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量子世界/附錄/相對論

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相對論基礎

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另請參閱華夏公益教科書 狹義相對論,其中包含關於此主題的深入文字。

相對性原理

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如果我們使用一個 慣性系(也稱為慣性座標系、慣性參考系或慣性參考系),那麼任何自由運動的經典物體(“點質量”)的位置的元件 在相等的時間間隔內變化相等的量 。顯然,如果 是慣性系,那麼相對於 的參考系 也是慣性系,即

  1. 在空間中以任何距離和/或任何方向移動(“平移”)
  2. 在時間上平移任何間隔
  3. 圍繞任何軸旋轉任何角度,以及/或
  4. 以任何恆定速度運動。

相對性原理指出,所有慣性系都是“平等創造的”:只要它們是相對於慣性系制定的,物理定律就相同——無論哪個系。(用不同的慣性系描述相同的物理事件或狀態就像用不同的語言說同樣的事情。) 前三項告訴我們,只要另一個系在空間和/或時間上座標原點發生偏移,或者空間座標軸發生旋轉,一個慣性系就和任何其他系一樣好。物理學中重要的是相對位置(物體之間的相對位置)、相對時間(事件之間的相對時間)和相對方向(物體之間的相對方向),因為這些不受空間和/或時間平移和空間軸旋轉的影響。在物理世界中,沒有絕對位置、絕對時間或絕對方向。

第四項還告訴我們,只要兩個系之間以恆定速度相互運動,一個慣性系就和任何其他系一樣好。重要的是相對速度(物體之間的相對速度),因為這些不受座標提升的影響——從慣性系 切換到相對於 以恆定速度運動的系。在物理世界中,沒有絕對速度,特別是沒有絕對靜止

這是有道理的。一方面,位置是物體的屬性,而不是即使它們沒有被“佔用”或擁有也存在的東西。另一方面,物體的的位置是相對於其他物體的的位置來定義的。在一個包含單個物體的宇宙中,沒有一個可以歸因於該物體的位置。同樣,所有有物理意義的時間都是物理事件的時間,它們也是相對定義的,作為事件之間的時間。在一個包含單個事件的宇宙中,沒有一個可以歸因於該事件的時間。但是,如果位置和時間是相對定義的,那麼速度也是如此。

沒有絕對靜止這樣的東西,這並不總是像應該的那樣顯而易見。有兩個想法導致了錯誤的概念,即存在一類特殊的慣性系,它們以絕對意義定義“靜止”:電磁效應是由波傳播的想法,以及這些波傳播需要物理介質(稱為“以太”)的想法。如果有這樣的介質,人們可以將絕對靜止定義為等效於相對於它靜止。

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