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物理的感悟:(二十六)貫通相對論的訣竅
2025/03/28 01:43:02瀏覽19|回應0|推薦0

相對論我學習了四遍。剛開始從愛因斯坦的切入點,也就是光速不變入手。學完後一頭霧水。每一條公式都懂,也能用來解題。但是完全是應用數學。相對論的物理意義是什麼?相對論的宇宙是什麼?不知道。

後來我翻看許多物理書與論文,才知道還有一種閔考斯基(Minkowski)的相對論。從幾何學的閔考斯基空間切入。這才開始理解狹義相對論。

接著開始學習廣義相對論。廣義相對論中宇宙不再是閔考斯基空間,而是建立在微分幾何的開放集合(open set)、拓樸空間(topological space)、與流形(manifold)上。然後又是一堆數學定義、定理、及推導。物理完全被埋在數學中。學完後發現只學會了微分幾何,沒有學會物理。

以數學學習物理,完全是本末倒置。數學只是描述物理的一種方式,是較精確的方式,卻不是唯一的方式。物理觀念先要有物理意義,才需要描述。自此我開始第四次學習。先理解宇宙到底是什麼?然後某天靈機一動,認知到相對論,乃至整個物理,是人類觀察現象後的結果所得出的規律。宇宙本身的規律並沒有相對論這麼複雜,是人類的觀察將物理變得複雜。於是我將相對論拆成兩段。第一段是真實宇宙,我稱為真實論。第二段是現有的相對論。介於這兩段之間的是人類觀察模式。這麼一來,相對論就變得條理分明,容易理解。

宇宙在宏觀上是四維空間。四維意味需要四個維度的座標系來區分空間中的每個點。並且對應的區域連續,沒有洞。觀念其實很樸實。用數學準確的表達,又是開放集合、又是拓樸空間、又是流形,反而變得又抽象、又複雜。

四維空間是相對論的必要條件。如果空間不是四維,相對論必然是錯的。從另一面看來,每個人直觀上都知道有前後、左右、上下、與過去未來四個互相獨立的維度。其中只有過去未來有些疑問。因為人只能感受現在,以至於總覺得過去已經消逝,未來尚未來到。這是人類觀察限制所導致的錯覺。

既然是四維,過去與未來都得一直存在。而且是每一個人、每一個物體的過去與未來。未來既然已經存在,自然不可能改變。這就不可避免的得出最重要的結論:宇宙在宏觀上是固定的。當然,人類為什麼只能感受現在需要有一個合理的解釋。這個解釋已經在第十三篇給過。

四維宇宙中充滿了某種物質,稱為場物質。還分布著一種物質,稱為粒子物質。場物質與粒子物質之間的結構關係是微觀物理的範疇。相對論是宏觀物理,只討論兩者之間的作用。粒子聚集形成物體。場、粒子、物體都是四維。人類看見的全部都是三維物體。這些三維物體是在人觀察時四維物體的切體。嚴格來說,說是切體並不完全準確。第十三篇中也解釋過。人類其實看到的是二維影像。人的腦子將眾多的二維影像組建成三維影像,或者說腦補成三維影像。這其實每個人都可以自行實驗證明。腦補成的三維影像會漏掉一些細節。

融會貫通相對論的訣竅在於能夠觀想四維宇宙。要做到很難。得經過長時間的練習。做不到,只能學會相對論。能夠使用數學描述的定律解答問題。卻不能真正掌握物理意義,難以融會貫通。

雖然相對論已經存在超過一百年,確定宇宙是四維空間。然而人類以時間為參數的三維空間的思維習慣仍然很難改變。即使是物理學者也不例外。就拿宇宙大爆炸理論(big ban theory)為例。人類從望遠鏡觀察到遙遠的星球都逐漸相互遠離。從而判斷宇宙在擴張。依照宇宙擴張的速度回推,猜測宇宙是從一點開始擴張,而且剛開始時擴張的速度極快,可以稱為大爆炸。許多物理學者認為宇宙起源於大爆炸。

以四維思考這個現象會是什麼呢?宏觀宇宙是固定的。既然是固定的,當然不可能起源於某一個點。也不會擴張。宇宙大爆炸的結論是錯的。這裡可以看出,即使採用相對論的數學方法運算,就算所有的計算完全準確,物理意義理解錯了,最後的結論還是錯的。以四維思考,不必計算,就可以直接判斷出錯誤。

以後的篇幅都以四維空間解說真實論、人類觀察方式、與相對論。比傳統講解相對論更容易理解,也更合理。

( 知識學習科學百科 )
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