宇宙飞船在广袤的空间中可被近似为一质点,在相对静止状态,其轨迹不随时间而变化,只有简简单单一个点(即图中原点O)。由于空间的均一性与各向同性,把该点置于坐标系任何位置,其形状皆不会改变(如何才能改变一个点的样貌)。
当飞船开动,情况立刻变得有趣起来。假设飞船以恒定速率v直线前进,如图所示,其轨迹即为一条直线。由于飞行速率恒定,不论取起飞后的3-5分钟时段,还是第1003-1005分钟进行测量,线段的形貌将完全一致。因此,我们可以说,时间与空间一样,均匀而稳固,时间轴上的各点同样遵循平等原则。
那么如果开得更快呢,把飞船的速率设定为v’(v’>v),图像将发生怎样的变化?如图,在速率v’下,与前例同样的时间间隔内线段的长度增加了,但点与点之间依旧是等距;因此,坐标系依旧可以随意地滑动、翻转而不引起轨迹的扭曲。也就是说,速率为v’时的运动图像与速率为v时并无本质变化——若不定义具体参考系,我们甚至无法分辨自己究竟以多大的速率在做匀速直线运动。
为加深理解,此处插播两则不符合伽利略惯性系的范例以供比较。状态四是处于匀加速运动状态下的飞船,由图可以看出,相等的时间间隔内飞船走过的路程在逐渐增长。此时,若将坐标系移至别处,所截取的线段将与原先不再一致。换句话说,你若处于变速运动当中,即使不借助参考系也能自行做出判断。正如开篇故事中,你所乘坐的火车突然来个急刹车,身体前倾的瞬间你将马上意识到自己所处的状况。状态五是飞船驾驶员一不留神喝多了之后的杰作,很显然,取不同时间段,你将得到一组风马牛不相及的抽象画,不论是否变换坐标系,它们都不太可能等效。
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