第一组:光速,真空光速
首先还是老生常谈,这一组仅写给只读过科普的爱好者。
相对论认为普通物体(手电筒光斑等事物就不算)的速度不能超过真空光速。在不严谨的科普书里可能会简单地概括为“相对论说光速不能被超越”之类的,这就误人子弟了,好歹把真空二字别忘了,并且最好加粗或加着重符号。要知道,在介质中,粒子可以随心所欲地超光速,但不能超真空光速。
第二组:参考系,观测者
这一组写给大家,希望大家对常见概念都能清晰认识,再接受。
参考系,就是充满全空间的观测者组成的系统,每一个地方都有观测者,而每个地方发生的事情都要由当地的观测者去观测。比如火车过山洞,地面系观测火车进入山洞和离开山洞,就要分别由山洞头和山洞尾的观测者来实地观测。
在一些宇航问题中通常说的“地球系”,“飞船系”这样的说法是有坑的。不论地球还是飞船,在宇宙空间中都只能看作单一的观测者,而构不成参考系。要构成参考系,得补充一大堆观测者分布在研究的空间范围内。
说点个人看法,补充这么些观测者是不具有现实意义的,尤其是弯曲时空中,你无法构造出惯性系。在宇航问题上,还使用基于参考系的方式研究问题就不合适了。进一步,我认为明明好不容易将时间和空间统一,还去做什么3+1分解,根本就是在倒退。就像买了个灯泡用不惯,拆了当煤油灯的灯罩使;买了辆摩托不会开,绑着绳子用骡拉。
第三组:速度,天体的退行速率
这一组写给有一定思考的爱好者。
由于宇宙膨胀,遥远的天体相对于我们的退行速率可以达到好几倍光速。卧槽,超光速了,而且是超真空光速了!别急,在回头看上面的粗体文字,是“速度”不能超真空光速,没说“天体的退行速率”不能超光速。那么二者有何区别呢?
首先,速度(3-速度)这个概念是相对于参考系而言的,而退行速率,是天体相对于地球的。上面表明,在宇宙中,地球只是一个观测者,不能构成参考系,所以也没法定义天体的“速度”概念。当然,你可以补充一大堆观测者,布满全宇宙,对天体进行实地测量。这样,测得的天体速度就会小于真空光速了。
那么“天体的退行速率”为什么可以在速度低于真空光速时,超过真空光速呢?因为退行速率是天体到地球距离的增长速率。距离增长可以由天体的运动带来,即由天体的速度带来;也可以由时空的弯曲带来,对于我们的宇宙,即宇宙膨胀带来。第二种效应是可以让退行速率无限增大的。就好像两个城市之间的公路,城市没动,而是路自己长长了,城市之间的路程也就远了。这时候两个城市的速度还是小于真空光速,甚至可以相对于某个参考系都为0,但由于路自己会长,它们之间的距离的增长速率就没有限制了。
第三组:引力,引力的平行部分,引力的非平行部分(潮汐力)
这一组是有一些专业书籍也会混淆的,写给有疑问的同学,和深入思考的爱好者。
引力可以分解为平行部分和不平行部分,后者即潮汐力。等效原理中所说的“引力”,说的是忽略掉潮汐力后的引力,也就是其平行部分,等效于惯性力。包含潮汐力的完整引力,就不与惯性力等效了。“引力等效于惯性力”的说法犯了概念不清的错误,把引力的一部分(平行部分)叫做了“引力”。
再说引力和时空弯曲的关系,许多科普和半科普性的教材会说“引力的本质是时空弯曲”之类的话,这句话也犯了同样的错误,把引力的另一部分(潮汐力)叫做了“引力”。潮汐力才是时空弯曲的体现,平行部分则和时空曲率无关。
可见“等效原理”和“引力的时空弯曲本质”两种说法中的“引力”是完全不同的两个概念,分别是引力的不同分量。如果单从语文上推理,把两个“引力”当成同一个概念,就要犯错误了。比如犯这样的错误:平直时空 -> 惯性系 -> 参考系变换 -> 加速系 -> 惯性力 -> 引力 -> 时空弯曲,就这样推出了自相矛盾的结果。错就错在“引力”概念的模糊。
由于引力的平行部分与惯性力等效,我们可以说引力可分解为惯性力和潮汐力。
惯性力是参考系的加速度(4-加速度),或者说参考系的非惯性或非测地性,带来的。而潮汐力是时空弯曲带来的。
最后就是SR和GR的界限问题,公认的界限是:平直时空属于SR,弯曲时空属于GR。有些人认为有引力就要用GR,还是犯了“引力的本质是时空弯曲”的错误。非要用是否有“引力”来描述界限,应该是有引力的非平行部分,即有潮汐力,就属于GR,否则属于SR。
这样,就能很容易界定诸如双生子等问题所属的范畴。简单的双生子问题属于SR。如果去黑洞附近转圈,那就属于GR了。