怎样建立有应用价值的参照系

自然界里的运动物并不只是在唯一的一条直线上运动，要想对多个物体的相对运动作出定量的研究分析，人们就必须在现实中建立起能够确定各个物体的瞬态相对位置的参照系。作为确定各个物体瞬态相对位置的参照系，它必须与至少一个或多个客观存在的物体以某种人为给定的数学计算关系相联系。否则，根据它确定的物体呈现位置在现实中就不能被实验检验。当然，人为给定的数学计算关系是以方便人们对自然世界的物质运动规律进行可靠地把握为目的，而不是要把人们原本已经认识清楚的概念弄模糊。如果给定的数学计算关系违背正确的思维逻辑，使原本明白无误的概念变得似是而非，人们不能通过实验作出准确判断，所给定的数学计算关系就对人们可靠地把握自然世界的物质运动规律没有应用价值。

须知道，自然界里的存在物本身并没有带有人为设想的参照系，它们并不知道人为确定的坐标轴方向在那里，自己能够继续运动下去的路线就是前进方向。从根本上说，物质世界并没有1维运动、2维运动和3维运动之分。所谓的3维空间只是告诉人们：任何一个实在的运动最多只能分解成运动方向相互垂直的3个没有影响的独立运动之组合。虽然这种组合可以有无限多个选择，但每一个组合都只能最多由3个相互没有影响的独立运动构成。因此，自然界里的任何一个存在物，都只需要从3个相互垂直的空间方向上相对于预先规定的3根数轴确定出它在数轴上的投影位置，就能确定出它在空间里的具体位置。

由多根数轴组成并具有共同相对0位基准点专用于确定空间点位置的长度计量体系在数学上称为坐标系。与观察相对运动的实际参照物体可靠联系的坐标系被称作观察参照系，简称参照系。参照系的坐标轴可以人为确定，一旦给定就不能任意更改。只要在每根坐标轴上各安置1只高速旋转的小飞轮，不受外力隅作用的转动体将保持其转轴矢向不改变，给定的坐标轴方向就能够在实际空间中保持下去。请记住，这些用来确定各点位置的数轴只是人为发明出来的长度测量工具。其实，人们也可以不采用等间隔方式来标定，只须在两条相交数轴确定的平面上随意画出许多许多交叉线条，给每一根线条约定一个代号，任何两根线条的交叉点就表示着一个确定的空间位置处。人为地按照某种简单的记数规律画出线条，只是使确定空间位置的方式有利于人们记忆，并能够借助抽象的数学运算工具帮助人们容易地寻找出任何一个空间位置处。人们可以在同一个物体上刻画出任何要求的间隔线，但要给它们赋予确切数量意义，就必须按照最基本的等分间隔计量方式进行解释。

显而，把参照系固定在现实中的某个物体上是最简单的数学计算关系。譬如，人们可以在平坦地面上建立一个观察参照系。参照系原点固定在地面某一点O上，它的X轴和Y轴都确定在地面上。现有1个物体相对于地面作直线运动，人们可以在运动物体上也建立起观察参照系，如果t₁时刻建立在该物体上的参照系原点与固定在地面的参照系原点重合，t₂时刻建立在运动物体上的参照系原点处于地面参照系X轴上的A点。在t₁至t₂的时间流逝过程中，运动物体相对于地面走过的路程就是地面上的O点到A点的长度距离OA，运动物体与建立在它上面的参照系相对于地面的运动速度都等于OA/(t₂－t₁)。当人们把运动物当作理想化的质点来对待时，按规定把原点建立在运动质点上的参照系，参照系原点将始终与运动质点保持重合。这是人为规定导致的必然结论，由此将得出推论：原点建立在运动质点上的参照系，该参照系原点与运动质点始终只能是同时发生的物理事件。

无论空间点处于相对静止，还是处于相对运动之中，在一个空间点同时发生的物理事件永远是同时发生的物理事件，这是不容质疑的客观事实。能够被实验检验的参照系必须凭借存在物做保证，意味着在每一个参照系上，至少有1个由参照系确定的位置点与客观存在的物质点始终保持重合。而要确定出参照系的实际单位长度，至少要有2个由参照系确定的位置点与客观存在的2个物质点始终保持重合，这2个物质点必定是同时呈现的物理事件。

根据上述规定，如果有2个客观存在的物质点同时处于1个空间点上，人们把其中一个物质点做为参照系确定的一个位置点，这两个物质点必定都处于由该参照系确定的同一个位置点上。由于参照系的单位长度必须保持恒定才具有比较意义，两端处于由参照系确定的2个位置点上的实物长度所具有的稳定性，将决定着长度计量能够在多高的精确度上具有可靠的应用价值。在恒温状况下，采用钢材作为参照系的单位长度保证者，长度基准的相对稳定性误差不大于±3.1×10^-8；而在非实物空间里面，由确定光波长的光传播媒介物质作为参照系的单位长度保证者，长度基准的相对稳定性误差也只能处于±4×10^-9水平上。它意味着人们根据理想化的数学运算方式计算出来的长度值，最多只有9位数值有效。

除非是同一现象的两个相互作用者，在原理上必定是同时发生的两个物理事件。任何两个物理事件的发生次序都要借助记时工具来作出判断。即便在相对于光传播媒介物静止的两个点处发出光线，当它们到达两个静止点之间的中点位置处，也必须根据它们分别到达同一位置的时刻之差为0，才能确认它们同时到达两个静止点之间的中点位置，再根据光在分布完全均匀的光传播媒介物中的传播速度各向相同，判断它们是两个发光点同时发出的光线。

光在非实物传播媒介物中传播的速度相对误差为±4×10^-9，而铯原子钟的走时相对误差小于±2.78×10^-12，比光的传播速度相对稳定性高出1438倍。因此，只要事先已经将两个原子钟放在一起，把它们显示的时刻数值校对成相同的数值，再把它们分别放在两个位置上，根据两只原子钟显示的时刻数值判断在两个位置上发生的事件先后次序，比借助光的传播实验来作出判断更为准确。怎样对处于两个位置的记时钟进行异地校对，使其中由于某种短暂作用导致显示时刻发生了错误的记时钟得以校正呢？人们迄今还只能采用与光波传播速度相同的电磁波编码脉冲信号，把发出电磁波的时刻告诉接受对方，但只有在二者相隔的空间中电磁波进行双向传播的速度完全相同，双方才能根据它们接受到对方发出的电磁波编码脉冲信号的时刻与发出该电磁波的时刻之差是否相同，判断两只记时钟的显示时刻是否相同。若能找到更高速的信息传递方式，譬如叠加形成拍差的光波相位传播速度可以超过光脉冲传播速度，意味着在光传播媒介物质中存在运动反应速度远远超过光信号传播速度的暗物质，一旦研究出利用它传递信息的技术，就可以显著提高异地对钟的准确度。

当人们忽略掉实际存在的稳定性误差后，每一个最小的时间计量间隔都被约定成永远相等的时间流逝量，时间流逝规律便成为绝对性质。能够把永远相等的时间流逝量显示出来的记时工具就是经理想化对待的理想钟。无论在任何参照系中，以理想钟显示的时间流逝量作为运动过程的对比参考依据，只要理想钟已经事先被放在一起将它们显示的时刻数值校对成相同的数值，由任意两个理想钟显示着相同数值的时刻对应发生的事件就是同时事件。

由于实物体现出的长度与自身温度相关，即便恒温是完全没有飘逸变动的理想化状况，在不同温度值的恒温条件下实物体现出来的长度也不相同，人们把实物在20℃的恒温状况下体现出来的长度规定为它的标准计量值。当确定着参照系坐标轴单位长度的实物因受到外界作用自身温度发生了改变，参照系坐标轴的单位长度也将发生相同的改变。对于此现象，人们可以先通过实验检测出同一实物在各个温度下所体现出的长度，再根据实际的温度值对确定着参照系坐标轴单位长度的实物长度作相应的数值修正。原理上，人们可以在参照系坐标轴单位长度两端点同时向另一个参照系里平行放置着的长度计量标准尺垂直发射光脉冲，光脉冲到达长度计量标准尺上的2个位置点之间的长度，就等于同时发出光脉冲的两点之间的长度。从而对出现偏差的单位长度进行校正。即便同时发出光脉冲的两个空间点与标准尺的相隔距离相差0.04μm的可分辨距离，光脉冲经历该段距离的时间也只有1.33×10^-16s，仅是铯原子钟能够分辨显示的最小时间计量间隔0.10878277ns的1/817915，比采用可见光辐射的振动周期作最小时间计量间隔（≥1×10^-15s）还要小10倍。所以，只能将同时发出的2个光脉冲到达计量标准尺上的2个位置点处判断为同时发生的物理事件。