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物理的感悟:(三十四)四維速度的真實根源
2025/07/17 06:50:30瀏覽21|回應0|推薦0

物體要有速度,必須能動。物體為什麼能動?恐怕沒有什麼人想過這個問題。多半還會認為這個問題很蠢。物體能動顯而易見,天經地義。

相對論是建立在四維空間之上。四維空間包括前後、左右、上下、過去未來。既然包括了過去未來,四維空間中的一切只能固定不變。既然固定不變,物體怎麼可能動。

在四維空間中,物體的確不能動。自然沒有速度。但是人又的確看到物體能動。有速度。所以物體能動來自於人類的觀察。是人類的觀察產生動這個觀念。衍生出速度這個觀念。這簡單的推論說明現行物理的純景象物理架構是殘缺不足的架構。真實物理的「真實物理經人類觀察生成景象物理」的新架構才是完整正確的架構。

人類的觀察如何讓固定的物體能動呢?

在四維空間中,所有的物體,包括人在內,都是四維超體。有長、寬、高、時四個維度的長度。其中時長又稱為物體的原時。沿著原時的路徑稱為四維路徑。三維空間的路徑,其實是四維路徑對三維空間的投影。

假設有一個人類觀察者甲。甲的四維路徑方向與真實方向一致。就以甲的四維路徑為參考系。之前已經定義為標準參考系。以參考系上一點為原點建立一個標準座標系。甲的時刻在原點設定為0。甲的每一個時刻都有一個與ct軸垂直的三維空間。這個三維空間切割四維超體成三維形體。

有一個四維超體乙。四維路徑是一條通過原點,與標準參考系夾角θ的直線。乙與甲的距離是甲時刻三維空間中乙與甲的距離ct×tan(θ)。甲在四維空間的位置也隨著時刻改變,三維空間隨著改變,距離也隨著改變。然而甲並沒有認知到三維空間變了。只是因記憶察覺到距離變了。造成物體的三維形體在動的印象。這就是物體能動的原因。

速度是怎麼計算呢?速度是由速率與方向組成。速率是距離對時間的變化率。A與甲的距離對時間的變化率是tan(θ)。方向是四維路徑對垂直三維空間的投影的方向。

由於直線與真實方向的夾角不變,當四維路徑是直線,速度就不會改變,是真實慣性。真實慣性的四維路徑也必然是直線。

以上速度的觀念是力學對速度的觀念沿用到相對論。建立在人類觀察者的度量之上。

還有一種建立在真實物理上定義速度的方式。

物體的四維路徑上任何一點都可以建構一條切線穿過。切線的方向由過去指向未來。這樣的切線稱為向切線。物體的向切線是物體速度的本源。

首先以向切線定義物體一點的真實四維速度。假設有物體甲。甲的四維路徑上任何一點A。通過A的向切線與真實方向的夾角為θ。以A為原點建立一個標準座標系。讓A的向切線對x軸方向傾斜。那麼A的真實四維速度為沒有量綱的向量(1,tan(θ),0,0)。去掉ct軸的值,A的三維速度為(tan(θ),0,0)。

再定義物體一點的相對四維速度。假設有參考系乙。乙的四維路徑上每一點也都有向切線。每一條向切線在切點都有一個垂直的三維空間。如果其中B點的三維空間含有A點。那麼物體甲在A點對於參考系乙在B點有相對速度。對於乙的其他點,A點沒有相對速度。

要得到相對速度,在A點建構一條與B點三維空間垂直的線。這條線必然與B點的向切線平行。A點的向切線與垂直線的夾角為θ。以A為原點建立一個笛卡兒座標系。讓ct軸與垂直線重合。讓A的向切線對x軸方向傾斜。那麼A的相對四維速度為向量(1,tan(θ),0,0)。去掉ct軸的值,A的相對三維速度為(tan(θ),0,0)。

以上的速度定義無須經過人類觀察。無論真實四維速度或相對四維速度都不需要閔考斯基度量。歐幾米得度量,或力學的四維時空相互獨立度量均可適用。因此,速度的觀念是源自真實物理的觀念。根本建立在向切線上。

在許多物理書以及維基百科中花了不少篇幅與複雜的計算得出物體的四維速度以自己的原時度量是光速。因此得出結論,所有的物體都是光速。這個看似重要的結論其實是錯的。

當物體以自己的原時計算速度,其實是以自己四維路徑為參考系。每一點的夾角必然是0度。tan(θ)=0。四維速度是(1,0,0,0)。其中1的單位是光秒/秒,也就是光速。這個結果看似與其他物理書一樣,但是應該如何理解呢?

在相對論中,光速其實應該理解為時空度量單位轉換常數。與1000公尺/公里的意義相同。而不是光在力學三維空間中的速度。所以以上例子應該理解為「任何一個物體四維路徑對自己的變化率必然是1」。

事實上光的真實四維速度是(1,1,0,0)。由於光的路徑上任何兩點的四維距離是0。光沒有對自己的四維速度。光的三維速度是1光秒/秒。不要將光的三維速度四維空間的時空度量單位轉換常數兩種完全不同的觀念相混淆。

在愛因斯坦剛提出相對論時,除了閔考斯基,其他包括愛因斯坦自己在內的物理學者仍然沿用力學會變化的三維空間為基礎。以至於許多相對論的觀念與理解是錯的。這些錯誤流傳到一百多年後的今天。許多解說相對論的書籍文章以及物理教學仍然沿用這些錯誤的觀念,誤導讀者與學生。後續會指出這些錯誤並改正。

( 知識學習科學百科 )
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