物理學(xué)家：每當(dāng)聽到物理學(xué)家在喋喋不休的討論相對論時(shí)（并且感謝你的時(shí)間），你會(huì)經(jīng)常聽到他們說“......從移動(dòng)觀察者的角度......”或“......觀察者看到......”。那都很好，可是如何準(zhǔn)確地定義什么是觀察者的角度呢？

圖解：在綠色參考系中事件B與事件A同時(shí)發(fā)生，但在藍(lán)色參考系中事件B較早發(fā)生，在紅色參考系中事件B則較晚發(fā)生。

當(dāng)你從自己的角度描述某些事物時(shí)，你會(huì)說“它在我前面十英尺”或“它在我的左邊”或“它以30英里/小時(shí)的速度超過我”。你定義了一組方向（向前，向左等）和相對于你自己的距離（不管有多遠(yuǎn)）。在一個(gè)更微妙的層面來說，你的角度也包括時(shí)間。 “未來方向”和所有其他方向和距離一樣是個(gè)人的和主觀的。時(shí)間的主觀性是愛因斯坦相對論的重要觀點(diǎn)之一。

一個(gè)簡短且有學(xué)術(shù)氣的回答是，由觀察者來確定坐標(biāo)系。這只是數(shù)學(xué)上的說法，當(dāng)你討論事情發(fā)生的位置和時(shí)間時(shí)，你可以描述成你所處的位置和手表顯示時(shí)間。

你位于個(gè)人坐標(biāo)系中非常特殊的原點(diǎn)（中心）。

我們習(xí)慣于共享一個(gè)坐標(biāo)系，例如（也稱作）統(tǒng)一時(shí)間或經(jīng)緯度，所以很容易被假想為“正確的坐標(biāo)”是存在的。實(shí)際上，這種“通用坐標(biāo)”之所以有用，只因許多人在隨波逐流想法的驅(qū)動(dòng)下而同意使用。公正地說，告訴別人你在街角或緯度和經(jīng)度比使用你個(gè)人坐標(biāo)系更有用，這相當(dāng)于說“我就在我身邊”。這在哲學(xué)上很有趣，但實(shí)際上沒什么用。

雖然你可以用某種標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系來描述一個(gè)觀察者穿過城市的軌跡，但這不是觀察者的角度。這是用別人的角度來描述他們的位置。從他們自己的角度來看，觀察者不會(huì)觀察到太多他們的位置變化，因?yàn)樗麄冇^察到城市在他們身邊移動(dòng)。

當(dāng)你讀到這篇文章時(shí)，你可以說“屏幕在我前面兩英尺”（或者它有多遠(yuǎn)）或者更簡明地說“屏幕的位置是x = 2”（其中x方向是向前的，y方向是向左的，z方向是向上的）。從其他人的角度來看，屏幕的位置會(huì)不一樣。地鐵上坐你旁邊的人（如果你正在地鐵上讀到本文），屏幕的位置將是“x = 2和y = 3”或者更簡潔“（2,3,0）”。

如果你上過物理入門課程，你會(huì)聽過一個(gè)人從懸崖上踢出一個(gè)球的故事。這個(gè)問題是說“在20米高的懸崖頂部有一個(gè)人，在突如其來的驚嚇中，從懸崖上踢出一個(gè)球，這樣它最初以3米/秒的速度橫向移動(dòng)。它會(huì)降落在哪里？”令人興奮的答案是：距離懸崖底部橫向移動(dòng)約6米。

提出這個(gè)問題時(shí)，你面對的是一個(gè)古老的難題，早在制圖時(shí)代之前就一直困擾著物理學(xué)家：我應(yīng)該使用什么樣的坐標(biāo)？最正確的答案是：盡可能使用可以讓你變懶惰的坐標(biāo)。

黃色坐標(biāo)是從踢球者的視角出發(fā)，紅色坐標(biāo)是最方便的，藍(lán)色坐標(biāo)可以有很多實(shí)際功用，但它們很難描述。

如果你將坐標(biāo)中心放在懸崖底部，軸與地面和懸崖對齊（上圖中的紅色軸），那么一個(gè)軸表示離開地面的高度，而另一個(gè)軸表示離懸崖的距離。非常方便。在這種情況下，懸崖的底部位于（0,0），球被踢到（0,20），然后在（6,0）處落在水中。你可以使用踢球者的視角（黃色軸），此時(shí)，可以將懸崖的底部定義為在他們底下20米，并且球下落了20米，且橫向移動(dòng)6米，（6，-20）。

物理學(xué)的美妙之處在于它能夠模仿宇宙的至高無上的尊貴。你可以在不指定坐標(biāo)的情況下編寫物理定律，允許我們定義階段（形成坐標(biāo)），并讓宇宙隨心所欲地運(yùn)行。如果愿意，你可以使用任意坐標(biāo)（藍(lán)色軸）。但不建議這樣使用。水平面不再僅僅是“z = 0”或“z = -20”，而是一個(gè)等式。重力不再指向“負(fù)z方向”，而是偏向一邊。你仍然可以用完全相同的物理定律來解決這個(gè)問題，只是必須做更多的工作，這對于一個(gè)物理學(xué)家來說絕對是不可以接受的。

在正?？臻g中，方向是坐標(biāo)系的一部分（向前，向左/向右）。當(dāng)我們交談時(shí)，我們已經(jīng)習(xí)慣了這個(gè)概念（就像“你臉的左邊有東西。不，是我的左邊，你的右邊。 好吧，現(xiàn)在到處都是?！保?。你已經(jīng)知道如何更改坐標(biāo)方向。如果你希望讓你的“左方向”成為你的“向前方向”，只需向左旋轉(zhuǎn)90°。如果你想讓你的“向上”成為你的“向前”，只需向后旋轉(zhuǎn)90°（平躺）。這很容易做到。

觀察者們相對于彼此的方向不同，他們在“向前”（實(shí)線）和“側(cè)向”（虛線）的方向上會(huì)有分歧。

在相對論中，未來只是另一個(gè)方向。顯然時(shí)間有點(diǎn)特別。您可以使用標(biāo)尺或字符串在任何空間方向上測量距離，但要在時(shí)間方向上測量距離，你需要一個(gè)時(shí)鐘。因此，要定義相對論中的觀察者，您可以在中心定義一個(gè)坐標(biāo)系，并在用時(shí)鐘來定義一個(gè)時(shí)間。

在相對論中，觀察者的個(gè)人坐標(biāo)系包括他們的個(gè)人時(shí)間。

我們很難描繪出“時(shí)間方向”。首先，因?yàn)樗枰运木S方式進(jìn)行思考。其次，因?yàn)闀r(shí)鐘和標(biāo)尺是完全不同的。這就是為什么物理學(xué)家一直都在協(xié)調(diào)和談?wù)摂?shù)學(xué); 它們能將我們的直覺從我們可以想象到的內(nèi)容擴(kuò)展到我們無法想象的內(nèi)容。

事實(shí)證明，你可以做一些類似于隨時(shí)間改變方向的事情。在空間中將一個(gè)方向換成另一個(gè)方向稱為“旋轉(zhuǎn)”（沒什么大不了的）。將時(shí)間方向交換為空間方向被稱為“洛倫茲增強(qiáng)（Lorentz Boost）”，或者，如果你不用物理學(xué)家的語言，用“開始向那個(gè)方向移動(dòng)”。面對不同方向的人對“前進(jìn)方向”有不同的角度，而相對于你運(yùn)動(dòng)的人會(huì)對“未來方向”有不同的角度。

觀察者之間相對的移動(dòng)方向不同，他們會(huì)對“未來”（實(shí)線）和“現(xiàn)在”（虛線）的方向上產(chǎn)生分歧。

所以當(dāng)你聽到諸如“當(dāng)某個(gè)東西移動(dòng)得很快時(shí)，它會(huì)花費(fèi)更少的時(shí)間”之類的事情時(shí)，重要的是要分析出你在談?wù)摰氖钦l的時(shí)間，甚至是移動(dòng)意味著什么。這是從你的視角中事物的實(shí)際表達(dá)。作為觀察者，會(huì)根據(jù)你的相對位置和時(shí)鐘來定義時(shí)間和空間。當(dāng)有人移動(dòng)時(shí)，他們會(huì)根據(jù)你的坐標(biāo)系移動(dòng)到你相對的位置。當(dāng)某人的時(shí)間變慢時(shí)，這取決于你的時(shí)鐘。當(dāng)你意識(shí)到從另一個(gè)人的角度來看，你是一個(gè)行動(dòng)緩慢的人時(shí)，那就真的頭痛了。這似乎是一種矛盾，但請記住，不同的觀察者都有自己的時(shí)鐘和坐標(biāo)。這里有很多細(xì)節(jié)。

在地球上，我們都以大約相同的速度移動(dòng)。其他人相對你移動(dòng)的最快速度是每小時(shí)2000英里（如果你正好在地球的另一側(cè)和赤道上）。根據(jù)相對論效應(yīng)，包括對時(shí)間的不同意見，只有當(dāng)你的相對速度是光的670000000英里/小時(shí)中的可感知的一部分才值得討論。世界上最精確的時(shí)鐘能夠檢測慢速行走引起的不一致（相對速度小于每秒1米）。但是我們?nèi)祟惒⒉魂P(guān)心這些極小的部分差異，雖然我們可以檢測到時(shí)鐘差異（當(dāng)我們努力檢測它們時(shí)），但它們并不值得我們擔(dān)心。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3. The Physicist-askamathematician

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