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  • 物理学中事件的概念:探讨相对论中长度“变短”的现象的深一层原因

        一个现象往往是另一种更加基本的现象的结果,教科书中对长度变短现象的描述是非常不直观的。当然理解相对论少不了数字演算和理想实验,然而我们能否做到直观地理解相对论,而不是仅仅靠几个理想实验?直观理解实际生活中不存在的场景有难度,不过我相信,这是可以做到的,只要我们把 “物体位置” 的概念正确推广到 “事件位置”。  

    事件的定义

        我们先来理解什么是过程,什么是事件。如果说一个物理概念“看不见” “摸不着”,那么对于它的理解可能就要费一些时间,根据经验,当我们用自然语言说起事件这个词汇,我们往往用 “事件发生” 这样的词组,我们常常描述事件发生的时间、地点,这就是一个事件的基本属性。事件是物理世界中客观存在的实体 ---- 就像物质一样。在本文起始,我先给出我对事件和过程的理解:过程是事件的有序集合,事件是过程的基本元素。生活中过程是我们常用的词汇,它描述了一系列事件出现的先后顺序,在数学上,可以用一个数列来引用一个过程,用数列中的元素引用过程中的事件,每个元素都是向量。数列中的元素有一个特殊的属性t,我们用这个属性来引用事件发生时刻。

      val p = Seq(e1,e2,e3, ... ,en)

        p是一个过程,e是事件向量。

        如果说从运动学的角度来定义事件,那么事件可以定义为,“物体的出现”。这就比“物体”的概念更进一步了。

    长度(距离)的定义

        现在我们用事件的概念来解释长度“变短”的现象。直觉上,类似长度、质量这样的概念似乎是不需要定义的:一个刚体的长度,难道不是刚体的固有属性吗?然而谁有能证明这一点呢,或许长度是会变的,更准确的说,不是“长度会变”,而是“我们所测量的长度会变”。当我们用语言去描述物体的长度的时候,是因为我们的大脑在从世界获取的信息中抽象出了距离的概念,两个物体在相同时刻出现在两个位置。我们直觉上,如果两个物体在我看来是同时出现的,那么在任何人看来都是同时出现的,然而事实上不是如此,也正是这个原因导致了我们所测量的长度不一样。总而言之,长度是一个测量参数,不是刚体的固有参数。

        为了让思考有路可循,我们常常希望用更加确切的语言来定义一个概念。现在我们这样来定义线性刚体的长度:长度是与某个刚体相关的这样一个参数,设刚体的两端在同一时刻t出现在了两点,如果两点之间的坐标范数等于L,那么这个刚体在时刻t的长度等于L。我们这样定义长度的好处是,我们暗示了长度是某个刚体对应的一个测量参数,而不是固有参数。

        其实类似于长度的定义,我们也可以来思考质量的定义。直观上质量似乎也是一个刚体的固有参数,或者说固有属性,(在程序语言中,一个参数是一个对象,我们可以用一个字符串来引用它们),然而真的是这样吗?谁能证明质量不是一个测量量呢?无人能证明。质量很有可能确实是一个测量参数,它等于力与加速度的比值。

    长度的变化

        现在我们结合前面的讨论,直观地理解长度的变化,让长度的变化更加“直觉化”。

        设想这样的情况,现在有两个质点A和B,测量者P1测量到:

      质点A在时刻1s时出现在了位置1m,在时刻2s时出现在1m位置,质点B在时刻1s时出现在5m位置,在2s时出现在5m位置,根据长度的定义,测量者P1可以宣称两个质点之间的长度在时刻1s时和2s时都等于4m。

        现在有另一个测量者P2,测量到:

      质点A在时刻10s时出现在位置10m,在时刻11s时出现在位置11m,质点B在时刻10秒时出现在12m,在11s时出现在13米,测量者P2可以宣称两个质点之间的长度在时刻10秒时都等于2m。

      上面这种情况为什么会发生呢?一个现象往往是另一种更加基本的现象的结果,也就是,测量距离不同现象的原因在于时间的延迟。时间的延迟又是一种什么样的现象呢?也就是如果在一个参考系测量出,两个事件发生的时刻相同,那么在另一个参考系可以测量出,在这两个参考系原点确定的运动方向上,位置离原点越远的事件发生的时刻越大(也就是越晚发生)。

      注意,事件是没有速度概念的,只有发生的概念。

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