讲相对论知识（在相对论中如何定义）

物理学家：每当听到物理学家在喋喋不休的讨论相对论时（并且感谢你的时间），你会经常听到他们说“......从移动观察者的角度......”或“......观察者看到......”。那都很好，可是如何准确地定义什么是观察者的角度呢？

图解：在绿色参考系中事件B与事件A同时发生，但在蓝色参考系中事件B较早发生，在红色参考系中事件B则较晚发生。

当你从自己的角度描述某些事物时，你会说“它在我前面十英尺”或“它在我的左边”或“它以30英里/小时的速度超过我”。你定义了一组方向（向前，向左等）和相对于你自己的距离（不管有多远）。在一个更微妙的层面来说，你的角度也包括时间。 “未来方向”和所有其他方向和距离一样是个人的和主观的。时间的主观性是爱因斯坦相对论的重要观点之一。

一个简短且有学术气的回答是，由观察者来确定坐标系。这只是数学上的说法，当你讨论事情发生的位置和时间时，你可以描述成你所处的位置和手表显示时间。

你位于个人坐标系中非常特殊的原点（中心）。

我们习惯于共享一个坐标系，例如（也称作）统一时间或经纬度，所以很容易被假想为“正确的坐标”是存在的。实际上，这种“通用坐标”之所以有用，只因许多人在随波逐流想法的驱动下而同意使用。公正地说，告诉别人你在街角或纬度和经度比使用你个人坐标系更有用，这相当于说“我就在我身边”。这在哲学上很有趣，但实际上没什么用。

虽然你可以用某种标准坐标系来描述一个观察者穿过城市的轨迹，但这不是观察者的角度。这是用别人的角度来描述他们的位置。从他们自己的角度来看，观察者不会观察到太多他们的位置变化，因为他们观察到城市在他们身边移动。

当你读到这篇文章时，你可以说“屏幕在我前面两英尺”（或者它有多远）或者更简明地说“屏幕的位置是x = 2”（其中x方向是向前的，y方向是向左的，z方向是向上的）。从其他人的角度来看，屏幕的位置会不一样。地铁上坐你旁边的人（如果你正在地铁上读到本文），屏幕的位置将是“x = 2和y = 3”或者更简洁“（2,3,0）”。

如果你上过物理入门课程，你会听过一个人从悬崖上踢出一个球的故事。这个问题是说“在20米高的悬崖顶部有一个人，在突如其来的惊吓中，从悬崖上踢出一个球，这样它最初以3米/秒的速度横向移动。它会降落在哪里？”令人兴奋的答案是：距离悬崖底部横向移动约6米。

提出这个问题时，你面对的是一个古老的难题，早在制图时代之前就一直困扰着物理学家：我应该使用什么样的坐标？最正确的答案是：尽可能使用可以让你变懒惰的坐标。

黄色坐标是从踢球者的视角出发，红色坐标是最方便的，蓝色坐标可以有很多实际功用，但它们很难描述。

如果你将坐标中心放在悬崖底部，轴与地面和悬崖对齐（上图中的红色轴），那么一个轴表示离开地面的高度，而另一个轴表示离悬崖的距离。非常方便。在这种情况下，悬崖的底部位于（0,0），球被踢到（0,20），然后在（6,0）处落在水中。你可以使用踢球者的视角（黄色轴），此时，可以将悬崖的底部定义为在他们底下20米，并且球下落了20米，且横向移动6米，（6，-20）。

物理学的美妙之处在于它能够模仿宇宙的至高无上的尊贵。你可以在不指定坐标的情况下编写物理定律，允许我们定义阶段（形成坐标），并让宇宙随心所欲地运行。如果愿意，你可以使用任意坐标（蓝色轴）。但不建议这样使用。水平面不再仅仅是“z = 0”或“z = -20”，而是一个等式。重力不再指向“负z方向”，而是偏向一边。你仍然可以用完全相同的物理定律来解决这个问题，只是必须做更多的工作，这对于一个物理学家来说绝对是不可以接受的。

在正常空间中，方向是坐标系的一部分（向前，向左/向右）。当我们交谈时，我们已经习惯了这个概念（就像“你脸的左边有东西。不，是我的左边，你的右边。 好吧，现在到处都是。”）。你已经知道如何更改坐标方向。如果你希望让你的“左方向”成为你的“向前方向”，只需向左旋转90°。如果你想让你的“向上”成为你的“向前”，只需向后旋转90°（平躺）。这很容易做到。

观察者们相对于彼此的方向不同，他们在“向前”（实线）和“侧向”（虚线）的方向上会有分歧。

在相对论中，未来只是另一个方向。显然时间有点特别。您可以使用标尺或字符串在任何空间方向上测量距离，但要在时间方向上测量距离，你需要一个时钟。因此，要定义相对论中的观察者，您可以在中心定义一个坐标系，并在用时钟来定义一个时间。

在相对论中，观察者的个人坐标系包括他们的个人时间。

我们很难描绘出“时间方向”。首先，因为它需要以四维方式进行思考。其次，因为时钟和标尺是完全不同的。这就是为什么物理学家一直都在协调和谈论数学; 它们能将我们的直觉从我们可以想象到的内容扩展到我们无法想象的内容。

事实证明，你可以做一些类似于随时间改变方向的事情。在空间中将一个方向换成另一个方向称为“旋转”（没什么大不了的）。将时间方向交换为空间方向被称为“洛伦兹增强（Lorentz Boost）”，或者，如果你不用物理学家的语言，用“开始向那个方向移动”。面对不同方向的人对“前进方向”有不同的角度，而相对于你运动的人会对“未来方向”有不同的角度。

观察者之间相对的移动方向不同，他们会对“未来”（实线）和“现在”（虚线）的方向上产生分歧。

所以当你听到诸如“当某个东西移动得很快时，它会花费更少的时间”之类的事情时，重要的是要分析出你在谈论的是谁的时间，甚至是移动意味着什么。这是从你的视角中事物的实际表达。作为观察者，会根据你的相对位置和时钟来定义时间和空间。当有人移动时，他们会根据你的坐标系移动到你相对的位置。当某人的时间变慢时，这取决于你的时钟。当你意识到从另一个人的角度来看，你是一个行动缓慢的人时，那就真的头痛了。这似乎是一种矛盾，但请记住，不同的观察者都有自己的时钟和坐标。这里有很多细节。

在地球上，我们都以大约相同的速度移动。其他人相对你移动的最快速度是每小时2000英里（如果你正好在地球的另一侧和赤道上）。根据相对论效应，包括对时间的不同意见，只有当你的相对速度是光的670000000英里/小时中的可感知的一部分才值得讨论。世界上最精确的时钟能够检测慢速行走引起的不一致（相对速度小于每秒1米）。但是我们人类并不关心这些极小的部分差异，虽然我们可以检测到时钟差异（当我们努力检测它们时），但它们并不值得我们担心。

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. The Physicist-askamathematician

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