文档介绍：伽利略的脉搏
——论物理学中的时空测量
董加耕
第一部分:参照系内部的时空测量标准
1 伽利略的脉搏准确吗?
伽利略一生作过许多著名的试验,其中一次试验据说是在教堂里进行的。那时的欧洲正处在文艺复兴时期,许多人已开始对宗教产生怀疑,因此,伽利略在教堂中做礼拜的时候可能心不在焉,他仰望着教堂屋顶上悬挂着的吊灯。吊灯在平稳的摆动,而伽利略却激动了,他不得不用他的右手压住他左手手腕上的脉搏——他有了一个惊人的发现,他发现,吊灯就像受到人为的操纵,每次摆动所用的时间竟然完全相同!
显然,伽利略在用他的脉搏作为时钟。
伽利略的脉搏准确吗?它能替代时钟作为时间测量的标准吗?
让我们来理性的分析一下伽利略在教堂中的试验吧。
你也许会这样回答:这还用问吗?伽利略的脉搏当然不精确了,但我们后来用更精确的时钟进行测量,也证明了摆的等周期性;而且,更重要的是,摆的等周期性不仅是一个试验结论,也能从经典力学规律给出严格的证明——查一查高中物理课本就知道了(对于这个问题而言,仅用经典力学就足够了)。
且慢,你凭什么说伽利略的脉搏不精确,而你后来用的时钟精确?是因为你用的是石英钟吗?石英钟就一定比伽利略的脉搏或机械钟精确吗?当年,人们用日光影子的位置来计时,后来,人们发现这种计时方法“不精确”,因为它与漏砂计时不吻合,人们认为,“砂子是匀速漏下去的”,但是,我们测量出“砂子是匀速漏下去的”那个“更精确的钟”又是什么呢?如果还未发明比漏砂计时“更精确”的钟,我们凭什么说漏砂计时比日光影子计时“更精确”?凭什么说“砂子是匀速漏下去的”?你说,砂子下漏不会受到别的因素干扰,但日光影子又会受到什么干扰呢?我们最多只能说,用日光影子计时不方便,阴雨天无法使用,但我们能说日光影子计时“不精确”吗?
让我偷换一下我们讨论的对象,用测量长度的直尺替代测量时间的时钟进行讨论,因为直尺的“干扰因素”可能更为明显。设你有一把直尺,我也有一把直尺,而你认为我的直尺“不精确”,因为你的直尺材料比较好,不会产生热胀冷缩。但是,你测量出你的尺子“不会热胀冷缩”的更标准的直尺又是什么呢?如果没有比你的尺子
“更标准”的尺子,你凭什么说你的尺子不会热胀冷缩?
如果你说我的尺子在不断的收缩,我也可以说你的尺子在不断的膨胀。你不能说,大家都看到我的尺子在明显收缩,而你的尺子长度不变,因为我们的“眼睛”是不能当作标准的。实际上,人类的眼睛、人类的感觉系统最早可能是作为时空测量标准使用的,直到现在,如果不是精确测量,我们仍用我们的感觉系统作为时空测量标准,当我们手中没有拿直尺和时钟时,我们也能感受到物体的长度是否在变化,以及变化的快慢程度。伽利略发现摆的等周期性时,就是用了他的脉搏作为时钟。但是,后来我们“认为”这套人类身体自有的标准不是十分“精确”,因而改用了人体以外的物体和过程作为时空测量标准。但我们又是凭什么说人体自带的那套时空测量标准“不标准”呢?
你可能会说,我们不要争论了,在物理学中,“标准的直尺”和“标准的时钟”早已规定好了,其它人的尺子和时钟只要与那个“标准的直尺”和“标准的时钟”比较,就能判定它是否“标准”。我知道,物理学家们已经约定,1s时间是指铯原子的周期性辐射在规定的次数内所持续的时间,而1m长度原来约定是放置在伦敦大英皇家天文台一个恒温恒湿箱中的、用铂金制成的条状物体的长度(后来又有了新的规定,本文后续将讨论这种新规定)。我现在的问题是:为什么物理学中现在规定的直尺和时钟是“最精确”、“最标准”的呢?我们凭什么说它是“最精确”、“最标准”的?
你说,标准问题我们说不清,但单摆的等周期性确实是一个精确成立的物理规律,或者说是力学规律的精确推论,高中物理课本上就有单摆周期公式的推导过程。但是,如果时空测量标准还未说清,如果我们不能保证我们所用的直尺和时钟是“最标准”的直尺和时钟,我们还能相信物理教科书中的物理规律吗?难道这些物理规律不是用直尺和时钟测量出来的吗?
还有一种表面上看是唯物的,实质上却是唯心的观点,这种观点认为,空间的大小、时间的长短,是客观存在的,它有它的“真实的大小,真实的长短”,而我们用时空测量标准所测量出的空间大小和时间长短,只是一种相对的“显示值”。但如果时空的“真值”永远也无法测量,不能为我们所知,我们讨论它还有什么意义?我们的讨论是不是在凭空的或唯心的讨论?如果物理规律是测量出来的,物理规律中的时空值就只能是我们测量出来的“示值”,而不会是无法测量的所谓的“真值”。我认为,我们只能讨论用时间和空间测量标准所测量出的物体运动过程中的时间和空间,以及由这种测量所归纳出的物理
规律。脱离时空测量标准谈论时间和空间是毫无意义的。
伽利略的脉搏准确吗?关于这个问题,我认为,我们只能说,时间和空间测量标准,即时钟和直尺是人