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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’。 空间、时间—狭义相对论中的几个基本概念（2）
二、 空间 时间 上次博文讲过，每一个事件都具有其时空坐标（ct,x,y,z）；其中x、y、z三个坐标是空间坐标，ct一个坐标是时间坐标。这里采用ct表示时间而不用t表示时间是为了在量纲和单位上，让时间坐标与空间坐标彼此相同。可是，时间与空间在特性上还是不相同的，一个任意质点，在空间可以向前或向后、向左或向右、向上或向下移动，而一个质点所经历的时间只能由过去流向未来。因之，在说明一个物体的运动和变化时，常常都要说明空间和时间的情况。 有人认为，物体存在于空间之中，是看得清摸得着的直观事实，而事件发生于时间之内却是看不见摸不着的臆想，他们甚至怀疑时间是否真实存在？必须指出，说“物体存在于空间之中，是看得清摸得着的直观事实”，这话并不全面，只适用于存在太阳系附近的物体。对于远离太阳系的星体，例如对北极星和天狼星，我们只用人眼能看得清摸得着吗？能分辨它们谁大谁小？谁远谁近吗？可是这两个星体是真实存在的，通过天文观测，可以测定它们的大小和远近。又如，暗物质和暗能量是看不见摸不着的物质，但不能否认它们存在。这表明，要确定事物是否存在，并不要求“看得清摸得着”。说“事件发生于时间之内是看不清摸不着的臆想”也很主观片面，固然我们看不见摸不着时间，但我们可以感觉到时间的流逝，时间的流逝常可通过物体的运动和变化表现出来。例如从大连去北京，要求在一天之内赶到，乘飞机的人会感到时间很宽裕，乘汽车的人会感到时间很匆促。这种感觉反映了时间的流逝。又如人的一生，从幼到老，容貌、皮肤、头发都逐渐在改变，这也反映了时间的流逝。如果时间不存在，便没有时间的流逝，那里会有时间宽裕和时间匆促的感觉？那里会出现人的一生从幼到老，容貌、皮肤、头发都逐渐改变的现象？ 有些物理学者曾设想一个没有时间的静态的世界有可能通过某种方式来产生我们所感知的时间。我们要问，为什么对人（以及各种生物）的一生，只能产生从幼到老的改变，而不产生从老到幼，或者各种各样的变化（例如人变成老鼠，老鼠又变成桃树）呢？显然上述设想只不过是瞎说。而时间在流逝才是由于物质运动和变化所产生的各种现象的规律性因素。总之，仅由日常生活中的一些客观事实都足以显示出，时间是存在的，时间的流逝是可以感觉到的。因此可以对时间进行科学研究，下面就来介绍对时间的一些科学研究。先从空间和时间的概念如何形成和如何定义开始。 日常经验告诉我们，客观存在的每个物体与其它物体之间存在上下、前后、左右、远近的关系，这是由于每个物体都占据一定的‘位置’而形成的。在物理学上，把一切物质所占据的位置、以及曾经占据过的位置，和将来可能要占据的位置之集合总称为空间。一切物质，大至星系小至一个基本粒子，都存在于空间之中。 日常经验也告诉我们，任何物体运动或变化时，其每一状态（例如足球刚踢入球门时是一个状态，又如一杯水全部刚刚结成冰时也是一个状态）与其它状态之间存在先后、久暂的区别，这是由于物质的每个运动或变化所发生的瞬刻或间隔不相同。在物理学上，把一切物质运动或变化（包括现在、过去、将来）所发生的瞬刻或间隔之集合总称为时间。一切物质的运动和变化，大至星系喷流、小至两个电子碰撞，都存在于时间之内。这里再强调一下，我们说“一切物质的运动和变化都存在于时间之内”指的是运动和变化的状态，而不是物质本身！因为运动和变化的状态是随时间在改变的。 上次讲过，时间坐标可用一条称为时轴的有向直线上的点来表示。点的坐标可以由负无限大连续地变到正无限大，这意味着时间有可能从负无限大连续地变到正无限大，但也不能排除时间存在着始点和终点的可能性；如果时间有始点，在此始点之前便不存在物理时间，这是因为在时轴上于始点之前，不存在代表时间的数学点（否则就不能叫始点！）；根据同样的理由，如果时间有终点，在此终点之后便不存在物理时间（否则就不能叫终点！）。到底时间是从负无限大变到正无限大，还是存在始点（如宇宙大爆炸）和终点（如宇宙大塌缩）？目前的宇宙学仍在研究和争论这些问题。有人认为宇宙大塌缩后还可以再大爆炸，或者认为我们的宇宙之外还另有其它宇宙，并以此来说明时间还是无始无终。可是，必须强调指出，大爆炸前后的物理时间是没有联系的，同样，大塌缩前后的物理时间也是没有联系的，不同宇宙的物理时间也是没有联系的！
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