理论教育 光速测不准原理:时空学概论

光速测不准原理:时空学概论

时间:2023-11-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:光速测不准原理:在欧氏空间的任何参照系中,任意两时空位置光速c的实际长度不可能完全相同。因此,光速测不准是指c的长度不严格相等,不是指ω×λ的值与c值存在误差。理由二,物理学中的长度基本单位“米”是在近似的欧氏空间,而非绝对的欧氏空间条件下根据光速测定的,光速测不准原理说明长度基本单位“米”是一个近似值。光速测不准原理和量子力学的测不准原理分别从宏观和微观方面界定了物理学是一门近似科学。

光速测不准原理:时空学概论

下面提出一个对时空学和物理学的理论和实践都有重要影响的原理。

光速测不准原理:在欧氏空间的任何参照系中,任意两时空位置光速c的实际长度不可能完全相同。

首先,实验证明光速同所在空间的介质密度有关,显然在宇宙空间中各点,包括所谓真空的介质密度并不严格相等。其次,在引力场空间中,光速与引力场相对强度有关。这一结论已经被日全食时,对星光弯曲的测量实验所证实。在宇宙浩瀚的欧氏空间中,任意一点的引力场强度也不严格为零,并且任意两点的引力场强度并不严格相等。第三,在某一确定参照系中的某一确定点,其介质密度和引力场强度随着时间变化仍有涨落,如观察者因运动引起位置变化等。以上三点说明,只有在绝对没有介质、没有引力的欧氏空间中,光速才可能严格不变,而这样的欧氏空间在我们的宇宙中并不存在,因此在我们的宇宙所属欧氏空间中,各时空坐标点的光速不可能严格相等,光速测不准。

必须说明,光速测不准的内涵是光速在不同参照系中的实际长度不同,而光速“读数”,即包含“米”的数量是相同的。这是因为,光的频率与引力场强度无关,仅波长与引力场强度有关;另外,实践证明光的频率与介质密度无关,光速长度不同仅仅是波长不同,而频率是不变的。所谓波长不同是波长的实际长度不同,而波长的读数,即波长与米的比例是相同的。由于频率不变,波长与“米”的关系就是正比例关系。

第一章在介绍长度的单位“米”时,已经说明长度单位米和光速c二者是“循环定义”:长度单位“米”值在逻辑上是由光速常量c的实际长度定义的,而光速常量c的实际长度又是根据长度单位“米”值确定的。二者同样是正比例关系。

虽然在宇宙欧氏空间中存在一定的介质和引力,会引起光速c实际长度的波动,但是这一波动的绝对值和相对量都非常小,对人类的生产、生活科学实践影响也很小。以太阳引力为例,当到太阳中心的距离R从∞变化到太阳表面r时c的值相应地从c变化到1.000000000009c。变化的绝对值为L=2.7 mm,比上一任“米”的标准——米尺原型热胀冷缩产生的误差还要小。只是,介质对光速实际长度的影响比引力场强度产生的影响略大。

用光的特性定义“米”,在理论上有一个优点,不管引力场强度和介质密度怎样变化,都是波长相应变化,频率不变,结果都是c的实际长度不同,而包含“米”的数值不变。因此,光速测不准是指c的长度不严格相等,不是指ω×λ的值与c值存在误差。理论而言,在任何情况下ω×λ的值与c都是严格相等的,这也是“光速测不准”的内涵。

可以断言,用光速定义“米”是科学的、先进的,今后不会被其他定义取代。

光速“测不准”与量子力学测不准原理的内涵不同,光速“测不准”是由于“先天不足”——“光速不变公理”本身就是近似的。虽然光速c包含米的值相同,但是每“米”的实际长度不同。测不准原理的“测不准”是由于“后天不足”——微粒子的位置、动量或能量、时间都是精确存在,只是不能同时精确确定它们的值,并且,对它们的测量必然破坏原来的运动状态。(www.daowen.com)

光速测不准原理说明了物理学的另一个基本特征:物理学并不是一门精确的科学,而是一门近似科学。

理由一,物理学是一门关于实验的科学,既是实验就必然存在设备和技术的不足,必然有误差。理由二,物理学中的长度基本单位“米”是在近似的欧氏空间,而非绝对的欧氏空间条件下根据光速测定的,光速测不准原理说明长度基本单位“米”是一个近似值。物理学公式一般都直接或间接包含长度这个物理量,因此在本质上,根据物理公式计算得到的物理量都是近似值;再有,若干物理量导出单位是由长度基本单位直接或间接导出的,这些物理量的值也是近似值。所以说,物理学是一门近似科学。究竟有多近似?非常近似。如果不计测量误差,从理论上讲,其精确程度可以始终满足人类生产生活和科学实验的需要。

光速测不准原理和量子力学的测不准原理分别从宏观和微观方面界定了物理学是一门近似科学。

由于自然科学都涉及计量,因此,从以上意义讲,所有自然科学都是近似科学。

“光速测不准”说明在《量子力学》和《相对论》关于定域性与非定域性的争论中,笔者是支持《量子力学》非定域性的观点的。不仅《量子力学》,物理学都是非定域性的,而且物理学的非定域性是整体的、系统的,不是局部的。

顺便说明,物理学的非定域性还有一个重要原因,就是物理学的所有结论都成立于观察者的本征参照系,而牛顿力学仅成立于绝对时空的绝对参照系。在许多情况下观察者的本征参照系只是近似的绝对参照系。

本征值原理说明所有物理学定律、公式中的物理量都必须是本征值。物理学的一个基本特征就是考量物理变化,事实上就是考量物理量的本征值变化。

本征值原理和光速测不准原理在很大程度上说明了时空学和物理学的基本性质和基本特征,因此是时空学的基本原理。

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