物理世界奇遇记-第2章

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于是他转向坐在食堂里的一个穿铁路制服的单身汉。
　　“劳驾，先生，”他开口说，“你能不能费心给我讲一讲，
对于火车上的旅客比老住在一个地方的人老得慢这件事，谁应该
负责？”
　　“我对这件事负责。”那个人说，干脆极了。
　　“啊！”汤普金斯先生喊了起来，“怎么回事……”
　　“我是火车司机。”那个人回答说，似乎这就能解释一切了。
　　“火车司机？”汤普金斯先生重复了一遍，“其实，我从小
就一直想当个火车司机的。”“但是，这怎么能使人保持年轻呢？”
汤普金斯先生十分惊奇地问道。
　　“这个嘛，我也不太清楚，”火车司机说，“但事情就是这
样。我是从大学的一个老头那里听说的。他当时就坐在那儿。”
他指着靠在门边的一张桌子说。“消磨时间嘛。他告诉我他在做
什么工作，当然要比我高一头啦。他胡吹乱侃，我一个字也听不
懂。不过，他说这一切都是由于加速和减速而造成的。我还记得
一些。他说，不但速度会影响时间，加速度也是这样。每次在火
车进站和出站时都要减速和加速，那就会使乘客觉得时间在倒退。
不坐火车的人是不会感觉到这种变化的。当火车进站时，你会发
现，那些站在月台上的人并不需要紧紧抓住栏杆，也没有像火车
上的乘客那种似乎就要跌倒的样子。看来差别就在这里了……”
他突然停下不说了。
　　突然，一只沉重的手摇撼着汤普金斯先生的肩膀，于是他发
现自己并不是在车站的咖啡厅里，而是坐在他听教授演讲的那个
大厅的长椅上。这时，天已经黑了，大厅里空无一人。那个把他
叫醒的管门人说：“我们就要关门了，先生，要是你还想睡觉，
最好是回家睡去。”
　　

（碧声注：图片扫描效果不好，不过大家应该能看出这位可爱的
看门人长得像谁。事实上，原图里他的胸前写着“ALBERT”）

　　汤普金斯先生站了起来，开始朝门口走去。



　　　２　教授那篇使汤普金斯先生进入梦境的相对论演讲

女士们，先生们：

　　还在人类智慧发展的最初阶段，人们就已经明确地把空间和
时间看做发生各种事件的舞台。这种概念一代一代地传下来，没
有什么实质性的改变；并且，从精密科学开始发展以来，它就被
用作对宇宙进行数学描述的基础。伟大的牛顿大概是第一个清楚
地阐明了古典的时空概念的人，他在他的《原理》一书中写道：

　　　　绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事物
　　的，它永远是相同的，不变的。绝对的、真实的数学时
　　间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动的，不
　　依赖于任何外界事物。

　　过去，人们极其坚定地相信这些古典的时空概念是绝对正确
的，因此，哲学家们常常把它们看做某种先验的东西，而科学家
们连想也没有想到可能有人对这些概念产生怀疑。
　　但是，在２０世纪刚开始的时候，人们开始了解到，要是硬
把实验物理学最精密的方法所得到的许多结果纳入古典时空概念
的框框，就会出现一些显而易见的矛盾。这个事实使当代最出色
的物理学家爱因斯坦产生了一个革命的想法，他认为，如果抛开
那些传统的借口，就根本没有任何理由把古典的时空概念看做绝
对真理，人们不仅有可能、并且也应该改变这些概念，使它们同
新的、更精密的实验相适应。事实上，既然古典的时空概念是在
人类日常生活体验的基础上建立起来的，那么，要是今天根据高
度发展的实验技术建立的精密的观察方法表明，那些旧的概念过
于粗糙，过于不精确，它们之所以能够用在日常生活中，能够用
于物理学发展的初期，仅仅是由于它们同正确概念的差异相当微
小，那么，我们就不应该大惊小怪了。同样，要是现代科学所探
索的领域不断扩展，把我们带到两者的差异变得非常巨大、以致
古典概念根本无法应用的场合，我们也不应该感到惊讶。
　　使古典概念从根本上遭到批判的一个最重要的实验结果，是
人们发现了真空中的光速是一个常数（等于300；000公里每秒），
并且是一切可能的物理速度的上限。这个出人意料之外的重要结
论，主要是从美国物理学家迈克耳孙和莫利的实验得出的。１９
世纪末，他们千方百计想观察地球的运动对光的传播速度的影响。
他们的脑子里还是当时流行的观点，认为光是一种在被称为“以
太”的媒质中运动的波。这样，它的表现就应该像在池塘表面上
运动的水波那样。当时人们还认为，地球也是在穿过这种以太媒
质运动的，很像是一艘在水面上运动的小船。在小船上的乘客看
来，小船激起的涟漪朝着小船运动方向向前扩展的速度，要比涟
漪向后扩展的速度慢一些，因为在前一种情况下要从涟漪原来的
速度减去小船的速度，而在后一种情况下却要把两个速度相加起
来。我们把这叫做速度相加定理，这个定理一直被看做是不证自
明的。因此，在穿过以太运动时，光的速度同样应该随着它相对
于地球运动的方向的不同而显得不尽相同。既然如此，只要测量
出光在不同方向上的速度，就应该能够测定地球在以太中的运动
速度了。
　　但是，迈克耳孙和莫利却发现，地球的运动对光速根本没有
任何影响，不管在哪一个方向上，光的速度都是完全相等的。这
个发现使他们本人和整个科学界都大吃一惊。这个奇怪的结果使
他们产生了一种想法：也许是非常不巧，在他们进行那个实验的
时候，地球在其环绕太阳运动的轨道上正好处在相对于以太静止
不动的状态。为了检验事情是不是这样，过了６个月，也就是当
地球在太阳的另一侧朝着相反的方向运行时，他们又重复做了那
个实验。但是，这一次也同样测不出光速有任何不同。
　　既然已经确定，光速的表现同水波的速度不一样，那么，剩
下来的可能性就是假定它的表现和子弹相同了。如果我们用小船
上的枪射出一颗子弹，那么，在乘客看来，这颗子弹不管是朝哪
个方向射出，它离开运动中的小船的速度都是相同的——事实上，
迈克耳孙和莫利也已经发现，从运动中的地球朝不同方向发射出
的光，它们离开地球的速度也全都相等。但是在这种情况下，站
在岸上的观察者就会发现，朝着小船前进方向射出的子弹的运动
速度，要比朝着相反方向射出的子弹更快一些：在前一种情况下，
小船的速度会同子弹的出膛速度相加在一起，而在后一种情况下，
却要从子弹的出膛速度减去小船的速度——而这同样是速度相加
定理告诉我们的。与此相应，我们也应该认为，从某个相对于我
们与运动的光源发射出的光，它的速度必定会随着同运动方向所
形成的发射角的不同而不同。
　　但是，实验告诉我们，实际情形也不是如此。我们就拿电中
性的π介子作为例子吧！π介子是一种非常小的亚原子粒子，它
在衰变时会发射出两个光脉冲。已经发现，不管这两个脉冲的发
射方向同原来母π介子的运动方向有什么关系，它们射出的速度
总是相同的，甚至在π介子本身以接近于光速的速度运动时也是
这样。
　　于是我们发现，前面提到的两种实验都没有得到预期的结果：
前一种实验表明，光速的表现同常规水波的速度不一样；而后一
种实验则表明，光速的表现也不同于常规子弹的速度。
　　总而言之，我们的发现是：不管观察者在做什么运动（我们
是从运动中的地球上进行观察的），也不管光源在做什么运动（
我们所观察的是从运动中的π介子发出的光），光在真空中的速
度总是具有恒定的值。
　　我前面提到过，光速有另外一个性质——光速是无法超越的
极限速度。这又是怎么回事呢？
　　“啊，”你们可能会说，“难道不可能把若干个比较小的速
度相加起来，构成一个超过光速的速度吗？”
　　举个例子吧！我们可以设想有一列跑得非常快的火车，就说
它的速度等于光速的３／４吧，再设想有一个人在车顶上朝火车
头跑去，他的速度也等于光速的３／４。
　　按照速度相加定理，这两个速度合成的总速度应该等于光速
的1．5倍，因此，那个在车顶上跑的人应该能够赶上并超过路边
信号灯所发出的光束。但是，实际情况是：既然光速固定不变是
一个实验事实，所以，在现在所说的这个例子里，合成速度就必
定小于我们上面所预期的速度值——它不能超过极限值ｃ。因此，
我们应该得出结论说，即使对于比较小的速度来说，古典的速度
相加定理也肯定是不正确的。
　　关于这个问题的数学处理，我不想在这里细说，但是我可以
告诉你们，在计算两个叠加运动的合成速度方面，它得到了一个
非常简单的新公式。
　　如果v1和v2是那两个要相加的速度，　c是光速，那么，合成
速度与原来速度的关系应该是
　　　　　（１）
　　从这个公式可以看出，如果原来两个速度都很小——我说很
小，是同光速相比较而言的——那么，上式分母的第二项同１相
比较，就可以略去不计，这时，你所得到的就是古典的速度相加
定理。但是，如果v1和v2都不算小，那么，你所得到的结果就总
是比这两个速度的算术和小一些。例如，在上面所说的那个人在
火车顶上奔跑的场合下，v1=（3/4）c，v2=（3/4）c，这时，用上面
公式得出的合成速度，v=（24/25）c，这仍然小于光的速度。
　　在一种特殊的场合下，即当原来两个速度当中有一个等于ｃ
的时候，不管另一个速度有多大，用公式（１）所得出的合成速
度都等于ｃ。由此可见。不管把多少个速度相加起来，也永远得
不到比光速更大的速度。
　　你大概也乐意知道，这个公式已经由实验加以证明了——人
们在实验中确实发现，两个速度的合成值总是小于它们的和。
　　既然我们承认速度有一个上限，我们现在就可以着手批判古
典的时空概念了。在这里，我们的第一支箭要对准根据这种概念
建立起来的同时性概念。
　　“你把火腿炒鸡蛋端上你在伦敦的餐桌，正好与开普敦矿井
中那些炸药的爆炸同时。”——当你说这句话的时候，你一定认
为，你知道你的意思是什么。但是，我马上就要指出，你并不知
道你自己在说什么，并且严格他说，这句话是没有任何确切含意
的。事实上，你有什么方法可以检验这两个事件到底是不是同时
发生在两个不同的地方呢？你会说，只要在发生这两件事时，那
两个地方的时钟指着同一个时刻就行了。但是，这时马上产生了
一个问题：你怎样把这两个离得很远的时钟弄到一块，让它们同
时指着同一个时刻呢？这样一来，我们就又回到原先的问题上来
了。
　　由于真空中的光速不依赖于光源的运动状态和测量光速的系
统，这件事是一个最精确地确定了的实验事实，我们就必须认为，
下面所�