同时性的相对性
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小爱来到自己的办公室,打开抽屉,昨天那张稿纸还静静地躺在里面,自己写下的两句话赫然在目。他喃喃自语:“光速不变……光速不变到底意味着什么?”他恍惚记得昨天晚上似乎做了一个很精彩的梦,他努力想要回忆起梦中的情节,但是有点难,他只记得梦中似乎说过“时间是相对的,没有真正的同时”这样的话。他还恍惚记得昨天晚上的梦跟火车有关。为了帮助回忆,小爱埋头在那张稿纸上画了一段铁路,又画了一个长方形表示火车,他又想起点儿什么,于是又在火车中间画了一个小人,他感觉就要想起来了。突然,局长哈勒(根据记载,哈勒也是物理爱好者,后来成了小爱的粉丝)的声音从门口传来:“阿尔伯特,客户来催前两天提交的那个申请了,你审查得怎样了?”小爱吃了一惊,用肚子朝抽屉一顶,迅速合上抽屉,局长刚好走进来。小爱赶忙说:“这就好了,局长。”
局长走了以后,小爱擦了一把汗,再次悄悄地打开抽屉。可是思路被打断后,他怎么也想不起来昨晚的梦了。但是幸好他还没忘记梦中得出的结论——没有什么真正的“同时”,车上的人认为是同时发生的事情,到了站台上的人的眼里,就不再是同时发生的。经过一番思绪整理,小爱想出了另外一个例子,它后来被小爱郑重地写入了那本广为流传的著作《相对论浅说》中,书中是这样描述的:
在铁路的路基上,雷电同时击中了相隔很远的A点和B点。如果我问你,这句话有没有意义时,你多半会不假思索地回答我说“有”。但是如果我让你解释一下这句话的准确意义时,你在经过一番思考后会发现,这个问题貌似不像原来想象的那么容易回答。你很可能会这么回答我:“这句话的意思本来就很清楚,没有必要加以解释。”但这样的回答显然是无法让我满意的。那么我们这么想,如果有一个气象学家宣称他发现某种闪电总是能同时击中A点和B点,这时候总要提出一种实验的方法来验证他所说的对不对吧。对于严谨的物理学家来说,首先要给出一个同时性的定义,然后还得有实验方法能验证该定义是否能被满足,如果这两个条件没有达成的话,那么那个气象学家就是在自欺欺人了。好了,经过一段时间的思考后,你提出了一个检验同时性的方法,你说:请把我放到铁路上A、B两点的正中间的位置,然后通过一套镜子的组合能让我看到A、B两个点;如果闪电发生之后,我能在同一时刻感觉到闪光,那么这两道闪电必定是同时击中了A、B两点。于是你提出同时性的定义,就是一个人能在同一时刻感受到闪电的闪光。我很高兴你能提出这个定义,当然这个定义的前提还得加上你在A、B两点的中点上。
好了,让我们想象一下:有一列火车正在铁轨上从A点开向B点,此时,你正站在A、B两点中间的路基上。突然,有两束闪电击中了A、B两点,过了一小会儿,两束闪光经过相同的距离到达你的眼里,你同时看到了它们,所以你毫不犹豫地认为这两束闪电是同时发生的。但是我们再设想一下:这次你站在了火车里,正从A点开向B点。
【图4-4】行驶中的火车上的人会认为闪电并不是同时发生
当A、B两点被闪电击中时,你正好经过A、B两点的中点。你经过中点后,继续跟随火车向B点行进,因此在闪电光到达你眼睛之前的这点时间里,你又向B点前进(同时向A点远离)了一段距离,而因为A、B两点闪光的光速恒定不变,所以B点闪光一定会先于A点闪光到达你眼里。于是就出现了这样的结论:你认为这两束闪电以路基为参考系时是同时发生的,但是以火车为参考系时,对于火车上的你来说,却是先后发生的。
这是怎么回事呢?这说明“同时”也是相对的,当以路基为参考系时是同时发生的事情,但换成了以火车为参考系时,却不是同时发生的了,反之亦然。每一个参考系都有自己的特殊时间,如果不指明参考系,宣称一件事情同时发生是没有任何意义的。这乍一听起来似乎很荒谬,在我之前的物理学家一直都在给时间赋予绝对的意义,而我却认为这种绝对的意义与我们前面讲的那个最自然的同时性定义并不相容,如果我们能坦然地抛弃我们对时间的绝对化的概念,则真空中光速恒定不变就会变得可以理解和接受了。
不知道各位读者是否听明白了爱因斯坦关于闪电击中铁轨的这个故事?不管你现在脑子是不是如堕五里雾中,一会儿在想那个环球快车,一会儿又在思考这个闪电的问题,总之爱因斯坦是在告诉我们这样一个重要概念:同时性的相对性。
我听到有几位已经理解的读者欢呼起来了:“哈哈,同时性的相对性,我想明白了!原来这就是相对论,不难理解啊!”
别急别急,相对论的大门只是刚刚打开了一条缝隙而已,同时性的相对性只是爱因斯坦运用相对性和光速不变这两条原理推出来的第一个结论。让我们跟随爱因斯坦的思维继续往下推导,马上就会有更多不可思议的推论出现在你面前,保证你会惊讶得嘴都合不拢。准备好了吗?这就开始我们的头脑风暴。