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物理的感悟:(十)宇宙的靜止參考系
2024/10/13 01:32:47瀏覽8|回應0|推薦0

在前文已經討論過,除非有可確認的靜止參考系,才能描述真實位置。沒有真實位置,就無法計算真實速度。那麼真實物理就只能純靠推衍,卻無法直接驗證。那麼如何找到可確認的靜止參考系呢?

在進一步討論之前,首先要釐清靜止的意義。一般的認知,靜止是物體的位置不隨時間的前進改變。前文已經闡明,人類雖然可以觀察到物體的真實位置,卻無法描述,也沒有能力直接跨時間比較。因此,一般人所認知的靜止並不是真正的靜止,而是對於一個參考系,通常是與地球表面相對位置不變的相對靜止。所以認知相對靜止的方法不適用於確認真實靜止。

所有的物體在宇宙中形成一個群體,稱為宇宙群體。這個群體有一個質量中心。由於所有的物體都包括在宇宙群體之內,宇宙群體的質量中心也可以簡稱為宇宙質量中心。在力學中不可能有外力作用在宇宙群體。依照真實慣性定律,宇宙質量中心必然依照慣性等速前進;時空軌跡必然是一條直線。宇宙質量中心對於人類觀察者,理論上是可計算的。換句話說,是可以確認的。前文敘述了計算方法。如果可以證明宇宙質量中心的位置不隨時間前進改變,那麼就可以當作可確認的靜止參考系。

對於力學的宇宙的理解有兩種方式,分別是會變化的三維歐幾里得空間,以時間為參數;以及包含時間的四維空間。先討論在會變化的三維歐幾里得空間中的宇宙質量中心。

真實慣性定律只保證宇宙質量中心的速度不變,並沒有保證靜止。那麼如何思考這個問題呢?首先思考的是「宇宙質量中心的速度從何而來?」速度必然定在宇宙起始時。想像在宇宙起始時只有一個物體,佔據三維空間的一個位置。它的速度應該是多少?速度是之前的位置與現在的位置對時間的變化率。但是起始時沒有「之前」,物體只能是靜止。物體的質量中心也只能是靜止。之後物體可能裂解成許多塊,甚至爆炸。然而這些都是內部的變化,質量中心的位置不會改變,仍然是靜止。

如果宇宙起始時有許多個物體分布在三維空間中。依照同樣的論述,每一個物體都靜止。之後無論它們如何變化,它們的質量中心的位置仍然不變。據此論述,宇宙質量中心可以作為靜止參考系。

再來討論四維空間中的宇宙群體質量中心。

力學原本沒有四維空間這種理解。畢竟三維空間更貼近人類的直觀。四維空間這個觀念來自於相對論。而且不是愛因斯坦的原始論述,而是閔考斯基從幾何學的方面描述相對論所提出的閔考斯基空間。我發現以四維空間能更理解力學,而以這個觀念建構成符合力學的四維空間。與閔考斯基空間的唯一差異是時間度量與空間度量相互獨立。

四維空間不符人類直觀,需要更多的努力深入理解才能接受與貫通。這裡要多說一句,人類的直觀經常是錯的。整個物理學的發展充斥著破除人類錯誤直觀的例子,如地平說、運動趨靜說、重物降落較快說、地球為宇宙中心說、以及三維宇宙觀等等。前面幾個例子經過物理教育都已經被普遍糾正。四維宇宙觀已經存在了超過100年,卻仍然不被廣泛理解,只能說是物理教育界的嚴重失職。

人類觀察,宇宙有前後、左右、上下、以及過去未來,四組方向。自然應該是四維。前三組是一般認知的空間。第四維是時間。四維空間中所稱的「空間」,雖然採用相同的名稱,並不是一般認知的空間,其中包含時間。

力學的四維空間中同一時刻的所有四維空間點集合成一個三維歐幾里得空間。不同時刻的三維空間互相平行,沒有交集。所有物體,包括人類觀察者,隨著時間的前進從一個三維空間移動到另一個三維空間。在任何一個時刻的人類觀察者只能觀察到與自己同時刻的三維空間中的物體。物體並不會從前一個三維空間中消逝。而是同時刻的人類觀察者觀察到不同相對位置的物體而產生的錯覺。關於這些現象,在討論相對論時會詳細解說。其中與力學不同的部分更會深入探討。

前述對於靜止的理解是物體停留在同一空間點,不隨著時間前進而改變位置。但是在四維空間理解中所有的物體一直在改變位置。因此在四維空間中沒有一般意義上的靜止,得另行定義。沒有靜止是四維空間的性質,與力學或相對論無關。

如何定義四維空間的靜止呢?物體在隨著時間前進而前行時,每一個時空方向代表一種速度。靜止時速度為零。那一個方向的速度是零呢?四維空間並沒有偏好。也就是說,四維空間對於時空方向對稱。這種對稱就是為什麼物理定律只有對所有速度一視同仁的慣性定律,而沒有關於靜止或其他速度定律的根源。對稱是物理中的核心觀念,由諾特提出。後續會有更多的闡述。

既然四維空間對於方向沒有偏好,那麼是不是可以任選一個方向定義成靜止?不行,因為要的不只是靜止,而是必須在任何時間都能夠確認位置,才能成為靜止參考系。如果選的是一個空間點,時間前進後如何確認在另一個三維空間中的對應的位置?如果選的是一個物體,如何在物體碰撞、裂解、聚合後確認對應的位置?一個合理的方式是採用前述的宇宙起始時物體處於靜止狀態。宇宙質量中心自然也處於靜止狀態。而且隨著時間前進,依照慣性定律,應該一直處於靜止狀態。因此就可以定義靜止為與宇宙質量中心相同速度。這種定義方式顯示靜止不是四維空間本身的性質,而是外加的觀念。

靜止參考系對於真實力學的理論與定律不是必要的。真實位置、真實速度、及真實慣性並不依靠靜止參考系而存在。由於人類觀察者的侷限使得它們難以觀察、描述、測量、及直接驗證。靜止參考系的功用是在理論上讓人類觀察者能夠描述、測量它們的量,及直接驗證真實定律。

( 知識學習科學百科 )
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