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周竟成:《时间·空间与观察、观测原理》一书的导论

(2013-12-22 07:02:49)

                     《时间·空间与观察、观测原理》一书的导论

                                            周竟成

 

导论言)

 

众所周知,物理学是以实验作为基础的科学,然而许多实验都离不开观察与测量。观察与测量的数据直接影响到物理学理论的建立与验证。由于我们在观察与测量时,一般是以光作为事件与观测者(或观察者)之间信息传递的媒体。所以,我们很有必要对光传播性质作更深入的了解与研究。进而,以便帮助我们对观察与观测的物理原理有更深入的认识。然而现时的物理学对这个问题的认识是较模糊的。

关于《时间·空间与观察、观测原理》的研究,象物理学的其它理论一样,这里提出的理论仍是以时间、空间、坐标变换为基础因为这类理论的论断,都要涉及刚体(坐标系)、钟和信息交换(传递)之间的关系,正因为对这些问题的考虑与研究,使我们不得不作出如下的推论:时空的存在具有绝对性,人类通过观察所认识到的时空具有相对性

在这个总的指导思想下,我们就有可能着手考虑存在有信息传递的时空中如何建立坐标系统以及在坐标系统中如何定义“时空点”的空间坐标与时间坐标的问题,显然这是一个十分重要且又十分关键的问题。在我们看来,对两个相互作匀速运动的惯性系内的空间――时间坐标,必须在理论上同时给出明确的定义,也就是说在一个惯性系内定义的一时空点坐标(x,y,z,t),要转换到另一个惯性系的一时空点上去,则两时空点在时空属性上必须满足等价性、对称性与不变性,系统间非依靠这“三性”不可,否则另一惯性系的这一时空点坐标(x′,y′,z′,t′)不可能有明确的定义,就不可能建立(x,y,z,t)与(x′,y′,z′,t′)之间的联系。更确切地说沒有这种切合物理实际的定义,相对性原理便要落空,就写不出、也写不好同一“事件”反映在两个惯性系中的空间――时间坐标之间变换关系的数学表述。“現代物理学”在对这个问题(时空坐标系统的建立与“时空点”坐标的定义)的认识上却存在较大的误区,按照目前通常的理解,对于完全确定的一个事件在静系统中的地点和时间的一组值(x,y,z,t),相应地有确定同一事件在动系统的地点和时间的一组值(x′,y′,z′,t′)相对应,其中时间t与t′分别为事件发生时所在地静止在动、静两坐标系统中的时计所指示的时间(我们假设两坐标系统中的所有时计同步,又规定两坐标系统原点′重合的时刻所有时空点处的时计起始时间“同时”且为零),因为这两时计位于各自系统中的时空点,又重合于一点,则t与t′的数值完全相等。我们称这一对重合的时空点为“事件客观发生地时空点”。这里关于时间的定义,完全符合不考虑信息联系的伽利略坐标变换体系。显然“事件客观发生地时空点” 一对重合的时空点在时空属性上不具有等价性、对称性与不变性,所以伽利略坐标变换不具有时间-空间坐标同时协变的关系,伽利略坐标变换体系对于相对性原理存在局限性。

但物理世界中的事物总是复杂的,往往“事件发生地”总是远离时计,而当我们需要确定该事件的空间坐标与时间坐标,上述关于时间和空间的定义就不再适用了,这就需要我们对时间和空间重新作出新的定义。我们考虑到远离时计的事件只有通过事件产生时发出的瞬时光信息和观测者联系起来,观测者接收到事件的光信息,通过观察与测量,以此来确定该事件的发生在自己系统中的时空位置点,我们称这样的“时空点”为“观测时空点”。“观测时空点”的空间坐标与时间坐标由观测者通过接收到的光信息所确定。我们假设有两个作相对运动的惯性坐标系统,在每一系统中各设置有一名观测者,有一确定的“点光事件”(指“事件光”从产生到被观测者接收的一个观测单元动作过程)发生在其中一系统中,两系统中的观测者接收到同一事件的光信息后,各自观测到事件在自己系统中有一“观测时空点”,静、动系这一对“观测时空点”不一定重合于一点,它们可能重合,也可能不重合,这不重要,问题的关键也并不在乎它们是否重合,重要的是它们的时空属性是否等价的问题,两“观测时空点”的时空属性是否等价完全取决于和它们对应的静、动系统中的两位观测者,如果这一对观测者所处的时空点其时空属性等价的话,也就是说如果这一对时空点在两系统间满足等价性、对称性与不变性的话,则这一对观测者为一对“等价的观测者”。他们所对应的“观测时空点”其时空属性也一定等价,在此我们引入一假设:真空中的光相对于等价的观测者而言其速度总是恒等于c,不依赖于发光体的运动状态;而相对于不等价的观察者而言其光速就不一定恒等于c,这一假设就足可以解释一对“等价的观测者”所对应的“观测时空点”其时空属性一定等价之原故。显然这一对“观测时空点”构成了一对等价的“观测时空点”。则与这一对等价的“观测时空点”相联系的时空坐标的两组值(x,y,z,t)与(x′,y′,z′,t′)一定是协变的,组成的方程也一定是线性方程。而现时的物理学出现错误,问题的根源恰恰就出在这里――如何正确判断“事件客观发生地时空点”(指事件发生时所在地静、动系侧一对重合的时空点)和两系统观测者通过观测所确定的“观测时空点”[指两系统的观测者各自接收到同一事件光信息的时刻,两观测者通过观测确定“事件”(指发光质点)各自系统中所处位置的时空点]这两个不同概念时空点的问题上,在一般人看来(包括爱因斯坦),死死地将“事件”的“客观发生地时空点”和“观测时空点”混为一堂,并认定静、动系这“一对时空点”重合于一点,也就是说将静、动系一对重合的“事件客观发生地时空点”分别代表着两系统中的观测者观测所确定的“观测时空点”,显然这是极其错误的,犯了概念不清的错误。由此导致了人们未能在理论上对两种不同概念的“时空点”加以区别,并未能给出两种概念时空点明确的定义。关于这个问题的重要性,每一个物理工作者和爱好者都应该是十分清醒的,只有理清了这个头绪,才有可能对两个相互作匀速运动的惯性系中的空间――时间坐标同时给出明确的定义,物理学才有可能在以后的征途中少犯错误。其实关于两种不同概念的“时空点”不能混为一堂的道理也很简单,因为在一个理论体系中,如果不存在电磁信息之间的联系,则有关时空点的定义就只能适用“事件客观发生地时空点” 概念,如果存在电磁信息与观测者之间的联系,则有关时空点的定义就只适用“观测时空点”这个概念。两者决不能折中含糊,特别是我们知道事件光运行是需要时间的,当一个系统的观测者接收到光信息,此时另一系统与之相关联的“等价观测者”在一般情况下不可能同时接收到同一事件的光信息,也就是说“事件客观发生地”静、动系侧一对重合的时空点不能代表两系统中的观测者通过观测所确定的“观测时空点”的时间――空间坐标。这种人为的、硬性的将两种不同概念时空点强加在一起,且又在沒有判断静、动系一对重合的“事件客观发生地时空点”的时空属性是否平权、等价的情况下(即“事件客观发生地时空点” 一般情况下不具备等价性、对称性与不变性),就贸然认定这两组值就一定是协变的?联系这些量的方程就一定是线性方程?显而易见,现时流行的“现代物理学”在如何建立坐标系统以及在坐标系统中如何定义“时空点”的空间坐标与时间坐标的问题上存在明显的错误。

本课题的研究,考虑的主要依据仍然是《相对性原理》, 则有:“一切惯性系间是完全平权的、等价的”,没有一个惯性系特别优越,各惯性系统中的空间――时间是均勻的,也就是说:所有在惯性系中的点都是平权的,沒有那一点特别优越。但如果我们在某一惯性系统中建立起坐标参照系统(比如笛卡尔直角坐标系统),并引入时间和坐标系统中的空间点联系起来,则情况将发生改变,系统中空间坐标与时间坐标将进入有序排列之中,每一时空点都将具有各自特有的时空属性,不再等价。因此和时间――空间坐标紧密联系在一起的惯性系统,系统与系统之间(我们可以在两个或更多的惯性系统中建立起完全相同的坐标参照系统,且每一系统都具有等长的刚尺和结构一致经整步的同步钟)等价的时空点将一-对应、一-对称,任一系统中的一时空点都可在另一系统找到与之对应的等价时空点(或者说对称的时空点),则“对应时空点”的时空属性完全是等价的,平权的,惯性系统间的这种等价性实质上是一种对称性不变性假设这就构成了惯性系统间的一种不变性依靠这种不变性,就能对两系统中观测者观测到的“观测时空点”的时空坐标作出明确的定义,自然与“对应时空点”相联系的有关地点和时间的那些量,毫无疑问将是协变的,显然联系那些量的方程组就一定是线性方程组这就为我们顺利地建立起两系统间时空坐标之间的变换关系提供了理论基础。我们要把这一认识提高到假设的地位,以后将称这个思想为惯性坐标系统间对应时空点时空属性等价”的原理, 简称为“对应原理”。

至此,我们利用《相对性原理》与《惯性坐标系统间对应时空点时空属性等价原理》这两个假设,再辅以光相对于“等价的观测者”而言光速恒等的光运行规律,就足以在两个惯性系统之间建立一种崭新的空时理论,新的空间――时间理论一定包含一种新的空时坐标变换关係。在新的空时坐标变换关系中,对于完全确定的一个事件,两坐标系统中一对“对应的等价观测者”观测到“同一事件”在各自系统中的“观测时空点”不再一定重合于一点,它们分别位于两系统“对应的等价时空点”上。自此洛仑兹变换不再神秘,而它只是在特殊状况下成立的一种空时坐标变换关系,且不再通用于空时坐标变换之中。取而代之的是和“等价的对应时空点”相联系的一种新的坐标变理论。

如所周知,我们的这个物理世界一切都遵循着最基本的自然法则,那就是“简单、深刻、普遍性”。今天,我们在这里所论述的《时间·空间与观察、观测原理》正是遵循着这一法则,从最简单的自然原理出发,以求揭示最深刻的物理规律,从而建立起一个带有普遍性,能在更大范围内适用的时空理论。物理学是前进的,物理学这座大厦将变得越来越宏伟壮丽,我们的研究只是想为这座大厦增添一点基石而已。

 

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