理论教育 王氏相对性原理:自然科学中任何量的值都是本征值

王氏相对性原理:自然科学中任何量的值都是本征值

时间:2023-11-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:根据上一节分析说明,伽利略相对性原理和牛顿相对性原理的内涵相同,是完全正确的,其形式也非常完美,只是在范围方面有两点局限。初级王氏相对性原理成立的范围限于欧氏空间。高级王氏相对性原理说明从地球上得到的哈勃原理、宇宙大爆炸等涉及宇宙学的结论,在整个宇宙中都成立。根据王氏相对性原理,可以得到推论:自然科学常数与时空无关。综上所述,“王氏相对性原理”最终形式表述为:自然科学中任何量的值都是本征值。

王氏相对性原理:自然科学中任何量的值都是本征值

根据上一节分析说明,伽利略相对性原理和牛顿相对性原理的内涵相同,是完全正确的,其形式也非常完美,只是在范围方面有两点局限。一是在空间上被局限在惯性参照系,应该包含非惯性参照系,即包含整个欧氏空间。王氏第一、第二运动定理已经说明了欧氏空间中不存在惯性参照系,所有参照系在事实上没有本质的区别。观察者观测到的所有物理现象,包括所有自然现象都与自身的运动状态无关,仅与产生物理现象的物质相对运动、相对位置有关,或者说物理现象仅与在观察者本征参照系中的初始条件和边界条件有关。在整个欧氏空间伽利略相对性原理和牛顿的相对性原理都成立。二是内容被局限在力学范围,应该包含整个物理学,即庞加莱的观点是正确的。这两点结论的理由已经在第一节“参照系的功能和特点”中说明,不再赘述。

根据王氏第一运动定理,可以直接将伽利略相对性原理发展为

初级王氏相对性原理:在欧氏空间的观察者本征参照系中,如果产生物理变化的条件相同(含初始条件和边界条件),则发生的物理现象相同。

该表述说明所有物理现象都是欧氏空间中观察者本征参照系的不变量。条件相同物理现象也相同,说明物理现象的内在规律相同。因此观察者归纳总结这些物理现象的物理学命题,表征的不是关于物理现象的经验,而是内在规律。在欧氏空间中,所有观察者本征参照系得到的相同物理学命题,内涵都相同。例如,假设某星系有一恒星,其周围也有多颗行星,则这些行星和恒星的关系同样满足开普勒三定律;再如,在远离太阳系的另一隅欧氏空间,光线在不同参照系中传播,同样会产生多普勒效应和光行差效应,并且表达的公式相同。

物理学命题的总和就是物理学。因此初级王氏相对性原理可以等价地表述为:欧氏空间中,物理学的物理量值都是本征值,本征值与时空无关,物理学与时空无关。

“与时空无关”包含的意思:

(1)物理学同一命题的表达形式和内容都相同。如果表达某物理学规律的命题有数学表达式,其数学表达式的形式和内容也相同。例如,在欧氏空间中单摆周期表达式的形式和内容都相同,在欧氏空间的不同参照系中,麦克斯韦方程组的形式和内容也相同。

(2)物理学中的物理概念和物理量的标准相同,物理量都是本征值。

(3)物理学在欧氏空间所有观察者本征参照系都成立。与观察者本征参照系的类型、位置、运动状态无关,即使这个参照系的相对加速度或者相对速度非常大。

初级王氏相对性原理成立的范围限于欧氏空间。根据定义,在欧氏空间中可以存在一定大小的引力和一定密度的介质,如地球表面。初级王氏相对性原理包含了部分引力场空间和介质空间的物理学理论,如引力定律、单摆周期公式、光的折射反射公式等。如果空间中引力的强度或介质密度对光速产生的影响不能忽略,则该空间不能看作欧氏空间。初级王氏相对性原理在非欧空间是否成立呢?

非欧几何与欧氏几何不同,仅仅是空间内禀性不同,导致有些图形彼此没有,有的非欧几何没有圆、没有平行线、没有相似多边形,而数学概念完全相同。引力场空间和介质空间中的物理学概念也与欧氏空间完全相同,不同的仅是有的空间存在的物理现象,在其他空间不存在。例如气象现象、声学现象等,在纯粹的欧氏空间、引力场空间就不存在,这些现象都是介质空间特有的。在本书后文将说明,时空学的五条公理在非欧空间同样成立,所有物理学概念的内涵完全相同。非欧空间与欧氏空间仅空间的任意平面满足的第五公设不同,或者说非欧空间与欧氏空间仅是一二维空间的内禀性不同,而在三维空间中的外延性完全相同。如果在引力场空间和介质空间中产生物理现象的初始条件和边界条件,包含引力场条件和介质密度条件都相同,则产生的物理现象也相同。因此,我们可以将初级王氏相对性原理推广到任意空间,成为高级王氏相对性原理:

如果任意空间中产生物理现象的初始条件和边界条件相同,则产生的物理现象也相同。(www.daowen.com)

例如,在引力场空间和介质空间中,运动学公式、多普勒公式、光速不变定理、伽利略变换、麦克斯韦方程组等同样成立,放射性元素的半衰期同样相同。又如,在两个介质空间,如果介质的种类和密度相同,边界条件和初始条件相同,如果其中一个空间发生了彩虹或海市蜃楼,另一个也会发生彩虹或海市蜃楼,甚至彩虹或海市蜃楼的图像也完全相同。物理现象相同说明其内在规律相同,该空间的物理学也相同。

高级王氏相对性原理与以下表述等价:物理学与参照系无关,即与运动无关,或与具体的时空位置无关,与空间类型无关。

高级王氏相对性原理说明,欲了解、研究宇宙中任意局域空间的情况,在不能身临其境时,只需根据该局域空间中的条件按照物理学规律演绎,就能得到与身临其境完全相同的结果。

例如,研究光在金刚石、玻璃中的传播,研究声音在钢轨中的传播,观察者不一定必须在金刚石、玻璃、钢轨中才能得到正确的结论。研究黑洞的性质也不必一定到黑洞中去,我们只要将各种环境因素考虑周全就可以了。

高级王氏相对性原理说明从地球上得到的哈勃原理、宇宙大爆炸等涉及宇宙学的结论,在整个宇宙中都成立。

由于其他自然科学都是观察者以本征参照系作为观测平台认识、发现的。根据前面的分析,任何一门自然科学都不是该学科的经验积累,而是科学规律的归纳总结。因此王氏相对性原理对所有自然科学都成立,即自然科学与时空无关。

表述中的“时空”包含参照系,参照系表征了观察者的运动状态和具体的时空位置和空间类型两个概念(下同),即自然科学与参照系和空间类型无关。

某一自然科学常数事实上是该自然科学某一量值的本征值,例如光速c、圆周率π等。根据王氏相对性原理,可以得到推论:自然科学常数与时空无关。

需要说明的是,由于基本物理量“米”“秒”“千克”是根据地球的具体条件确定的,现行的自然科学常数值一般都与地球有关。如果有生活在宇宙其他行星的“人类”确定的自然科学常数,其值肯定与我们的不同。如果通过两个行星上确定的“米”“秒”“千克”的关系换算,两个行星上的自然科学常数是等价的,即宇宙中所有行星系统的自然科学常数都是相等的。同理,如果某行星系统存在人类,其自然科学和自然科学常数都与时空无关。

综上所述,“王氏相对性原理”最终形式表述为:自然科学中任何量的值都是本征值。本征值与时空无关,自然科学的形式和内容与时空无关。

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