狹義相對論中的幾個基本概念（1）
科學網(wǎng)著名博主劉全慧在其最近一篇被精選博文《愛因斯坦攻擊量子力學所憑何據(jù)?》中，曾指出：“要批判量子力學，必須站在量子力學之外。類似地，批評相對論或熱力學，就要站在相對論或熱力學之外”。我很贊同這種看法，我還認為，即使為了更深入理解量子力學或相對論，或者為了更全面講述量子力學或相對論，也最好站在量子力學或相對論之外看一看。
其實，講述量子力學或相對論，可以按照不同的方法，遵循不同的理論體系。本文只談相對論。例如，著名相對論學者Synge 在其著作 Relativity:the special theory 中關于狹義相對論的理論體系就與愛因斯坦的理論體系不相同。愛因斯坦講述狹義相對論的理論體系是：一開始就講光速不變原理，隨后介紹洛倫茲變換，接著便解釋鐘慢尺縮，這種講法使初學者很難接受那些與牛頓力學很不相同的現(xiàn)象。Synge講述狹義相對論的理論體系是：先講一些狹義相對論中基本概念，如事件、時空、坐標及坐標系、時間及空間、世界線、標準鐘、間隔等等，這種講法易于使初學者通過對牛頓力學的推廣來接受那些與牛頓力學很不相同的現(xiàn)象。本文將在學習Synge的著作 Relativity:the special theory 的基礎上，科普性地介紹狹義相對論中的幾個基本概念。
一、事件
首先強調一下，本文只限于討論宏觀現(xiàn)象，即認為在本文所討論的問題中，物質的微觀結構和量子現(xiàn)象可忽略不計，不予考慮。
在物理學的宏觀現(xiàn)象中，物質常表現(xiàn)為一個個的物體或者一個個的物質場（如電磁場等），而物體及物質場都可以看成是由一群質點所組成的，因之，物質可以看成是質點的集合。物質存在于空間之中，這也就是說，組成物質的質點在空間占有一定的位置；物質可能運動或者物質的狀態(tài)可能發(fā)生變化（例如兩片分別荷有正、負電的烏云因放電發(fā)出電閃光，在電閃光之前，分別荷有正、負電的、組成烏云的質點因靜電力相吸而運動接近，閃電時發(fā)出一束光波、即電磁波在空間傳播），這往往對應著組成物質的質點于一定的時間內(nèi)在一定空間范圍中的運動。一個質點在空間的位置可用一幾何點來表示，一個質點運動的瞬刻可用時計來測定。在牛頓力學和相對論中都是這樣做的。
人們的日常經(jīng)驗和物理實驗事實告訴我們，描述空間幾何點的位置需要三個獨立變量（x,y,z），稱為空間獨立坐標，描述時間瞬時需要一個獨立變量t ，稱為時間獨立坐標。在物理學上，把任一瞬時發(fā)生在位于空間任意一點的現(xiàn)象都稱為一個事件（如火箭發(fā)射時離開起飛架的瞬間，炸彈擊中目標時爆炸的瞬間等等），一個事件可用它的時空獨立坐標（t,x,y,z）或（ct,x,y,z）來表示。獨立坐標（常簡稱坐標）的個數(shù)稱為維數(shù)，目前公認的空間獨立坐標為3，我們便說空間為3維，時間獨立坐標為1，我們便說時間為1維，因而時-空為4維。由于超弦和M理論的研究，提出了空間高于3維的可能性；但高于3維的空間是否存在，在物理學上還沒有證實。
時間坐標可用一條有向直線上的點來表示。有向直線是有方向的，時間的流逝也有方向，它總是由‘過去’指向‘未來’。 空間、時間—狹義相對論中的幾個基本概念（2）
二、 空間 時間
上次博文講過，每一個事件都具有其時空坐標（ct,x,y,z）；其中x、y、z三個坐標是空間坐標，ct一個坐標是時間坐標。這里采用ct表示時間而不用t表示時間是為了在量綱和單位上，讓時間坐標與空間坐標彼此相同?？墒牵瑫r間與空間在特性上還是不相同的，一個任意質點，在空間可以向前或向后、向左或向右、向上或向下移動，而一個質點所經(jīng)歷的時間只能由過去流向未來。因之，在說明一個物體的運動和變化時，常常都要說明空間和時間的情況。
有人認為，物體存在于空間之中，是看得清摸得著的直觀事實，而事件發(fā)生于時間之內(nèi)卻是看不見摸不著的臆想，他們甚至懷疑時間是否真實存在？必須指出，說“物體存在于空間之中，是看得清摸得著的直觀事實”，這話并不全面，只適用于存在太陽系附近的物體。對于遠離太陽系的星體，例如對北極星和天狼星，我們只用人眼能看得清摸得著嗎？能分辨它們誰大誰??？誰遠誰近嗎？可是這兩個星體是真實存在的，通過天文觀測，可以測定它們的大小和遠近。又如，暗物質和暗能量是看不見摸不著的物質，但不能否認它們存在。這表明，要確定事物是否存在，并不要求“看得清摸得著”。說“事件發(fā)生于時間之內(nèi)是看不清摸不著的臆想”也很主觀片面，固然我們看不見摸不著時間，但我們可以感覺到時間的流逝，時間的流逝?？赏ㄟ^物體的運動和變化表現(xiàn)出來。例如從大連去北京，要求在一天之內(nèi)趕到，乘飛機的人會感到時間很寬裕，乘汽車的人會感到時間很匆促。這種感覺反映了時間的流逝。又如人的一生，從幼到老，容貌、皮膚、頭發(fā)都逐漸在改變，這也反映了時間的流逝。如果時間不存在，便沒有時間的流逝，那里會有時間寬裕和時間匆促的感覺？那里會出現(xiàn)人的一生從幼到老，容貌、皮膚、頭發(fā)都逐漸改變的現(xiàn)象？
有些物理學者曾設想一個沒有時間的靜態(tài)的世界有可能通過某種方式來產(chǎn)生我們所感知的時間。我們要問，為什么對人（以及各種生物）的一生，只能產(chǎn)生從幼到老的改變，而不產(chǎn)生從老到幼，或者各種各樣的變化（例如人變成老鼠，老鼠又變成桃樹）呢？顯然上述設想只不過是瞎說。而時間在流逝才是由于物質運動和變化所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象的規(guī)律性因素?？傊?，僅由日常生活中的一些客觀事實都足以顯示出，時間是存在的，時間的流逝是可以感覺到的。因此可以對時間進行科學研究，下面就來介紹對時間的一些科學研究。先從空間和時間的概念如何形成和如何定義開始。
日常經(jīng)驗告訴我們，客觀存在的每個物體與其它物體之間存在上下、前后、左右、遠近的關系，這是由于每個物體都占據(jù)一定的‘位置’而形成的。在物理學上，把一切物質所占據(jù)的位置、以及曾經(jīng)占據(jù)過的位置，和將來可能要占據(jù)的位置之集合總稱為空間。一切物質，大至星系小至一個基本粒子，都存在于空間之中。
日常經(jīng)驗也告訴我們，任何物體運動或變化時，其每一狀態(tài)（例如足球剛踢入球門時是一個狀態(tài)，又如一杯水全部剛剛結成冰時也是一個狀態(tài)）與其它狀態(tài)之間存在先后、久暫的區(qū)別，這是由于物質的每個運動或變化所發(fā)生的瞬刻或間隔不相同。在物理學上，把一切物質運動或變化（包括現(xiàn)在、過去、將來）所發(fā)生的瞬刻或間隔之集合總稱為時間。一切物質的運動和變化，大至星系噴流、小至兩個電子碰撞，都存在于時間之內(nèi)。這里再強調一下，我們說“一切物質的運動和變化都存在于時間之內(nèi)”指的是運動和變化的狀態(tài)，而不是物質本身！因為運動和變化的狀態(tài)是隨時間在改變的。
上次講過，時間坐標可用一條稱為時軸的有向直線上的點來表示。點的坐標可以由負無限大連續(xù)地變到正無限大，這意味著時間有可能從負無限大連續(xù)地變到正無限大，但也不能排除時間存在著始點和終點的可能性；如果時間有始點，在此始點之前便不存在物理時間，這是因為在時軸上于始點之前，不存在代表時間的數(shù)學點（否則就不能叫始點?。?；根據(jù)同樣的理由，如果時間有終點，在此終點之后便不存在物理時間（否則就不能叫終點?。?。到底時間是從負無限大變到正無限大，還是存在始點（如宇宙大爆炸）和終點（如宇宙大塌縮）？目前的宇宙學仍在研究和爭論這些問題。有人認為宇宙大塌縮后還可以再大爆炸，或者認為我們的宇宙之外還另有其它宇宙，并以此來說明時間還是無始無終。可是，必須強調指出，大爆炸前后的物理時間是沒有聯(lián)系的，同樣，大塌縮前后的物理時間也是沒有聯(lián)系的，不同宇宙的物理時間也是沒有聯(lián)系的！
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