第一章  名词与符号

 

 

1. 参照物

 

电磁相对论中,以光源或电磁源为参照物,用来判别那个坐标系是运动坐标系,那个坐标系是静止坐标系。

正确的选择参照物是研究相对论的关键。

 

2. 观测信号

 

电磁相对论中的观测信号是光。信号性质是电磁性质。信号速度是电磁场的传播速度。

光是信号也是被观测对象。

 

3. 观测对象

 

电磁相对论中的观测对象是具有电磁属性的客体和电磁现象。

电子带有电荷,具有电场,参与电磁作用,所以电子是观测对象。光和光源是观测对象。

宏观物体及其运动,生物学规律和生命现象等,不是电磁相对论的观测对象。

 

4. 观测者

 

电磁相对论中的观测者是人和电磁学仪器。观测者所在的坐标系应当是惯性系。

观测者的位置很重要,不同的位置将有不同的观测结果。

 

5. 静止坐标系S

 

没有运动光源或电磁源的惯性坐标系叫静止坐标系,也叫实验室坐标系。

静止坐标系是观测者所在的坐标系,应当是经典时空中的坐标系,即宏观体系中的坐标系。

静止坐标系用符号S表示,其空间用x表示,时间用t表示。S系中只有观测者,没有被观测对象。因此,只有在S系中才能观测到相对论效应。

 

6. 运动坐标系S

 

有光源或电磁源的惯性坐标系叫运动坐标系,它相对于静止坐标系S作匀速直线运动,也就是相对于观测者运动。

用符号S表示运动坐标系,其空间坐标用x表示,时间坐标用t表示。S中的光源或电磁现象,是被观测对象,是具有电磁性质的微观客体。一般情况下S系是依附在微观客体上的坐标系,是近似的惯性系。

S系中不存在观测者,只有被观测的对象。

例如,遥远发光天体退离地球的运动。这时地球是静止坐标系S,遥远发光天体是运动坐标系S,确切的说是随天体一起运动的发光原子。在遥远天体上不存在观测者,只有被观测的对象;在地球上没有被观测对象,只有观测者。

 

7. 相对运动速度v

 

相对运动速度是指,S系相对于S系的相对运动速度,即相对于观测者的速度,是匀速直线运动的速度。用符号v表示。有时,v也是即时速度或瞬时速度。

有些情况下,变速运动的某一微小区域内,其平均速度也可看作是近似的匀速直线运动。

这里的速度,大部分情况是指速率,因为我们研究的运动,一般都是沿坐标轴X方向的运动。 

 

8. 惯性系

 

某一系统相对于参照物作匀速直线运动,那么这个系统就是惯性系,或惯性坐标系。

按照这样的定义,参照物必须是近似的惯性系。如何判断参照物自身是惯性系,要靠相对性原理。某些微观客体的运动近似于匀速直线运动时,可以把它当作惯性系来处理。惯性系是一种近似,大都是局部区域。

 

9. 惯性原理

 

在惯性系中,相对性原理一定成立;反之,相对性原理成立的系统,一定是惯性系。这就是惯性原理。

由于是原理性质的,所以正反两种说法都是无法证明的。但它不同于能量守恒原理和质量守恒原理,因为它只适用于惯性系。

惯性系与相对性原理是互相依存的两个概念,两者是一个整体。今后,一提到惯性系,就默认相对性原理成立;只要相对性原理成立,一定是惯性系。

 

10. 惯性系平等

 

一切惯性系对力学现象是平等的,一切惯性系对电磁学现象是平等的。

惯性系平等是指所有惯性系,对同一电磁事件有相同的描述,而相对性原理是每个惯性系对自身的考察。

对于观测而言,SS系是不平等的,前者是观测者,后者是被观测对象。

 

11. 标准钟和标准尺

 

标准钟和标准尺是对惯性系而言的。

由于假设了惯性系对力学现象和电磁现象都平等,所以S系与S系应当使用相同的时钟和相同的尺,也就是它们有共同的时间标准和统一的长度标准。

标准长度:刚性米尺。S系中原子发光的波长。

标准时间:机械钟。S系中的原子钟。

 

12. 本征值

 

在静止坐标系S中,用标准尺和标准钟对电磁现象A的时空进行观测,观测的结果是数值xt

假设S系中有观测者,他对S系中的电磁现象A进行观测,其结果也应当是数值xt。也就是说,不会因为S系相对于S系的运动而改变。

其中xt叫本征长度和本征时间,统称本征值。

本征值的含义是,观测者与被观测对象处于相对静止状态下的时空坐标数值。

 

13. 电磁事件

 

事件:指时空坐标组。例如:(x,t),(x,t)

间隔:同地发生的两事件之间的时间间隔。

间距:同时发生的两事件之间的空间距离。

间隔和间距是相对量,具有观测意义。

 

14. 空间与时间

 

物质本身是没有间隙的,是一种物质挨着一种物质的。由于物质的疏密不同使人产生了空间的概念。所以说空间是经验的。

时间不是物质。人们在比较物体运动快慢时得到了时间概念。时间是经验的和抽象的。

空间和时间都是经验的,经验是绝对的,是不会变的。特别是,假设了惯性系平等之后,使得经验的绝对性更为合理。例如,一个人在某个惯性系中获得了时空经验,当他进入另外一个惯性系后,他的时空经验是不变的。不存在时空经验的收缩或膨胀。不存在一会变得年老,一会不会变得年青。经验不是速度的函数。

经过几十亿年的获得性遗传,人类对空间和时间有了先验性。

 

15. 时空

 

物理上,一种时空代表一种时空坐标变换。类似于数学中,一种空间代表一种运算,一个运算系统或运算结构。经典时空对应于伽里略变换,电磁时空或四维时空对应于洛仑兹变换。

同时,时空也是通用名词,它代表时间和空间,譬如时空坐标,时空观等等。

 

16. 经典时空

 

经典时空的特殊性在于,人类生活在其中。人们可以亲身体验伽里略变换,这使得经典时空成为现实的宏观环境。

牛顿力学是经典时空中的力学规律。

人们观测到的电磁现象,或是电磁现象发生变化的时空,都属于经典时空。

 

17. 抽象时空

 

物质的性质和物质的运动反映到人的思维中,形成了一些抽象的概念和规律。其中,时间和空间的规律是最基本的,这些概念和规律的总体叫抽象时空。抽象时空只存在于人的思维中。

抽象时空的意义在于,区分出物理量的可观测性和不可观测性。可观测性的内容对实验物理非常重要;不可观测性的内容对物理学理论非常重要。

抽象时空的概念,不仅是相对论的理论工具,同时也是物理学基础理论研究的工具。如同数学中,出现了抽象抽代数一样。

经典时空也是抽象时空,但由于经典时空的特殊性,使它成为现实的时空。

 

18. 洛仑兹变换与抽象时空

 

洛仑兹变换中的空间坐标和时间坐标只具有变换性,不具有可观测性,所以叫作抽象时空。但是,从洛仑兹变换推导出的结果具有可观测性。

时空的洛仑兹变换是物理学中典型的抽象时空。

 

19. 四维时空

 

洛仑兹变换推广为四维后,使电磁时空成为抽象四维时空,简称四维时空。不过,原来的电磁时空也含有抽象的意义。

 

20. 时空的独立性

 

经典时空中的规律不可用于电磁时空,电磁时空的变换规律不能应用于经典时空。这就是时空的独立性,也叫系统的独立性,因为每种时空形成一个封闭的体系或系统。

 

21. 电磁现象

 

电磁规律在经典时空中表现为电磁现象。电磁现象是可观测的。抽象电磁时空是不可观测的。

电磁现象不一定都遵从洛仑兹变换,所以电磁现象不等于电磁规律,电磁规律一定遵从洛仑兹变换。

现象与时空是不同的。

 

22. 电磁时空

 

电磁时空是双关语,一方面是用来区别经典时空和电磁时空,或者说是区别力学现象和电磁现象。另一方面,电磁时空是四维抽象电磁时空的简称,即遵从洛仑兹变换的时空。

从电磁现象中抽象出来的规律,如电磁场方程,属于电磁时空中规律。或者说,电磁学中的物理量所遵循的时空规律,属于电磁时空。

电磁铁周围的空间,既是电磁空间,也是经典时空的空间。类似的还有电磁波传播的空间等等。电磁波本身的时空规律是电磁时空,而不属经典时空。

人们无法直接进入电磁时空和原子空间。

 

23. 属性

 

属性也叫物理意义。

属性是用来区分物理量和公式的物理意义,以便恰当的使用物理概念和物理公式。

例如:汽车行驶30米,与光运动30米,从性质上说是完全不同的。汽车的30米遵从伽里略变换,而不遵从洛仑兹变换;光运动的30米遵从洛仑兹变换,而不遵从伽里略变换。

这种区别的重要性在电磁相对论建立之后才凸显出来。

 

24. 观测效应

 

举一个例子说明什么是观测效应。在夜晚,用手拿住光源以手臂为半径划圈,远处的观测者将会看到一个圆形的光圈。这是视觉暂留造成的观测效应。

上面的例子中,除了有视觉暂留的原因之外,还有一个原因,是观测者与光源之间存在着相对运动。如果观测者跟随光源一起运动,将看不到光环,也没有观测效应了,这一点很重要。

再举一个例子,人的生命是一个演化过程,假设人的平均寿命是70年。有一位观测者在距离地球很远的地方观测地球上人口的总数,他会发现,在一定的期间内人口的总数不是常数,而是在某一数值(70岁)附近摆动,这个数量的波动叫演化效应。演化效应是观测效应的一种,又如类星体视星等的弥散[1]

在电磁学中和力学中,都有观测效应。观测效应的特点是,观测它,它就有;不观测它,它就没有。

效应不是实在,是存在。实在和存在是并行的,是同时存在于宇宙中的。效应是可以感知的,它不同与精神。精神与物质是平行的存在于宇宙之中,抽象时空是精神世界的一个子域。

 

25. 相对论效应

 

相对论观测效应是观测效应的一种,是由惯性系的相对运动速度引起的。相对论效应只在电磁现象中出现,也在微观粒子的相互作用中出现。

在牛顿力学中没有相对论效应。但是,用光信号观测力学现象和宏观物体的运动,将产生视觉形象问题。这种情况下,要对光信号进行洛仑兹变换,从而产生光信号的相对论效应。这不是力学本身的相对论效应。

 

 

 

 
 

以上是原文,请批评指教。   2010.7.16