊加的，它亦是由絕對時空觀為基礎(chǔ)的所得出的。=a （11）式（11）說明同一物體在所有慣性系內(nèi)的加速度是一樣的。=m39。因此，我們說力學(xué)定律在慣性系中是協(xié)變的，這就是所謂的牛頓相對性原理。 光速引起的困難著名的物理學(xué)家麥克斯韋總結(jié)了電場和磁場的各種普遍的基本規(guī)律之后，發(fā)現(xiàn)了電場和磁場之間的關(guān)系：CB?dr=μ0ε0ddtsE?dS （14）CE?dr=ddtsB?dS （15）從式（14）和式（15）我們可以看出電場和磁場之間的關(guān)系，簡單來說，即變化的電場可以產(chǎn)生磁場，變化的磁場也可以產(chǎn)生電場。對比式（9）和式（16）我們可以看出，光速不變原理與伽利略速度變換互相矛盾，仔細(xì)推敲一下我們不難發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生矛盾的根源其實就在于絕對時空觀。正是這對“矛盾”，促使了經(jīng)典時空觀向狹義相對論時空觀發(fā)展。針對這一點愛因斯坦做了兩個大膽且合理假設(shè)：第一，包括電磁規(guī)律在內(nèi)的所有物理規(guī)律，對所有慣性系都是一樣的，不存在任何一個特殊的慣性系。針對這一點，現(xiàn)在我們從這兩條假設(shè)出發(fā)，推導(dǎo)出一套新的坐標(biāo)變換公式，用以探討有別于經(jīng)典時空觀的嶄新的時空性質(zhì)。y39。系中觀測，我們可以得到：x39。=tuc2x1u2c2 （20）由于垂直于相對運(yùn)動方向的長度測量與參考系無關(guān)[3]90，我們可以得到：y39。=y，z39。 對時空性質(zhì)的重新認(rèn)識時間延緩和長度收縮在S系中觀察某一運(yùn)動（或某兩個事件）的時間間隔記為?t，x軸上某兩位置之間的長度記為?l，在S39。1u2c2 （23）從式（23）中我們可以看出時間測量的相對性，在某個參考系S中觀察某一運(yùn)動（或某兩個事件）的時間間隔是?t，在另一個參考系S39。任何相對于該參考系運(yùn)動的其他慣性系，時間進(jìn)程都延長了，這個效應(yīng)稱為時間延緩。1u2c2 （25）式（25）說明長度（運(yùn)動方向上的長度）的測量也是具有相對性的。只有兩者相對靜止時，它們所經(jīng)歷的“空間距離”才是一樣的。如果物質(zhì)質(zhì)量產(chǎn)生的引力場是不均勻的，這時，一個質(zhì)點在不受力的作用下，則不再沿直線運(yùn)動，而是沿一曲線運(yùn)動。這種空間，可以比喻為由一些可彎曲橡皮塊構(gòu)成的，由于外界物質(zhì)之作用，橡皮塊會變形：有的地方擠緊了，有的地方拉長了，甚至發(fā)生了拓?fù)渥冃危ɡ缗でＵf它“最基本”，是因為沒有一種物質(zhì)不具有廣延性和連續(xù)性，換句話說，不具有廣延性與連續(xù)性的物質(zhì)運(yùn)動是不存在
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