狭义与广义相对论浅说 学生版

1.几何命题的物理意义 阅读本书的读者,大多数在做学生的时候就熟悉欧几里得几何学的宏伟大厦。你们或许会以一种敬 多于爱的心情记起这座伟大的建筑。在这座建筑的高 高的楼梯上,你 们曾被认真的教师督促了不知多少次。凭着你们过去的经验,谁要是说这门科学中的哪怕是*冷僻的命题是不真实的,你们都一定会嗤之以鼻。但是,如果有人这样问:“你们说这些命题是真实的,那你们究竟是如何理解的呢?”此时你们那种认为理所当然的骄傲态度或许就会马上消失。让我们来考虑一下这个问题。 几何学是从某些像“平面”“点”和“直线”之类的概念出发的,我们可以有大体上是确定的观念和这些概念相联系;同时,几何学还从一些简单的命题(公理)出发,由于这些观念,我们倾向于把这些简单的命题当作 “真理”接受下来。然后,根据我们自己感到不得不认为是正当的一种逻辑推理过程, 阐明其余的命题是这些公理的推论,也就是说这些命题已得到证明。于是,只要一个命题是用公认的方法从公理中推导出来的,这个命题就是正确的(就是“真实的”)。这样,各个几何命题是否“真实”的问题就归结为公理是否“真实”的问题。 可是人们早就知道,上述*后一个问题不仅是用几何学的方法无法解答的,而且这个问题本身就是完全没有意义的。我们不能问“过两点只有一直线”是否真实。我们只能说,欧几里得几何学研究的是称之为 “直线”的东西,它说明每一直线具有由该直线上的两点来唯一地确定的性质。“真实”这一概念与纯几何学的论点是不相符的,因为“真实”一词我们在习惯上总是指与一个“实在的” 客体相当的意思;然而几何学并不涉及其中所包含的观念与经验客体之间的关系,而只是涉及这些观念本身之间的逻辑联系。 不难理解,为什么尽管如此我们还是感到不得不将这些几何命题称为“真理”。几何观念大体上对应于自然界中具有正确形状的客体,而这些客体无疑是产生这些观念的唯一渊源。几何学应避免遵循这一途径,以便能够使其结构获得*大限度的逻辑一致性。例如,通过位于一个在实践上可视为刚性的物体上的两个有记号的位置来查看“距离”的办法,在我们的思想习惯中是根深蒂固的。如果我们适当地选择我们的观察位置,用一只眼睛观察而能使三个点的视位置相互重合,我们也习惯于认为这三个点位于一条直线上。 如果,按照我们的思想习惯,我们现在在欧几里得几何学的命题中补充一个这样的命题,即在一个在实践上可视为刚性的物体上的两个点永远对应于同一距离(直线间隔),而与我们可能使该物体的位置发生的任何变化无关,那么,欧几里得几何学的命题就归结为关于各个在实践上可以视为刚性的物体的所有相对位置的命题。① 做了这样补充的几何学可以看作物理学的一个分支。现在我们就能够合法地提出经过这样解释的几何命题是否“真理”的问题;因为我们有理由问,对于与我们的几何观念相联系的那些实在的东西来 说,这些命题是否被满足。用不大精确的措辞来表达,上面这句话可以说成为,我们把此种意义的几何命题 的“真实性”理解为这个几何命题对于用圆规和直尺作图的有效性。 当然,以此种意义断定的几何命题的“真实性”,是仅仅以不大完整的经验为基础的。目前,我们暂先认定几何命题的“真实性”。然后我们在后一阶段(在论述广义相对论时)将会看到,这种“真实性”是有限的,那时我们将讨论这种有限性范围的大小。 ① 由此推论,一个自然客体也是与一条直线相联系的,一个刚体上的三个点A、B 和C,如果已经给定 A 点和C 点,而 B 点的选择已使距离 AB 和BC 之和为*小,则这三点位于一直线上,这一不完整的提法对我们目前的讨论是能够满足的。