龟头下有小点:相 对 论 一

相对论浅说
　　爱因斯坦提出相对论原理已经快一个世纪了。它的这一理论曾被当时很多人认为纯粹是一种怪诞的异想，而现在早已成为现代物理学的奠基石。就像没有分子和原子的概念，现代物理学不能存在一样，没有相对论，现代物理学也不能存在。没有相对论，大量的物理现象将不可能得到解释。粒子加速器的设计和原子反应的计算，都是建立在相对论的基础上的。相对论的建立是现代物理学最伟大的成就之一。
　　但是遗憾的是，相对论的原理除了少数专业人员，却很少有人知道，特别是对我们的中小学生读者，这一理论则显得格外艰深。
　　我们希望我们正在刊登的这个系列文章能够简明而通俗地向少年读者介绍有关相对论的一些基本原理。也希望读者不要认为相对论就是主张世界上一切物体都是相对的。相反，读者肯定会发现，象任何其它正确的物理学理论一样，相对论告诉我们，客观真理是不以任何人的一致和趣味转移的。当摆脱了一切关于空间、时间和质量的陈旧观念之后，我们就会对世界的真正本质有更加深入的洞察和理解。　　
我们常见的相对现象
是左还是右
　　我们都知道，天安门城楼前面是一个大大的广场，假如有人问你：天安门是位于广场的哪一边——左边还是右边？你很难马上回答好这个问题。
　　如果你面朝东方，那么，天安门是在左边；但是，如果你面朝西方，天安门是在右边；而如果你面朝南方或者北方，则天安门既不在左边也不在右边。也就是说，在回答这个问题之前，你必须明确一个相对的方向。
　　　说一条河流的右岸，这个说法是正确的。因为这是由河流水流的方向来决定的。同样，我们可以说，汽车沿公路右边行驶。因为车辆的来往可以表示一个相对的方向。　　
　　因此，“左”和“右”是一个相对的概念。而且只有在一个特定的方向作为根据的情况下，这一对概念才有意义。
现在是白天还是黑夜
　　　对于这个问题的回答只能以地点或者位置而言。当北京是白天时，而纽约却是黑夜，这是毫无异议的。仅仅说白天或者黑夜就是相对的概念，因为不指出具体的地点，你是不能回答这个问题的。
相对的现象看来似乎是绝对的
　　当我们观察某一物体时，如果稍微改变观察点，角度也就随之产生相应的改变。由于这种情况，角度法常被用于天文学。星图表明星球之间的角距，即从地球上观察其它星球之间的距离时的角度。无论我们处于地球上的任何位置和任何不同的观察点，我们观察到其它星球之间总是处于同样的距离，这是由于我们与这些星球之间有着极大的、甚至是难以想像的距离。同如此巨大的距离相比，我们地球上从一点到另一点移动的距离就显得微不足道了，因而我们就很容易忽视它。在这种情况下，这些不同的角距就会被认为是绝对的。如果我们将观察点所处的范围扩大到像地球绕太阳旋转的轨道这样大的空间，那么从不同的观察点所观察到的结果，其变化就相当可观了。但是，这一变化还不是非常显著的。如果我们把观察点移到另一个星球上，比如说，移到天郎星上，情景就会彻底改变。这时所观察的角度都将和原来的观察角度绝然不同了。而且我们还会发现，那些远离我们的星球之间的距离，有些比我们从地球上观测道德它们之间的距离近了，而有些星球之间的距离则更远了。
绝对的现象实际上却是相对的
　　　我们常说“上”和“下”。那么，这两个概念是绝对的还是相对的呢？不同的时代，人们对这一问题会给以不同的回答。当人类还处在不知道我们的地球是圆的，而把他设想为一个扁平的锅饼似的东西的时代，垂直方向被认为是一个绝对的概念。那时人们设想，在地球表面的任何一点上，垂直方向总是相同的，因而也就把“上”和“下”说成是绝对的是很自然的事了。　　
　　后来，当人们发现地球是圆的，于是“垂直是绝对的”这一概念也就自行淘汰了。　　
　　的确，由于地球是圆的，垂直线的方向实质上是由这条垂直线通过的地球表面某一点的位置而定。处于地球的不同点，垂直方向也将不同。　　
　　自然，“上”和“下”这两个概念因此而失去任何绝对意义。
任何一句话都有意义吗？
　　显然不是这样。即使我们以严格的语法规则将几个词组合起来，这种组合的结果也可能是毫无意义的。例如：“水是三角形的”这一句话根本是荒缪的。但是，不是所有的荒谬都是显而易见的，情况往往是这样：一种初看起来很有道理的说法，经过仔细研究之后，就会发现是错误的。
违背“常识”
　　上面谈的情况今天对我们来说已是十分明显的，根本不会有任何怀疑。尽管如此，我们由历史得知，人类并不是很容易就认识到“上”和“下”的相对性。如果人们对日常生活中经历的相对现象没有明确的认识，就很容易将某些纯粹主观的感觉，认为是普遍真理或一般规律（关于“左”和“右”的关系就是这样）。　　
　　让我们再回顾一下历史。反对地球是圆的这一事实的某些谬论，是从中世纪流传下来的。那时有人提出这样的质疑：如果说地球是圆的，人们怎么能倒着身体走路呢？　　
　　这种说法显然是成错误的，因为他忽略了垂直方向的相对性，而垂直方向的相对性是基于地球是圆的这一客观真理。　　
　　如果我们认识不到垂直方向的相对性，而把它看作是绝对的，那么，在北京的人就会认为在纽约的人都是倒身体走路的；同样，在纽约的人也会认为在北京的人也是倒着身体走路的。这样说是毫不矛盾的；因为垂直方向实际上并不是绝对的概念，而是相对的概念。只有我们涉及到地球表面上相距相当远的两点时，如北京和纽约两地，我们才会感到垂直方向的相对性的真正意义。另一方面，如果我们把相隔很近的两点（比如北京的两幢房子）加以考虑的话，我们就有理由说，所有同着两幢房子分别垂直的线是相互平行的。在这种情况下，垂直就是绝对的了。上述情况表明，在我们地球上，只有当涉及到整个地球表面积这么大的区域时，使用绝对垂直着一概念，才会导致荒谬和矛盾。　　
　　上述情况的讨论结果又表明，我们在日常生活中使用的很多概念都是相对的。这些理论子也表明，只有我们规定出具体的观察条件，这些概念才有意义。
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空间是相对的
位置的相对性
　正如我们在上一期介绍的那样，人们在言谈中，总是喜欢运用绝对的概念，但实际上这种概念是没有意义的。同样的道理，宇宙空间的位置，这一概念是相对的，当我谈论一个物体在宇宙空间的位置时，我们的言下之意总是之改物体与另外一些物体的相对位置。如果没有其它物体，这种说法是没有什么意义的。　　
　　例如，当我们说：由两颗星球在天空中重合，这个说法同样包含着相对意义。只有具体说明这个现象是从地球上观察到的，这种说法才有意义。
物体的运动

　　随之而来的问题是：物体在空间的移动。这一概念同样也是相对的。如果我们说，某一物体移动了，我们是特指它与其它物体的相对位置改变了。如果我们从不同的两个位置来观察同一物体的运动，我们会发现这一物体有着不同的运动方式。　　
　　例如，一个人从正在飞行的飞机上抛下来一块石头，对这个人来说，石头是沿着直线落向地面的，但对站在地球上的观察者来说，则是一条抛物线。　　
　　那么，这块石头究竟是怎么运动的呢？这样的一个问题其实没有多少实际意义。　　
　　一个物体沿着抛物线运动的级和形状同样也是相对的。这个道理和古诗中描写从不同角度观看庐山一样： “横看成岭侧成峰，远近高低各不同”。
定义静止状态
　外力能够影响物体的运动。对于这种外力进行深入的观察和研究，我们就会对这一现象又一个全新的认识。　　
　　假设在我们面前，又一个不受任何外力作用的物体。由于我们的观察点不同，这一物体就会以完全不同的方式运动。十分明显，当物体处于静止状态，对于观察者来说，自然是最适宜的。这样我们就可以不考虑一个物体相对于其它物体的运动情况，给静止状态下一个定义：一个不受任何外力作用的物体处于静止状态。
参照系与惯性系
   运动和静止都是相对来说的。要说明一个物体的运动情况，必须选定另一物体作参照，这种用作参照来说明其它物体运动情况和位置的物体，通常叫做参照物体，也叫参照系。　　
　　我们已经知道，运动和静止都是相对而言的。但是，经典物理学认为存在着“绝对静止状态”。为了得到这样的状态，设想使一个物体尽可能远离那些可能作用于它的其它物体，作为参照系来观察和研究运动的特性。我们把这样的一个参照系叫做“惯性系”。如果在另一参照系里观察到的物体运动与我们在惯性系里观察到的物体运动方式不同，那么，我们就有理由说，那个参照系本身是运动的。
火车在运动吗？
   假如当一个参照系由于外力的作用而运动，在这个参照系里物体的运动规律会发生改变吗？　　
　　要回答这个问题，现在让我们坐上一列作匀速直线运动的火车。如果你向空中抛一个球，你的收仍在远处不动，这个球仍然会落到你的手上，并不会因为火车的运动而斜落到别处。这种情况与在静止火车上观察到的情况是相同的。当火车的速度有增减时，情况就不一样了。如果作匀速直线运动的物体改变方向，我们也会马上感觉到。火车突然向右转弯，车上的人会向左倾，如果突然向左转弯呢？车上的人就会向右倾。　　
　　总之，我们可以作下面的结论：一个做匀速直线运动的参照系，同一个惯性系（处于静止状态的参照系）相比较，我们很难发现在他们中的物体运动情形有什么不同。但是，一旦运动着的参照系的运动有所改变（加速、减速或者改变方向），这种变化立即就会对其中的物体产生作用。
静止状态永远消失了
   前面我们由实践证实了一个做匀速直线运动的参照系，对其中的物体并不会产生任何影响。这一令人惊异的事实，迫使我们必须修正我们对静止状态这一概念的解释。这就是静止状态与匀速直线运动状态并无不同。因此可以认为：相对于一个惯性系而作匀速直线运动的物体使处于静止状态的。这就告诉我们，绝对静止状态是不存在的。但另一方面，却存在着无数各种不同的“静止状态”。这就是无数相互相对作匀速直线运动的、处于“静止状态”的参照系，只是其运动速度不同罢了。　　
　　所以，静止状态是相对的，而不是绝对的。既然静止状态是相对的，那么每当我们观察某一物体时，必须指出，该物体是相对于哪一物体处于匀速直线运动。因而我们不能把运动作为一个绝对的概念。对于运动和静止的关系的观察和探讨，使我们明白了自然界的一条重要规律：在两个处于相对匀速直线运动的参照系里，物体的运动规律是相同的。这一规律通常叫做相对性原理。
惯性定律
   运动的相对性原理表明：一个不受外力作用的物体，可以处于静止状态，或者处于匀速直线运动状态。物理学家把这种现象叫做惯性定律。　　
　　但是在我们的日常生活中，这一定律往往被掩藏在某些现象背后，只是我们不能直接而明显的认识它。根据惯性定律，一个处于匀速直线运动状态的物体，甚至在没有外力作用的情况下，它应永远保持其运动状态。但是我们的观察表明，如果一个物体不受外力的作用，它比人处于静止的状态。届时这个谜的关键在于这样一个事实：通常我们看到的物体，都受着某种外力的作用，这就是摩擦力。摩擦力破坏了观察惯性定律所需要的条件，这个条件就是必须没有任何作用与物体的外力。　
　　运动相对性原理的发现使人类最伟大的发现之一。没有这一原理的发现，物理学根本不可能发展到今天的情况。
速度也是相对的
    根据运动的相对性原理，如果并不指出某一物体是相对于某一参照系，而只是说，该物体以一定速度作匀速直线运动，那么这就是一个没有意义的概念。　　
　　于是我们发现，速度也是一个相对的概念。如果从不同的参照系来观察同一物体的运动速度，就会得出不同的结果。然而速度的每一种变化，无论是由加速、减速或者方向改变而引起的变化，从意义上却都是绝对的，而并不因我们观察时所处的不同参照系而有所不同。
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