301医院神内科专家:相对论二

光的悲剧
光的传播并不是瞬时的
    我们已经讨论了运动的相对性以及可能有无数个惯性系的存在，在这些惯性系里，物体运动的规律都是相同的。但是，还有另外一种运动，乍看起来同我们建立的原理是矛盾的。这就是光的传播。　　
　　光的传播速度是每秒30万公里，这一巨大的速度对于我们来说是难以想象的。这是因为我们通常熟悉的速度要比光速小得多，他们之间的差异非常悬殊。例如，在我们知道的与之有关的物体运动中，地球绕太阳旋转的速度是很大的，但尽管如此，地球旋转的速度也只不过是每秒30公里而已。
光速可以改变吗？
  光传播的巨大速度，其本身也不是什么奇特的现象，但令人惊奇的是光速的永恒不变性。　　
　　我们能够人为地加大或者减低一个物体的运动速度，甚至可以增减枪弹的射速。我们只需要在子弹前方，放置一个沙箱，子弹传破沙箱后，其速度就会减低。　　
　　光传播的情况就不同了。让我们在一束光线通过的途中，放置一个玻璃盘子。因为光通过玻璃的速度，要比在真空中传播的速度小。按常理说，这样一来，这束光传播的速度就会降低，但是，光线通过玻璃以后，它又恢复每秒30万公里的速度。　　
　　子弹的速度主要由于枪内的构造和弹药的特性来决定。而对于光来说，不管是什么光源，光的速度总是相同的、不变的。　
　　由此我们知道，光在真空中的传播有其非常重要的特性，即光速不可能加大或者减小。
运动的相对性原理会被动摇吗？
  光在真空中的传播特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾。　　
　　设想有一列以每秒24万公里飞驰的火车，我们乘上这列火车的第一节车厢，在最后一节车厢里同时打开一盏电灯。这时测量电灯光从车厢一端向另一端传播所需要的时间，我们很容易推断出一种“奇特”的现象。　　
　　相对于每秒24万公里的火车来说，光看起来仅以每秒30万-24万=6万公里的速度传播。这似乎是光必须追赶第一节车厢。如果，位置相反，我们在火车的第一节车厢安置一盏电灯，并测量出光到达尾节车厢所需的时间，这是的速度就是24万+30万=54万公里。　　
　　于是在一列运动的火车上看起来，光传播的方向不同，其速度也不相同。而在一列静止的火车上，光传播的方向不同，速度却是相同的。
　　子弹运动的情况完全不同。假如在运动的火车上大强，不管子弹运动的方向同火车运动的方向相同还是相反，相对于火车子弹的速度总是不变的。　　
　　事实是这样的：子弹的速度是由枪的射速决定的，而光的速度却并不会因为灯泡的运动情况而改变。　　
　　由此我们似乎可以得出这样的结论：光的传播速度同运动的相对性原理相矛盾。相对于运动的或静止的车厢，子弹的射速都是相同的。而在一列以每秒24万公里的速度飞驰的火车上，光传播的方向同火车运动方向相同时，光的速度是在静止火车上的1/5。而当光传播的方向同火车运动方向相反时，光的速度是在静止火车上的1.8倍。　　
　　这同我们在上一期所介绍的相对性原理是完全不同的。

相 对 论 二

由实验做出决定­

­    面对这一矛盾怎么办呢？在提出这一情况的看法和意见之前，先让我们考虑下面的这样一个情况：光的传播同运动的相对性之间的矛盾完全是来自人们的主管臆造。必须承认，这一主观臆造在某种情况下，还是很有说服力的。但是，如果我们仅仅相信主观推断，就会成为那些试图从脑袋里生成自然规律的古代哲学家。按照这样的方法去解释世界，有朝一日，客观世界将成为一个面目全非的东西。　　­

　　实验是一切物理理论的最高鉴定者。因而我们不应把自己束缚在空泛的议论与想象之中，因而必须投入到实验的实践中去。实验将会表明，在这种情况下，光实际是如何传播的。　　­  　我们的实验将因为这样的事实变得比较方便：我们自己生活的地球就是一个运动的物体。地球绕着太阳转，它的运动不是直线的，因而相对于任何惯性系，它不可能处于恒久的静止状态。　　­

　　与一个参照系相对而言，地球在二月是静止不动的。但到了七月，地球又肯定是处于运动之中了。这是因为地球绕太阳旋转的方向改变了。实际上，我们在地球上研究光的传播，是在一个以每秒30公里的速度运动着的物体上进行的，这一条件对我们的研究起着不可忽视的影响。　　­

　　前面我们讨论过光在以列运动中的火车上传播的情形。那么我们的地球是否和这一运动中的火车一样呢？我们曾设想，那列火车作匀速直线运动，而地球却是沿着圆形轨道运动的。尽管如此，我们还是可以把地球看作是做匀速直线运动。从观察的的观点考虑，这其中存在误差，但这一误差是极其微小的，甚至小得很难观测出来。　　­

　　既然我们把地球比作火车，我们自然会想到：光在地球上的传播情形应该和光在火车上的传播情形相同，即光沿不同的方向传播，其速度不同。­

­相对论被证实­

­   1881年，美国实验物理学家A·麦克尔逊作了关于上述问题的实验。A·麦克尔逊以高度的准确性测量了光沿着不同方向传播的速度数值。为了探测预想中的微小差别，A·麦克尔逊使用了非常精确的实验设备，他的实验精确性很高，他测量出来的速度差别比预想中的差别要小得多。　　­

　　A·麦克尔逊的实验，以后在不同的条件下又作过多次。他的实验得到了出乎预料的结果。在一个运动着的参照系里，光的传播情形同我们在前面推想的恰恰相反。A·麦克尔逊发现，在地球上，光向任何方向传播，其速度都时相同的、不变的。在这一意义上，光的传播使我们联想到子弹的飞行。前面我们曾经设想，在一列运动中的火车上，子弹运动同火车的运动无关。同车厢相对而言，子弹向任何方向运动，其前进速度是相同的。　　­

　　于是，A·麦克尔逊的实验证明：同我们的推想恰恰相反，光的传播同运动的相对性原理并不矛盾，而是完全符合运动的相对性原理。这也就是说，我们在前面“运动的相对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的。­

­为什么犯错误？­

­    我们已经摆脱了光传播的规律同相对性原理之间令人不快的矛盾。当然，这种矛盾是由于我们错误的推想而造成的，而不是真正存在着矛盾。为什么会犯这样的错误呢？　　­

　　从1881年到1905年，几乎经历了四分之一世纪，物理学家们为了这个问题绞尽脑汁。但是他们对这一问题的一切解释，都不可避免的导致理论与实践之间的新的矛盾。在相继出现的各种解释中，一切无视A·麦克尔逊实验所取得的意想不到的结果，而坚持与其持相反观点的，都将归于失败。　　­

　　现在，不妨让我们总结一下。　　­

　　A·麦克尔逊的实验进一步证实，运动的相对性原理不仅适用于一般物体的运动，而且也是用于光的传播，因而也适用于一切自然现象。　　­

　　我们已经注意到，速度的相对性直接源于运动的相对性这一理论。相对于运动中的不同参照系的物体，其运动速度不同。但是，每秒30万公里的光速，在任何参照系里都是相同的，因此光速是绝对的，而不是相对的。­

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时间是相对的­

­确实存在矛盾吗？­

­   乍看起来，似乎我们在讨论一个纯粹逻辑上的矛盾。光沿任何方向传播而速度不变，充分证实了相对论的正确性，而同时，光速本身则是相对的。　　­

　　让我们回顾一下中世纪人们是如何对待地球是圆的这一事实。因为中世纪的人们认为，如果地球是圆的，一切物体都会从地球表面“滚落”下去。对于他们来说，地球是圆的这一概念是同地心引力相矛盾的。但是我们完全知道，这里根本不存任何矛盾。道理很简单，因为“上”和“下”这两个概念是相对的，而不是绝对的。　　­

　　光的传播同样如此。　　­

　　要在运动的相对性和绝对性之间的寻找逻辑上的矛盾时徒然的，也是毫无意义的。当我们提出另外一些假定，矛盾就出现了。这九项中世纪的人们认为“上”和“下”是绝对的概念，而拒绝承认地球是圆的一样。他们这种荒诞的概念源于实践经验的缺乏。那时，人们很少有长途旅行的可能。他们只能了解地球表面很小区域的一些情况。显然，同样的情况页科出现在我们面前：由于我们的实践经验不足，只是我们把一些相对的现象，误认为是绝对的。　　­这些现象是什么呢？　　­

　　为了发现我们的错误，今后我们只能接受有实验证实而确定的那些正确的假想。　　­

　　­在一列火车上­

­    设想有一列长540万公里的火车，以每秒24万公里的速度作匀速直线运动。　　­

　　假定预谋体规定时刻，打开火车中部的一盏灯。再设想，一当灯光达到火车首位的两个车厢时，车厢的门都立即自动打开。这是火车上的人将看到什么现象呢？　　­

　　在回答这个问题时，我们只承认有实验而得到的数据。　　­

　　在火车中间的人将看到下列现象：　　­

　　根据麦克尔逊的实验，由于相对火车而言，光想任何方向传播的速度是相同的，即每秒30万公里。那么光在9秒后同时到达首为两个车厢。欧为车厢的门也同时打开。　　­

　　相对月台而言，光也以每秒30万公里的速度传播。但是，为节车厢是迎着灯光运行的。所以灯光是在2700000/（300000+240000）=5秒后于为车厢相遇。而对首届车厢来说，灯光实在追着它传播的。所以灯光需在45秒之后才能到达首节车厢。　　­

　　对于月台的人来说，守卫两节车厢的们似乎是在不同的时刻打开的，即尾节车厢的门先打开，而首节车厢的门则是在40秒之后才打开。­

　　于是，对于在火车上的人来说，守卫两节车厢的门的打开是完全相同的，而对月台上的人来说，守卫两门的打开却相隔40秒。　　­

　　人们对这一现象的感觉和理解过程中产生了困难。以常识为依据来否定这一新的现象，当然是很自然的事。而麦克尔逊的实验获得的出乎意料的成果，位物理学家们提供了新的事实，并促使他们不顾“常识”的干扰，去进一步观测和探讨诸如两个两个事物的同时性这类明显而平凡的概念。　　­

　　­时间和空间有相同的命运­

­    以前人们认为，从任何角度来看，两个同时发生的现象必然是同时的。然而实验证明这是错误的。因为这个结论只是用于相对静止的参照系。　　­

　　假定有人问我们，两个现象是否真正同时发生，而不涉及任何出于某种状态的参照系。遗憾的事，这样的问题就象并不涉及任何观察点而问两颗行星是否真正处于一条直线上一样毫无意义。事实是这样的：同时性不仅决定于两个现象，而且决定于观察这两个现象时所出的参照系。就象两颗星球是否处于同一直线上，不仅决定于它们的方位，而且决定于观察它们的点。　　­

　　在相对论创立之前，绝对的时空观在物理学中占着统治地位。在时间方面，绝对的时空观认为：时间的量度与参照系的运动无关，也就是存在着与参照系无关的绝对时间。在空间方面，认为空间的量度同参照系的运动无关，也就是存在着同参照系无关的绝对空间。­

　但是，我们发现，时间和空间一样也是相对的，而不是绝对的。　­

　　所时，“在同一时间”这一概念，正与“在同一地点”一样，都是没有意义的概念。这就是说，必须对一个特定的参照系来论述时间说着空间。如上所述，对于在火车上的人来说，同时发生的两个事件，对于月台上的人来说，就不是同时的，除非我们讲的时间是相对于某一个参照系，否则，关于一个事件发生的时间的说法，就是没有意义的。　　­

　　­科学胜利了­

­　时间是相对的这一发现，从根本上改变了人们关于自然界的观念。这一发现是人类理智战胜千百年习惯传统观念的伟大胜利，只有向地球是圆的这样的的伟大发现才能与之相比。它是人类思想上罕见的革命性的变化。　　­

　　时间的相对性这一发现，是二十世纪最伟大最物理学家爱因斯坦于1905年为人类科学做出的伟大贡献。1905年，德国的《物理学杂志》相继发表了这位年轻作者的五篇论文。这些论文，给整个物理学带来了异常翻天覆地的革命，并导致了现代物理学的建立。这时，爱因斯坦还只是一个26岁的青年。爱因斯坦的伟大发现，时它进入人类思想巨人的行列，成为象哥白尼、牛顿一样的人类科学史上的伟大的开路先锋。­

　　时间的相对性理论与其一系列有关推论，通常被称为狭义相对论。这一理论不应同运动的相对性原理相混淆。　　­

　　­速度有其极限­

­　第二次世界大战浅，飞机的速度远远落后于声速。今天，超音速飞机早已出现。无线电波以光的速度传播。那么，我们能否创造出“超光速”电讯设施来传递信信呢？这是根本不可能的。　　­

　　假如能够一无限大的速度传递信息，那么我们就能够建立这样的一种理论：任何两个时间的同时性是绝对的。　　­

　　如果关于第一时间的无限块的新系统关于第二个事件的信息同时到达，我们可以说，这两个事件发生在同一时刻。这样，两个事件的同时性这一概念，就获得了绝对的特点，而不关于这一结论有关的参照系的运动情况如何。　　­

　　但是，实验证明事件的绝对性是不可能的。由此，我们得出结论：信息的传递不可能是瞬时的。从空间一点传到另一点的信息传递速度，不可能大于某一极值，该极值即为速度的极限。　　­

　　这一速度极限等于光速。　　­

　　存在于宇宙的这以最高速的发现，是人类才智的最大胜利之一，也是人类实验能力的最大胜利之一。　　­

　　相对论表明，最高速度的存在决定于物质的内在本质。假定说，科学技术的发展，可是我们得到比光速更大的速度，这就象下面的说法一样荒唐可笑：在地球表面两万公里以外的地方并不存在任何点，但是，如果有人竟希望有朝一日，当地球上地形发生变迁的时候，在更要远处发现地球上的新点，这显然是十分荒唐可笑的。正由于光速的最大速度，因而才是光速在自然界中发挥如此特别的作用。光速或者可以超过其它一切现象的传播速度，或者至少同其他现象的速度相同。　　­

　　假如太阳一分为二，形成两个星球，那么地球的运动自然也会发生变化。　　­

　　十九世纪的物理学家们由于不了解自然界里存在一个最高速度，它们和自然会设想：一旦太阳分裂成两个，地球的运动立刻会发生变化。但实际是，光从分裂后的太阳传道地球上尚需8分钟之久。这就是说，在太阳分裂8分钟之后，地球的运转才会开始发生变化。在这一时刻之前，地球人继续按原来的方式运行。在太阳发生分裂后8分钟内，与杨有关或发生在太阳上的任何现象，将不会对地球本身或者地球的运行产生任何影响。　　­

　　信息传递的最高速度，当然不会排除建立两个现象的同时性的可能性。我们必须做到的，就是注意观察信息的时间滞差。这就是通常的做法。　　­

　　建立同时性的方法，同这一观念的相对性是一致的。的确，为了减小时间的差别，我们必须将以光速传递的信息发生在两个地点之间的距离进行分割。(未完待续)­

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——反复无常的钟表和标尺­

我们再次坐上火车­

­   假定我们现在再次坐上爱因斯坦火车，在无限长的轨道上奔驰。在这条轨道上有两个车站，它们之间的距离是864,000,000公里。这列火车一每秒240,000公里的速度前进，需要1小时跑完这段路。两个车站各有一只钟表。一位旅客在第一个车站上车时，按车站的钟对了自己的表。当到达第二个车站时，他却吃惊地发现，它的手表慢了。　　­

　　这是怎么回事呢？　　­

　　为了弄清这个问题，让我们假定，这位旅客在车上点起一只火把，放置在车厢地板上。火把发出的光束很快到达车厢顶壁。在车厢顶壁与火把垂直处，有一面镜子，镜子又将光束发射回到火把上。这时旅客看到光束往返的路线是垂直的。但是，月台上的人看到的情景却很不相同。月台上的观察者看到，在光束从火把到达镜子的过程中，由于火车的运动，光线的传播路线是向后倾斜的。在这一过程中，光束经过的路线是一个等腰三角形的两腰长的和。　　­    通过这一事实使我们发现，月台上的人看到光束在这一过程中传播的距离是一个等腰三角形的两腰之和。而火车上的人看到光束传播的距离则仅仅等于这个三角形高的二倍。显然，前者的长度大于后者。另一方面，我们知道，光数是一中绝对速度。对于火车上的人和月台上的人来说，光速当然都是相同的。于是我们就得出结论：从月台来看，光从射出到返回所经过的时间要比从火车上看经过的时间长。­

­自相矛盾的钟表­

­    从上面的事实我们很容易计算出这样的结果：从车站上经过了10秒钟，而火车上看仅仅经过了6秒钟。这就是说，根据车站的钟表，如果火车运行一小时到达另一车站，那么按照乘车人的手表，火车仅仅运行了36分钟。换句话说，乘车人的手表要比车站上的钟表每小时慢24分钟。­

　　­显而易见，这列火车的速度越快，时间滞差就越大。如果将火车的速度提高到接近光速，那么车站上一小时的时间，在火车上的速度就能减小到极小。­

　　­由此我们得出结论：一切运行中的钟表比静止的钟表要慢。这是否与我们提出问题所依据的相对论相矛盾呢？这是否意味着最快的钟表就是处于绝对静止状态的呢？­

　　­不是。情况并不如此。因为火车上的钟表和车站上的钟表的快慢，是在完全不同的条件下进行比较的。实际上，这里有三个钟表，而不是两个。这位旅客是根据两个不同车站上的两个不同的钟表来校对他的手表的。相反，如果在这列火车的前后车厢都有一只钟表，当火车飞驰之际，旅客将车站钟表同前后车厢的两只钟表对照时，他就会发现车站钟表所表示的时间，总是落在后面。假定这列火车相对于车站作匀速直线运动，那么，就可以认为火车是静止的，而车站是运动的。自然界的规律对于他们来说都是相同的。　　­

　　当一个观察者相对于它的手表处于静止状态时，他就会发现下列事实：相对于他处于运动状态的钟表，总是比他自己的表快；而且这些运动中的钟表运动的速度越快，它们所表示的时间就越快。　　­

　　这一现象和下面的实例是一个道理：两个站在两根不同电线杆旁边的观察者，都从各自所处的位置来断定他们各自观察电线杆的角度要比对方的观察角度大。­