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如果用声音信号描写物体

如果用声音信号描写物体,其位置、速度等力学量也用声音信号表达,会出现“声学相对论”吗?
当本文谈论物体时,不是在说一个我们习以为常的关于物体的印象,其不是看到的,而是听到的,本文说的是听到的物体及其运动。本文也试图探讨关于相对论的被人们所忽略的朴素完整的逻辑和哲理,以期掠去浮华、回复本真。

一、先简述一下这个“被听到”的物体

设想我们身处的这个物理世界里,每一个物体的每一个点都可以发射声波,进而每一个物体表面上的每一个点都发射超声波;如果其不发射超声波,也可以去反射超声波,从而使物体拥有只关于声波信号的、动态的“全息图”。再设想我们身处的这个物理世界里,每一名观测者(准确点儿说是“闻测者”“听测者”哈,先就叫观察者吧),都有一只蝙蝠一样的超级耳朵,可以听到物体的只关于其声波信号的“全息图”;或者假设我们的身体还有一条超级声带,可以向四面八方发射超声波,以便那些不发射超声波信号或发射超声波信号不全的物体可以反射超声波而被完整听到其只关于声音的“全息图”。如果我们没有超级耳朵和声带,当然也可以用超声波传感器、探头等替代啦。总之,我们可以听到物体的位置、形状、体积以及其运动速度等信息。在这个仅有声音的物理世界里,哪怕是一只钟表,其指针读数、走字儿,也是靠声波信号传递和表达。我们必须承认两个事实:一是即同一个物体自身在不同时刻发出的(声波)信息们以及向不同空间方向上发出的(声波)信息们,同样都应被认为是表现该同一个物体的信息,具有同等的物理学上的辨认价值;二是没有信息的存在也就没有物体的存在,静止时的信息也不过是运动时的信息的特例。当然啦,我们的世界很丰富多彩,不仅是声波信号,只是我们把它抽象出来,只关注其声音,并不是在幻想一个不存在的物理世界和不可能存在的物体。

二、这个声音的世界里的“事件”“世界线”等有关概念是什么样的?

由于关于物体,我们只关注其声波信号,故而一张桌子、一头大象、一辆火车、一片雪花、一把尺子、一台时钟等等,它们的状态和运动的信息表现和表达,都仅依赖于向四面八方不停歇发出的声波及其传播。声波在介质(如空气)中的传播速度是固定的,只取决于介质的性质(如温度、密度),与声源或观察者的运动状态无关,即与其参照系的运动状态无关,这是一个事实,亦可作为立场性的假设。我们观察到的声波频率升降是多普勒效应,它改变的是接收到的声波频率和波长,但声波本身的速度始终不变。我们在讨论时,一是立场性而非逻辑性地假定某物体周围的物理环境全部是均匀、理想的同一种声波介质,使得声波传播速度稳恒,且不会与任何参照物的运动速度迭加而变换;二是包括速度计算法则在内的物理定律也同样即公理性地被认为是绝对的、不因与参照物的相对运动状态而变换。这样,我们可以说,“事件”就是物体在其相对于某个参考系的某个时空点上发射或反射声波(声子),“世界线”就是某物体自身上一连串事件的集合,光锥(应该叫声锥)就是物体从过去到未来的在声波传播速度限制内的事件们的大集合,其严格的、数学的、几何的描述暂不述且非笔者所很擅长。其余关于参考系、相对运动、同时性的相对性绝对性、同地异时事件、异地同时事件等概念的有关解析,读者可结合本公众号上一篇《对狭义相对论里尺缩钟慢现象的再解析》比较阅读,因为很类同故不赘述。

三、关于声波信号下的尺缩钟慢现象的简洁分析

借鉴并修善一下本公众号上一篇的讨论:因声速不变换,速度计算法则也不变换,而某物体的二个参考系的相对运动使该物体上发生的二“异地同时”事件(即物体在某一个参考系里相对静止状态下发出的同时刻但不同地点的二事件)的声波信号在其以静止状态所在的某一个参考系里且在该物体二参考系相对运动的同一个空间方向上彼此传递的时长变短(注意这是声波在一个参考系里的传播的本来的时长),且该二事件(注意在二参考系相对运动时被观察,实际是该物体在相对于其是静止状态的参考系的新时刻上,发出的在空间方向上与该二事件一致的另外二异地同时事件)的时间间隔未被另一个相对运动的参考系观察到改变或其被观察值为零(因为其被要求是异地同时事件,同时性被运动的观察者所转换),注意声速在该另一个参考系听来依然是那个固定值,注意声波速度依然是等于其传播路程除以时长,所以逼迫被该另一个参考系观察到的此比邻的另外二事件空间间隔相对变短,这是尺缩效应。因声速不变换,速度计算法则也不变换,而某物体的二个参考系的相对运动使该物体上发生的二“同地异时”事件(即物体在某一个参考系里相对静止状态下发出的同地点但不同时刻的二事件)的声波信号从其所在的一个参考系传递到另一个相对运动的参考系的空间路程变长(注意这是声波在二个参考系之间的传播的本来的路程),且该二事件(注意在二参考系相对运动时被观察,实际是该物体在相对于其是静止状态的参考系的新空间位置上,随后发出的在时刻上与该二事件比邻的另外二同地异时事件)空间间隔未被该另一个参考系观察到改变或其被观察值为零(因为其被要求是同地异时事件,同空间位置性被运动的观察者所转换),注意声速在该另一个参考系听来依然是那个固定值,注意声波速度依然是等于其传播路程除以时长,所以逼迫被该另一个参考系观察到的此比邻的另外二事件时间间隔相对变长,这是钟慢效应。因为物体运动速度可以超过声速,所以在此声波的世界里,时光倒流很容易实现,因果关系也可以倒置;声锥也不同于狭义相对论的光锥情形,声锥之外是超声速的信息集合。此尺缩钟慢效应的推导,把洛伦兹变换中的光速常量替换为声波在某特定介质中传播的恒定声速后,即可仿照狭义相对论推导步骤实现。该尺缩钟慢效应的具体数学公式及其推导,以及其它可能发生的效应的情况,读者自己可以脑补之,本文暂不述。

四、声速对光速说,“俺也一样”

根据狭义相对论,同一光源向四面八方发出的光子,彼此之间的相对速度‌不是‌光速,而是‌二倍左右光速。狭义相对论中的“光速不变原理”指的是:在任何惯性参考系中,真空中的光速都是恒定的,其不迭加、不变换,与光源或观测者的运动状态无关。然而,这个原理并不禁止两个光速运动的物体之间的相对速度超过光速。例如,当你站在地面上观察两束反向飞行的光时,一束光远离你,另一束光朝你而来,那么你计算出的它们的相对速度就是c + c = 2c。这个“2c”并不是指光子本身的传播速度超过了光速,而是你作为静止观察者所测量到的它们彼此远离的速率。光速不变是说光在真空介质中的传播速度不迭加不变换,而非二束光或任意二物体彼此远离的速度不迭加不变换!对于声波的情形也一样!例如,两束声波的一束朝你而来,另一束离你而去,它们二者的相对速度就是二倍声速,声波在其传播介质中的速度依然恒定。光速并不比声速更优越、更特殊。光速与光源、与观测者的运动速度无关,不迭加之也不变换;声速与声源、与观察者的运动速度也无关,不迭加之也不变换。本文第三部分的论说里把声波、声速和听替换为光、光速和看后,论说一样成立且简明。另,如电子的微小物体,它如何能够发射或反射声波呢?答曰:其跃迁发射的光子就可以当作是微小物体的广义的机械振动所传播的广义的声波。当然,在没有声波的宇观和微观领域,就超出了本文所论说观点的边界,即关于声波的相对论的观点适用范围较窄。本文旨在活跃思想,笔者也不一定固执己见,请读者用批判性思维看待!