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作者张祥前交流微信zhxq110597477
我们设想观察者甲静止于一列火车上，火车相对于轨道旁的观察者乙以速度V 【V大于0，本文大写字母为矢量，下同】沿着轨道在运动。 甲打开一个手电筒，发出一束光，沿火车前进方向，并且测量出这束光的速度C【本文认为光速可以为矢量，矢量光速可以变化】是每秒30万公里，按照经典力学中的伽利略变换，乙肯定的认为这束光速度是C+V，但是，实验发现这束光仍然是每秒30万公里。这个就是著名的光速不变。 光速C = R/ t在数学上作为一个分式，光速的分子----空间位移R和光速中的分母-----时间t都随光源的速度V而变化，光速的分子----空间位移R【和V方向一致的时候】随速度减少了，而时间t随速度增大，这样恰巧抵消了光速C和V合成后速度应该增加的部分。 因而，相对论认为时间和空间是相对的，不同的观察者对同一个事情经历的时间、空间测量可能有着不同的结果。 相对论也没有告诉我们时间的本质，只是告诉我们时间的测量与观察者的运动有关，而统一场论【百度统一场论6版可以搜到】给出了时间的物理定义，揭开了时间的本质。 你一旦知道了时间的本质，马上就明白了光速为什么不变。 统一场论给出的时间的物理定义为： 宇宙中任何一个物体【包括我们人的身体】在相对于我们观察者静止的时候，周围空间都以光速度C辐射式的运动，空间这种运动给我们观察者的感觉就是时间。 光速C = R/ t在数学上是一个分式，光速中的分子----空间位移R和光速中的分母-----时间t是一个东西，是我们人为的把一个东西叫成两个名字。 比如，张飞，又名张翼德，虽然是两个名字，但是，指的是同一个人。 所以，光速的分子------空间位移R如果有什么变动，光速的分母------时间t一定会同步变化，这样光速的数值始终不变，这个就是光速不变的原因。比如说，我们看到了张飞胖了，体重增加了5斤，我们马上就可以断定张翼德体重肯定的增加5斤，因为两个名字指的是同一个人。 张飞和张翼德的体重在增加，但是，张飞的体重和张翼德的体重的比值始终不变。当光源相对于我们以速度v运动的时候，引起了光速的分子----空间位移R的变化，光速的分母------时间t一定会同步变化。 因为光速的分子---空间位移R和光速的分母---时间t本质上是同一个东西，是我们人叫成两个名字，如同张飞和张翼德。 从以上可以推理出，光源相对于我们观察者无论是匀速还是加速运动，光速始终不变。 这个表明广义相对论基本正确。而对于物体发光，可以认为光源周围空间以光速运动，光子是静止于空间中，被空间本身的运动带着向外跑的。 由时间的物理定义我们还可以解释洛伦茨变换。 洛伦茨变换是狭义相对论的基础，首先我们给出洛伦茨变换的推导过程。 设有两个直角坐标参考系S系和S'系，任意一事件在S系、S'系中的时空坐标分别为（x，y，z，t）、（x'，y'，z'，t'）。 在洛伦茨变换中y= y'，z= z'，为了简单所见，我们现在只考虑x, t,和x', t'之间的变换。 在下图中，x轴和x'相互重合，在t'= t =0时刻，O 和O'点相互重合在一起，S'系相对S系以速率v沿x轴正方向运动。
我们来求出由两个坐标系测出的在某时刻发生在x轴上P点的一个事件（例如一次爆炸）的两套坐标值之间的关系。 在S'系中测量，发生在P点的爆炸的空间、时间的坐标分别为x', t'，也就是说爆炸发生在t'时刻，发生的地点是在x'轴上离原点O'距离为x'处。 在S系中测量，发生在P点的爆炸的空间、时间的坐标分别为x, t，也就是说爆炸发生在t时刻，发生的地点是在x轴上离原点O距离为x处。 在上图中，可以直观的看出 x'=x–vt (1) x= x'+vt' (2) 按照伽利略相对性原理的思想，时间、空间长度的测量于观测者的运动没有关系，上式可以成立。但是，相对论认为时间、空间长度的测量于观测者的相互运动速度有关，所以（1）式和（2）式要分别乘上一个系数k和k'才能够成立。 x'=k(x–vt) x= k'(x'+vt') 由于S系相对于S'系是匀速直线运动，因而我们应该合理的认为x' 和(x –vt) ，x 和(x'+vt')之间的关系应该是线性的，所以k和k'应该是常数。 相对论的相对性原理认为物理定律在所有的惯性参考系中都是相同的。也就是说，不同惯性系的物理方程形式是相同的。所以k和k'应该相等。 对于k的值，洛伦茨变换用的是光速不变求出的。 设想由原点O（O'）在重合时刻发出一束沿x轴正方向的光，设该光束的波前坐标为（x，y，z，t)、(x'，y'，z'，t')，以波前这一事件作为对象。由于光速c在S系和S'系是相同的，有 x= ct (3) x’=ct' (4) 由（1）,(2),(3),(4)式联合可以求出洛伦茨变换： x'=(x –vt) 1/√（1- v²/c²） (5) x= (x'+ vt') 1/√（1- v²/c²） (6) t'=(t–vx/c²)1/√（1- v²/c²） (7) t=(t'+ vx'/c²)1/√（1- v²/c²） (8) y=y' (9) z=z' (10) 下面我们用“时间就是以光速运动的空间”来解释（3）式和（4）式的所谓光速不变。 前面分析认为时间的本质就是空间以光速运动变化形成的，而光速不变反映了时空同一性，时间与观测周围空间中几何点以光速离开观测者走过的距离成正比。 在以上的S系和S'中，设想在t'= t=0时刻，O 和O'点相互重合，一个几何点以光速从O和O'出发，过一段时间到达P点，对于几何点从O点出发达到P点这件事情，S系中的观测者认为，这个几何点走了x这么远的路程，用了t这么长时间， 而在S'中的观测者认为，这个几何点走了x'这么远的路程，用了t'这么长时间。 由于时间于观测周围空间中几何点以光速走过的距离成正比，所以，S'系中的时间t'比S系中的时间t等于S'系中的几何点走过的路程x'比S系中几何点走过的路程x，也就是 x/x' = t/t' 将上式作一个变换， x/t = x'/t' 由于x/ t 和 x'/t' 都是位移比时间，所以 x/t = x'/t' = 速率 由于几何点是以光速c运动，所以： x/t = x'/t' = 速率 = c 这个就证明了（3）式和（4）式中的光速c应该是相等的，这个也说明了有一个与时间密切相关的速率c，在相互运动观测者看来c的值是相等的。 我们还有一个问题：就一个参考系来讲，为什么光速也是常数？这个可以这样理解，时间完全的等价于观测者周围空间的运动，也就是 运动的空间 = 时间。 为了在物理上使“运动的空间 = 时间”成立时量纲不发生混乱，我们需要在时间前面乘上不随时间、运动空间变化的一个常数---光速， 运动的空间 = 光速乘以时间 两个相互运动的观测者发现同一束光的光速是相同的（就是光速不变性），原因是空间以光速运动，光是静止于空间中被空间运动带着向外跑的，两个观测者都发现对方的产生时间的运动空间的位移（光速中的分子）变化了，而时间（光速中的分母）随之同步变化，结果光速仍然不变。 光速反映了时空同一性，光速比起发光现象更能够表现出自然界的本质规律。光速和时间一样，是我们为了描述空间的运动而人为抽象出的一个概念 可能人们还有一个疑问？观测者周围空间有许多几何点，为什么一个几何点的运动就可以表示时间？ 这个应该这样理解，时间反映了空间运动的一种性质，我们观测者通过描述空间中许多几何点的其中一个，就可以把空间具有时间这种变化的性质给表现来。 时间的物理定义也表明了，时间不能够脱离观测者而独立存在。或者说，物理学中在没有观测者、不指明那一个观测者的情况下，描述运动是没有意义的。 |