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相对性原理是一个具有评判功能的框架性理论。所有放入该框架的理论、定律,如果符合相对性原理,则可以被我们判定为客观的真实的,否则将会被判定为主观的非真实的。它的评判功能体现了所有参考系(观者)对于客观规律认知的平等性。即客观规律不以观者的不同而改变。 相对性原理是一个先验的理论,无法被证明也无法被证伪。是一个基于人类认知并符合人类思维模式的理论。它的存在可以说是人类的选择,是人类选择采用了相对性原理来评判理论或定律的客观与否,正确与否。 相对性原理甚至超越了物理的范畴,是一个哲学理论。如果说物理是自然哲学的数学原理,那么相对性原理就是自然哲学,并不涉及数学原理,因为它无法用数学证明。它的建立是以人类对世界的认识为基础的。所以它是先验的,假定正确的原理。 相对性原理是一个基础的底层的理论,是一个管理论的理论。因为一个理论或者定律是否正确是要由相对性原理来评判。 我们在光速时空中进一步拓展相对性原理的适用范围。相对性原理不仅能够评判定理定律,而且能够评判事件的真实性(评判事件是真实事件还是观测事件);相对性原理的观者不仅仅只是空间位置上不同的观者,而且可以在时间坐标上不同。即基于相对性原理的不同观者所具有的平等性不仅体现在空间位置上,也会体现在时间坐标上。也就是说,从此以后,相对性原理可以从历史进化的角度评判定理定律和事件。让理论定律和事件经得起时间的检验。
历史上也出现过似乎相对性原理失效的例证,不过很快被科学家用修改变换法则的方式消除了。麦克斯韦电磁理论有一个重要结论:电磁波(光波)在真空中的传播速度是一个常数c,如果相对性原理不仅适用于力学,对麦克斯韦电磁理论也成立,那么光在任何惯性系中的速度都是恒定为c,与惯性系之间的相对运动无关,也与观者相对于光源的运动速度无关。但是根据伽利略变换,相对于光源静止的观者测量光速为c,但是与光的方向相向且速度为v的运动观者会观测到光速为c+v;反之,与光的方向相同且速度为v的运动观者会观测到光速为c-v,这三个观者不可能测量出同样的光速c.那么既然电磁理论和相对性原理都是对的,而为什么两者之间却又出现了矛盾,该怎么解决呢?难道相对性原理并不正确?因为电磁理论是被精确验证过的。而相对性原理无法在理论上给予证明,它之所以被承认只是因为在科学界达成了共识,又比较符合科学家们的认知而已。众所周知,问题最终的解决方式是,修改伽利略变换,升级为洛伦兹变换。这样既不违背电磁理论又符合相对性原理。 但是我们深刻分析相对性原理的内容,可以得出如果有什么物理定律不符合相对性原理,那么事实上我们依旧可以捍卫相对性原理的正确性:要么那个物理定律的某些条件和其它参考系有差异,超出了适用范围。要么更直接,那个物理定律错了。总可以让相对性原理继续正确下去。 现今阶段,相对性原理发展到了广义相对性原理阶段,成为了一个无所不包的原理之中的原理。对于这样强大的理论,我们应该反过来使用。即不再去检验相对性原理的正确与否,而是用相对性原理去检验和衡量其它的定理定律的客观性和正确性。 如此一来,我们对相对性原理的认识就进入到了一个全新的高度。
根据相对性原理的建立和发展历史,相对性原理分为伽利略的相对性原理(力学相对性原理)、狭义相对性原理和广义相对性原理。先具体介绍这几个原理的内容: 伽利略提出了相对性原理:力学规律在所有惯性坐标系中是等价的。力学过程对于静止的惯性系和匀速运动的惯性系是完全相同的。换句话说,在一系统内部所作任何力学的实验都不能够决定一惯性系统是在静止状态还是在作匀速直线运动。牛顿力学服从伽利略相对性原理,因此,伽利略相对性原理又称为力学相对性原理。 狭义相对性原理:任何真实的物理规律在所有惯性系中应形式不变,或者说,一切惯性系都是平权的、不可分辨的。可以看出,狭义相对性原理是伽利略相对性原理的推广,实质上是肯定了在所有惯性系中,不仅仅是力学规律而是所有的物理规律的绝对性。狭义相对性原理否定了宇宙中存在着一个优越的所谓绝对静止的惯性系,但是却肯定了存在一群优越的坐标系,即全部惯性系。这个问题在广义相对论中得到解决。 由于在狭义相对论中无法定义惯性系,所以爱因斯坦将狭义相对性原理推广到在任何参考系中都成立,而不仅仅是对惯性系成立。即狭义相对性原理被推广称为广义相对性原理:一切参考系都是平权的,物理定律在任何坐标系下形式都不变,即存在广义协变性。
运动和历史 动体在观者坐标系中做匀速直线运动。则该动体的运动轨迹是确定的。观者a可以通过观测和计算而得到该动体任意时刻的空间坐标。即观者a可以用一组时空坐标来描述动体的一个时空位置。由于动体的运动轨迹是确定的。那么运动轨迹上任意一点都对应着唯一确定的时空坐标,观者a即便不进行观测,依然可以根据运动轨迹算出动体任意时刻的时空坐标。 若称此事件为事件H,则事件H可以这样描述,观者a在时间为t的时刻,动体运动到了观者a所在惯性参考系中的一处位置,其时空坐标为(t,x,y,z). 对照“运动”的概念,在物理学中,运动是指动体在空间中的相对位置随着时间而变化。即运动被用来描述动体时空位置的变化。所以事件H正是描述动体运动的。 事发主体为动体,事件内容是动体运动到观者a所在惯性坐标系的时空坐标(t,x,y,z)位置。事件时空坐标是(t,x,y,z). 这样的事件是真实发生的吗? 对于观者a来说是千真万确真实发生的。 我们会发现,当事件是描述动体运动的时空坐标时,这种动体的时空坐标无法在全部惯性观者所在坐标系中进行变换。例如观者b相对于观者a以速度v做匀速直线运动,那么事件H的时空坐标就无法变换到观者b所在的坐标系。 我们知道,动体的存在具有持续性,它的运动会存在于某个时间段中,如何保证不同观者观测到的动体是同一个动体呢?最好方法就是如同在经典绝对时空观中那样,有一个绝对的“同时”概念。任何观者的时间都会统一在这样的“同时”下,从而保证了每个观者看到的是同一个时刻的同一个动体。这样,所有观者都可以描述同一个动体的运动,并且能够达成共识。 或者采用一个间接的办法,利用动体本身之上发生的事件作为参考,每一个观者观测这个动体本身发生的事件,大家会对该事件的坐标和内容达成共识。因而会得到此事件的时空坐标可以进行坐标变换,(洛伦兹变换)。这么做的前提条件是承认历史唯一原理(时空间隔不变)。只有这样,诸多观者才会观测到同样的事件内容和可以变换的时空坐标。这个间接的办法正是目前物理学所采用的。 我们若直接描述动体的运动,就会观测到狭义相对论效应:尺缩钟慢。而且不能与多个观者达成共识。即不能进行坐标变换。 我们若描述事件的时空坐标,间接来描述动体的运动,则先要承认历史唯一原理。 看到了吗,其实我们是在说两件事儿, 一个是描述运动;另一个是描述历史。 这两件事儿是否是一件事儿呢? 在经典绝对时空观中,就等于是一回事儿。 在狭义相对论时空观中,就不是一回事儿。 究其根本原因就在于对“同时”的解释。 当同时是绝对的,描述运动和描述历史就是一回事儿。 当同时是相对的,描述运动和描述历史就不是一回事儿。 我们说,描述动体运动的时空坐标不总是能变换到另一个观者坐标系中,原因是同时性的相对性。下面来举例详细论述。
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