前者表示物体以确定的速度运动时,物体的运动距离和速度、时间的关系。后者表示物体在改变运动状态的过程中,物体的运动速度和加速度、时间的关系。在如上两个物体运动变化的重要的等量关系中,其中s为空间长度,其基本单位为米。现在我们把它定义为国际单位制中的基本单位。在两个等量关系式中还有一个国际单位制中基本的单位,那就是时间了。通常我们认为,国际单位制中的基本单位,是表示物理量的最基本的单位了。速度我们可以采用物体运动的距离和时间进行定义,但是,距离与时间却是不能通过普通的物质运动变化进行定义,这只是因为我们把它看作物理关系中最基本的量之一。
如上我们不难看到,牛顿力学中的时间的定义是一种对物质运动变化过程中的一个约定,也可以说是对人类的经验感觉和外界事物的一种经验约定。在这种意思上来说,它是一种永恒不变的东西,基于这样的含义,时间与物质运动变化的过程无关、于物质的运动变化状态无关,也是在这样的意义上来说,时间是独立于物质运动变化过程、物质运动变化状态之外的东西。与物质的存在状态无关。(空间也亦如此)
牛顿力学中的时间观念主要反映在牛顿力学体系中的时间和其它物理量的关系上,时间作为牛顿力学中不变的量以判定物质运动变化在空间中的运动变化过程。一方面,在描述物质运动变化过程中时间作为一个不可缺少的量,另一方面,时间的本身与物质运动变化无关。这至少是牛顿力学中时间的特点。
普遍的时间的观念在上篇文章中已经说明了这样的看法,时间的概念是基于人们日常生活中时间的观念,依据地球的公转、地球的自传、月球的公转而得到的年月日时的经验感觉而定义的时间概念。并以此为参照描述所有物质的运动变化。
关于时间的本身,我们在牛顿力学中并不能得到满意的回答。对物质运动变化过程进行时间经验约定的处理,这至少缺少逻辑的依据。我这样说并不是反对在物质运动变化过程中进行经验约定,也并不是针对时间反对这种约定,而是认为,这种约定在未经过逻辑论证的基础上、在时间的概念是否普适于描述整体的物质世界还不清楚的情况下,将时间的概念扩展到描述所有的物质世界,这至少是时间概念的扩展。当然,这不是牛顿力学的错误,而是在将牛顿力学的描述体系扩展到整体物质世界的范围的时候,一种经验的失误。主要表现在物质运动变化的过程中。
时间作为一种经验事实的约定来说,对于解决宏观、低速物体的运动,尤其是在确定的参照系中去处理物质的运动变化已经足够了。对于不同参照系中的数值换算,就出现了一些问题。一方面是作为时间的基本单位对物质运动变化的描述不具有普适性,(主要是时间和物质运动变化的物理量间的关系)另一方面在于我们对于不同的惯性参照系统所引入的不同的时间定义方法(或者说处理不同的惯性参照系统所采用的描述不同的物质运动状态的方法),其中包括物质运动变化本身在描述体系中的定位。这一问题是一个世纪以前相对论建立的前夕人们去解决光速的问题而引发的。
相对论的时间观念
在讨论相对论的时间概念以前,我必须说明一下,由于相对论的时间观念和空间观念以及物质的运动是不能分开的,将时间的观念完全独立出去是不可能的,因此必然有一部分遗留问题。如果您不能接受这样表述的话,我建议您同时参阅空间观念和物质的属性。如果您可以接受这样的描述方法,您就沿我的写作顺序来浏览。本文没有说明的问题会在其它相关的文章中进行说明。
在历史上,相对论时间观念的引入是由光速的问题而引发的在不同的参照系中,电磁理论中的麦克斯韦方程组的变换问题。洛伦兹、邦卡勒、爱因斯坦对此做出了出色的贡献。如果您对此感兴趣的话,您可以参阅《相对论》w.泡利著凌德洪周万生译上海科学技术出版社p1-27。本文只探讨与时间有关的问题,其它的不做讨论。
时间概念的引入,在人们的社会生活中是为了方便的确定对事件的描述,在物理中我们也不能逃脱这样的目的,对事件的定量。在不同的参照系中,如果我们要比较一个事件的发生瞬时、发生过程的时间计量问题,我们首先必须确定事件的同时性的问题,否则我们将无法在两个参照系中去讨论同一事件的时间问题。
日常生活中我们通常采用广义的参照系来对时间问题进行矫正,即:对于地球上的事物,通常采用天体间的运动变化如太阳和地球间的相对运动来完成。在地球上,对于处于地球上不同纬度、不同地理位置的事件,通常采用引入地方时进行矫正。对于同时性的判断,爱因斯坦先生通过如下的事件进行了说明:
假设有一列很长的火车,以恒速在铁路上运动。在火车上的人们,通常以火车为参照系来观察一切事件。铁路线上发生的每一个时间也在火车上某一特定的地点发生,并且完全和相对于路基所做的同时性定义一样,我们也能够相对于火车做出同时性的定义。
对于铁路路基时同时性的两个事件,在铁路路基为参照系判定同时性的两个事件,在火车上是否也是同时性的问题。如在铁路路基上判定的雷电同时击中铁路路基上不同位置的两处地点存在的同时性,但是在火车上我们却不能得到雷电击中路基上的两点是同时发生的。判定的根据是火车的运动使雷电闪光传播到观测者眼里和地表的观测是不同的。(注:爱因斯坦先生的考虑过程中,是采用路基上两点的中点作为信号源发光点。通过在两点观测所给与我们的经验感觉。)
爱因斯坦先生并有这样的结论:每一参照物体(坐标系)都有它本身的特殊的时间;除非我们讲出关于时间的陈述是相对于那一个参考物体的,否则关于一个时间的事件的陈述就没有意义。
(我在这里是将爱因斯坦先生的看法描述一遍。此一部分内容您可以参见《狭义与广义相对论浅说》a.爱因斯坦著杨润殷译胡刚复校上海科学技术出版社p21)
在假设了光的速度在宇宙中的传递为一常数(通常的描述为三十万公里每秒)的基础上,针对不同的参照系,时间是不同的。两种参照系之间的时间转换关系为
相对论的时间观念与空间、物质的运动实际上是不能分开的,孤立的去探讨相对论的时间概念,不是很合适的。在我看来,相对论的时间观念只是通过数理关系去调节物质的运动变化,在理论上基本概念在数理逻辑中达到统一,并具有普适性。
我个人并不赞成这样的描述方法,这样的对物质运动变化的定义体系,并不符合真实的物质运动变化的逻辑。在这样的定义体系中,充满了逻辑上的矛盾。
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