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2. 坐标系

根据前文已说明的关于距离的物理解释,我们也能够用度量的方法来确立一个刚体上两点间的距离。为了实现这一目的,我们需要一个可以一直作为度量标准的“距离”(杆S)。现在,假如A和B是一个刚体上的两点,我们可以按照几何学的规则作一条直线连接这两点;然后,以A为起点,一次一次地记取距离S,直到到达B点为止。所需记取的次数就是距离AB的数值度量(numerical measure)。这是一切长度测量的基础。

爱因斯坦的母亲宝琳娜·内·科赫(Pauline nee Koch)是一位有才华的钢琴家。她鼓励两个孩子勤奋学习,对他们充满信心。

描述一起事件(event)发生的地点或一个物体在空间中的位置,都是以能够在一个刚体(参考物体,body of reference)上确定一个与该事件或物体重合的点为依据。这种方式不仅可用于科学描述,也可用于日常生活。假如我来分析“北京天安门广场” 这一位置标记,可以得出以下结论:地球是该位置标记所参照的刚体;“北京天安门广场”是一个明确规定的点,并已被命名,而考虑的事件则在空间中与此点重合。

这种标记位置的方法只适用于刚体表面的位置,并以刚体表面上存在的可相互区别的各个点为依据。但我们可以摆脱这两种限制,并且不改变位置标记的本质。例如,有一朵云飘浮在北京天安门广场上空,我们可以在北京天安门广场上垂直地竖起一根竿子直达这朵云,以此来确定这朵云相对于地球表面的位置。用标准量杆度量这根竿子的长度,并结合竿子下端的位置标记,我们就可以得到这朵云的完整位置标记。根据这个例子,我们可以看出位置的概念是如何进行改造的:

(a)我们设想将确定位置所参照的刚体进行补充,补充后的刚体延伸至我们需要确定位置的物体。

(b)在确定物体的位置时,我们使用一个数(此处是用量杆量出的竿子长度)而不用选定的参考点(designated points of reference)。

(c)即使没有竖立高达云端的竿子,我们也可以得到云朵的高度。我们从地面上不同的位置以光学方法观测云朵,并考虑光传播的特性,就能够确定原本需要达到云朵的竿子长度。

1896年9月,爱因斯坦在他毕业考试的法语作文中写出了他对未来的计划:“如果能顺利通过考试,我将到苏黎世联邦理工学院攻读数学和物理。”

从以上论述,我们可以看出:假如在描述位置时,我们可以使用数值度量,而不考虑参考刚体上是否存在着(具有名称的)标记位置,那就会更加方便。在物理测量中,可以应用笛卡尔坐标系(Cartesian system of co-ordinates)来达到这个目的。笛卡尔坐标系包含三个相互垂直的平面,它们牢固地附着于一个刚体上。在一个坐标系中,任何事件发生的地点(主要)由从事件发生的地点向这三个平面所作垂线的长度或坐标(x、y、z)来确定。这三条垂线的长度,可以按照欧几里得几何学确立的规则和方法,用刚性量杆经过一系列操作来进行确定。事实上,构成坐标系的刚性平面一般并不存在;此外,坐标的大小实际上不是用刚性量杆的结构,而是用间接的方法来进行确定。假如要获得清晰的物理学和天文学结果,就必须始终按照上述论述来寻求位置标记的物理意义。

1889年,慕尼黑鲁伊特波尔德中学学生合影,52个男生中只有爱因斯坦(第一排右三)露出了一丝笑容。

于是,我们得出以下结论:对事件在空间中的位置所进行的每一种描述,都必须使这些事件参照一个刚体,得出的关系是以假定欧几里得几何学的定理适用于“距离”为依据,“距离”在物理上按惯例表示为一个刚体上的两个标记。 cGXeZ3HCk+WQfda0IxvJjjoSMvdKn2tzwTMuTquoLANqUt6CNAdI65PhocEOneA4

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