(1)“同时”是绝对的,与参照系无关。如果认为“同时是相对的”则与“光速不变”矛盾。在逻辑上如果认为“同时是相对的”就是认为“光速与参照系有关”。
(2)参照系O是光源的本征参照系,参照系O′是光源的非本征参照系。参照系不同,同一物理量在其中的值也不同。只有本征值才能反映事物的本质。
(3)光脉冲的速度是光子速度,并且满足矢量法则。
(4)光子相对于绝对空间的速度始终为c。
解读图3-2的例子必须明确两个概念,本征参照系和本征值。
在时空学中,首先要明确光源的本征参照系与非本征参照系的区别。在光源的本征参照系中,光子速度与光速相同,光的频率、波长都是本征频率和波长;在光源的非本征参照系中,光子速度与光速不同,光的频率、波长都是非本征频率和波长。
时空学有一个特殊方法,就是根据光的表现研究物质运动的时空关系。因此光源的本征参照系是时空学中重要的基础问题,它好比牵牛驭马的缰绳。
图3-2中,如果将光源设置为A′点和B′点,则结果相反:就是参照系S和S′、A和A′点、B和B′点、O和O′点的地位交换了。光源静止于参照系S′与静止于S的结果完全是相对的。(www.daowen.com)
图3-2中,相对论提出了一个物理命题。有两个同时发生的事件,当事件发生时若在两事件之间的中点位置观测到事件发生的时刻不一致,说明“同时”是相对的。但是相对论的这个例子根本没有说明“同时”是相对的。在逻辑上,所谓的中点位置在接收到信号前可能在运动,因此命题不成立。
图3-2中,实际上还有一种可能,光源既不静止于S,又不静止于S′。例如,假设A和B,A′和B′都是一枚铁钉,在它们对准的瞬间都摩擦出了火花(光脉冲),则火花的本征参照系可能既不是S也不是S′,即产生这两火花的金属屑相对于S和S′都在运动。在这种情况下,两个光脉冲必然不能同时到达O和O′,而是到达的时间有先有后。这时,在理论上就必须根据产生火花的铁元素的谱线确定其本征频率,再测定其接收频率,进而根据多普勒定理确定两个参照系与火花源的相对速度,最后确定火花源的本征参照系。这是在不知道光源本征参照系的情况下,确定光源本征参照系唯一可行的方法。
另外,还要明确各个测量值的意义是本征值还是非本征值,是哪一个参照系的本征值。
上述例子还说明,两个参照系中的两点之间距离,与同一参照系中两点之间距离的内涵一般是不同的。在同一参照系两点之间距离与时间无关;在不同参照系两点之间距离与时间有关,因为这两点在相对运动。
根据以上分析和长度的本征值定理说明,对于不同的参照系,某一事物的某一物理量可以有若干不同的非本征值,非本征值不能表征事物的特征。为此提出本征值原理:只有本征值才能表征事物的特征。
本征值原理规定了测量原则:对事物的测量应该测量其本征值。换言之,对事物的测量应该在事物的本征参照系中进行。
本征值原理对时空学、物理学,乃至对所有自然科学提出一个基本要求:物理学和自然科学都必须以观察者的立场,或者说以本征参照系的立场描述。
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