LungZeno

不知道為何寫起matters上來。

根據狹義相對論,地球繞日轉還是日繞地球轉,「地動說」與「天動說」是否同樣正確?

有人說「根據愛因斯坦的狹義相對論,地球圍住太陽轉還是太陽圍住地球轉,只是參考觀察系統reference frame的差別。所以『地動說』或者『天動說』同樣正確!」這是一個好疑問。

有人說「根據愛因斯坦的狹義相對論,地球圍住太陽轉還是太陽圍住地球轉,只是參考觀察系統reference frame的差別。所以『地動說』或者『天動說』同樣正確!」這是一個好疑問。

1. 地動說的勝利是伴隨牛頓的理論。牛頓的理論之中,重力會使得星體移動,重力源(星體)的重力質量會產生重力,關於這些東西,狹義相對論沒有推翻,廣義相對論沒有直接推翻,只是公式不太一樣。新版「天動說」之中,太陽的質量大地球那麼多,為甚麼會繞著地球公轉呢?連太陽都繞地球公轉,為甚麼其他行星會繞著太陽公轉而不是繞地球公轉呢?這是解釋不了的。誰圍住誰公轉可以用星體質量去分辨。

2. 狹義相對論講的是慣性座標系,即是等速度運動,不是加速度運動,而圓周運動是加速度運動。即是,密封的地鐵車箱,以直線等速率行走時,密封車箱內不會有風這類東西,向上垂直拋球,是原地接回。單看車箱內的世界,無異於車箱靜止,你是感受不到自己在等速度移動之中還是靜止。在箱外是加速度運動的東西,在箱內看也是加速度運動的,只不過實際數值,在牛頓的理論中要經過「伽俐略轉換」,而在相對論中要經過以「勞倫茲轉換」為基礎的轉換。而會說「單看車箱內」,因為你看著窗外,雖然可以視作地球和宇宙一切都一同以相同速度移動向你和車箱並掠過而離開,但是為甚麼地球及宇宙一切(除了你和車箱)會有相同一股速度向著你和車箱呢?這是無法解釋的,因而你可以判斷誰相對移動、誰相對靜止。

3. 廣義相對論才是處理加速度運動。出發點是「等效原理」。在密封鐵箱之中,你和箱內一切被拉扯落「地板」,向上垂直拋球,球會拋物線落地。單看箱內的世界,你是無法分辨,在無重力太空而加速中的火箭鐵箱之中,還是靜止在腳下星體有重力吸住你和箱內一切。即是慣性力等效於重力,慣性質量等於重力質量。另一個情況是,你乘搭升降機,斷了纜線,自由落體,你和升降機相對於地面都以相同加速度落下,你在升降機中,相對於升降機是飄浮狀態。單看升降機內的世界,你是無法分辨,你和升降機內一切是在無重力太空之中,還是正在自由落體,落下的加速度抵消了重力加速度。即是慣性力抵消了重力。同狹義相對論的情況一樣,如果有窗,你是可以從窗外風景判斷的。而看出窗外還能從力源去分析判斷。重力是有重力源的,例如星體,而火箭鐵箱內的慣性力是火箭噴射出燃料間接導致。

4. 除了看出窗外觀察分析整體情況。星體產生的重力場強度不是均勻分佈的,亦即重力加速度不是常數,在地表的重力加速度只是近似常數。重力加速度的大小是與重力源的距離的平方成反比,因而在與重力源的半徑方向上不同遠近位置是有加速度差距。這使得物體在向著和背著重力源的方向上被拉扯。月球對地球的海水就是這種情況,造成的現象叫潮汐,因而這種力的現象叫潮汐力。雖然像「殖民衛星」那樣的旋轉製造人造重力也有加速度差距,但離心力(即人造重力)是與半徑長度成正比,不是平方反比。因而在鐵箱或升降機內透過觀察潮汐力的有無並加以分析,也是可以判斷自己在加速度運動還是有重力。

5. 球體的自轉,除了在球表面不同緯度離心力不同,還有科氏力(科氏效應)。這些力可以用以判斷星體是否在自轉。

6. 講講狹義相對論的相對。密封車箱以直線等速率行走時,車箱內不會有風這類東西,向上垂直拋球,是原地接回。你是感受不到自己在移動之中。單看車箱內的世界,無異於車箱靜止。要看窗外風景才知道正在相對地移動中。這就是「伽俐略相對性原理」。這是伽俐略發現,伽俐略時代的人就知的。

不過,兩列以直線等速率行走的地鐵之間,移動方向相同,相對移動速度就會減少,移動方向相反,相對移動速度就會增加。在對上一個世紀初之前,人類普遍相信光的傳導媒介是以太,太空並不真空,而是充滿以太。這樣的話,相對於以太的速度就可視為絕對的運動速度。隨著技術發展,開始有科學家以光去做實驗,希望測量出地球相對於以太的移動速度,而怎樣做實驗也好,就是測不出光的速度有所改變,變相測量不出以太的存在。最後,人們堆砌出「勞倫茲轉換」去解釋說,以太會伸縮,使得光的速度不變,致使人們測不出以太存在。愛因斯坦看出在電磁力學中,光,亦即電磁波,速度是不變的,同時他把「勞倫茲轉換」應用在運動學和電動力學,賦予新的解釋,發表了《論動體的電動力學》論文,後來被稱為《相對論》,又稱為《狹義相對論》,以區別開後來的《廣義相對論》。

因為光速不變,所以不但兩個相對地等速率直線移動的座標系之中,「同地性」是不同的,一個座標系是異時同地的情況,在另一個在座標系看來是不同地點的,而且「同時性」也是不同的,一個座標系沿移動方向是異地同時的情況,在另一個在座標系看來是不同時刻的。因為「同地性」的不同加上「同時性」的不同,兩個座標系的人互相都看到對方的座標系「尺縮鐘慢」。沒有絕對靜止的座標系,這是狹義相對論的相對其中一個意思。

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