物理世界奇遇记-第3章

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


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，
下面所要介绍的测量距离和核对不同观察站的时钟的方法，是最
为正当的方法，并且，要是你稍稍多想一想，你就一定会同意说，
它同时也是惟一合理的方法。
　　设想我们从Ａ站发出一个光信号，让这个光信号一到达Ｂ站，
就马上返回Ａ站。这样，在Ａ站记录到的从发出信号到信号返回
Ａ站的时间的一半，乘上固定不变的光速，应该就是Ａ站与Ｂ站
的距离。
　　如果在信号到达Ｂ站的瞬时，当地的时钟正好指着Ａ站在发
出信号和收到信号的瞬时所记录下的两个时间的平均值，我们就
说，Ａ站和Ｂ站的时钟是彼此对准了的。对固定在一个刚体上的
各个观察站，用这种方法把时钟一一对准，我们最后就得到了我
们所希望有的参考系，因而就能够回答两个在不同地点发生的事
件是否同时的问题了。
　　但是，这些结果会不会为另一个参考系中的观察者所认可呢？
为了回答这个问题，我们假定这两个参考系是固定在两个不同的
刚体上的，或者就说是固定在两枚以同一固定不变的速度朝相反
方向飞行的长火箭上吧。现在我们来看看，这两个参考系的时间
怎样才能彼此对准。
　　假定每一枚火箭的头尾两端各有一个固定不动的观察者，这
４个观察者首先必须把他们的表彼此对准。这时，每一枚火箭上
的两个人，都可以把前面所说对准时钟的办法变通一下，把他们
的表彼此对准。这就是从火箭的正当中（这可以用量尺测量好）
发出一个光信号，当这个信号从火箭的正当中传到它的头尾两端
时，每一端的观察者就都把自己的表拨到零点。这样，按照前面
的规定，这两个观察者已经把他们自己那个参考系中的同时性标
准确定下来，把他们的表“对准”了——当然啦，这是从他们自
己的观点出发来说的。
　　现在他们决定看看他们火箭上的时间记录是不是同另一枚火
箭上的记录相符。譬如说，当处在不同火箭上的两个观察者彼此
擦身而过时，看看他们的表是不是指着同一个时刻？这可以用下
面的方法来检验：他们在每一枚火箭的几何中点插上一根带电的
导体，让两枚火箭互相掠过，且它们的中点彼此对准时，在两根
带电导体之间跳过一个电火花，这样一来，光信号便同时从每一
枚火箭的中点向两端传播，如图（ａ）所示。过了一会儿，火箭
　　
２上面的观察者2A和2B所看到的情形表示在图（ｂ）上。这时火
箭１已经相对于火箭２运动开了，两个光束朝着前后两个方向移
动了相等的距离。但是请大家注意这时发生了什么事情。由于观
察者1B是朝着向他射过来的光束运动的（在观察者2A和2B看来，
情形就是这样），所以在火箭１上向后行进的光束已经到达观察
者1B的位置。按照2A和2B的看法，这是因为这个光束所需要走过
的距离比较短。因此，观察者1B便把他的表拨到零点，而其他人
都还没有动作。在图（ｃ）中，光束已经到达火箭２的两端，这
时观察者2A和2B便同时把他们的表拨到零点。只有到图（ｄ）的
情况出现时，火箭１上向前传播的光束才到达观察者1A的位置，
使他觉得是该把自己的表拨到零点的时候了。这样一来，我们就
可以知道，在火箭２上的两位观察者看来，火箭１上的那两位并
没有对好他们的表——他们的表不会显示出相同的时间。
　　当然啦，我们也很容易表明，在火箭１上面的观察者看来，
火箭２上也发生了同样的情形。按照他们的看法，“静止不动的”
正是他们自己的火箭，而在进行运动的应该是火箭２。现在是观
察者2B在朝着射向他的光束前进，而2A却对着光束倒退。因此，
在观察者1A和1B看来，是2A和2B没有把他们的表对好，而他们自
己却是把表对好了的。
　　其所以会出现这种看法上的差异，是因为当几个事件发生在
分隔开的地方时，这两组观察者就必须先进行计算，然后才能决
定这些被分隔开的事件是不是同时发生；他们必须扣除光信号从
遥远的地方传到他们那里所花费的时间，并且坚定地认为相对于
他们来说，来自任何方向的光的速度都是恒定不变的（只有当几
个事件发生在同一个地方，也就是不需要进行计算时，才能对这
些发生在那个地方的事件是否同时作出普遍认可的判断）。
　　既然这两枚火箭的地位是完全平等的，所以，要解决这两组
观察者之间的争论，就只能够说，这两组观察者的说法，从他们
各自的角度看来都是正确的；而究竟哪一方是“绝对”正确的问
题，则没有任何物理意义。
　　我怕我这番冗长的议论已经把大家弄得十分疲倦了，不过，
要是你们很细心地从头听下来的话，就一定会明白，一旦采纳我
们上面所说的时空测量方法，绝对同时的概念就不复存在了——
在某个参考系中的同一时间但在不同地点发生的两个事件，在另
一个参考系看来，将变成被一定时间间隔分隔开的两个事件。
　　这种说法乍一听来是极端反常的。但是，如果我说，你在火
车上吃晚饭的时候，你的汤和点心都是在餐车上同一个地方，但
却是在铁路上相距很远的两个地方吃下去的，那么，你是不是也
会觉得反常呢？其实，关于你在火车上吃晚饭这个例子，也可以
换一种说法，说成是，在某个参考系中的同一地点，但在不同时
间发生的两个事件，在另一个参考系看来，将变成被一定空间间
隔分隔开的两个事件。
　　把这种“正常”的说法同上面那种“荒谬”的说法比较一下，
你就会看出，这两种说法是完全对称的，只要把“时间”和“空
间”这两个词对换一下，就可以把其中的一种说法变成另一种说
法。
　　爱因斯坦的整个观点就是：在古典物理学中，时间被看做某
种完全不依赖于空间和运动的东西，它是“均匀地流动的，不依
赖于任何外界事物”（牛顿语）；与此相反，在新的物理学中，
空间和时间却是紧密地联系在一起的，它们只不过是发生一切可
以观察到的事件的均匀“时空连续统”的两个不同截面。把这种
四维的连续统分裂为三维的空间和一维的时间纯粹是一种任意的
作法，这与进行观察时所用的参考系有关。
　　在一个参考系看来，在空间中由距离ｌ、在时间上由间隔ｔ
分开的两个事件，从另一个参考系看来，分开它们的空间距离将
变成ｌ'，时间间隔则变成ｔ'，因此，从某种意义上说，我们可
以说是把空间变换成时间或者把时间变换成空间了。同样也不难
看出，为什么在我们看来，把时间变换成空间（像在火车上吃晚
饭那个例子）是很普通的概念，而从空间变换成时间（这会使同
时性变成相对的）却似乎是极为反常了。问题在于，如果我们用
“厘米”来测量距离，那么，相应的时间单位就不应该是常用的
“秒”，而应该是一种“合理的时间单位”，它等于光信号走过
１厘米距离所花的时间，即0。000　000　000　03秒。
　　这样一来，在我们日常经验的范围内，从空间间隔变换成时
间间隔所产生的结果实际上是观察不到的，这就似乎证明了时间
是某种绝对独立的，不变的东西这种古典观点。
　　但是，在研究速度极高的运动，例如在研究放射性物质所发
射出的电子的运动或电子在原子内部的运动时，由于这时在某一
时间内走过的距离同用合理时间单位所表示的时间属于同一个数
量级，我们就必定会碰到上面所讨论的那两种效应，这时，相对
论就变得非常重要了。即使在速度比较小的区域内，例如在研究
我们太阳系中行星的运动时，由于天文观测已经非常精密，也可
以观察到这些相对论性效应。不过，想观察到它们，就必须测出
行星运动每年总共只有几分之一弧秒的变化。
　　我上面已经尽力为大家说明，对古典时空概念进行批判会导
致一个结论，即空间间隔实际上可以变换成时间间隔，时间间隔
也可以变换成空间间隔，这就是说，在从不同的运动系统测量同
一个距离或时间时，会得到不相同的数量值。
　　对这个问题进行比较简单的数学分析，就可以得出一个明确
的计算这些值的变化的公式，不过，我不想在这里多谈这个问题。
我只想简单他说，这个公式告诉我们，　任何一个长度为ｌ0的物
体，当它以速度ｖ相对于观察者运动时，　它的长度（在运动方
向上）都会缩短，缩短的数量取决于它的速度，也就是说，观察
者所测量到的长度ｌ将变成
　　　　　（２）
　　从这个公式可以看出，当v非常接近于c时，ｌ变得越来越小。
这就是著名的相对论空间缩短（尺缩）效应。我得赶快补充一点
说明，这里的ｌ指的是物体在其运动方向上的长度。它与运动方
向成直角的尺寸是不会改变的。结果，物体在其运动方向上便变
扁了。
　　与此相似，一个需要花时间ｔ0的过程，在从一个作相对运
动的参考系对它进行观察时，它所花的时间，将变得长一些，也
就是
　　　　　（３）
　　请大家注意，随着v的增大，t也同样增大。事实上，　当v接
近于c时，t会变得非常大，以致所发生的过程几乎停滞下来了。
这就是相对论的时间延长（钟慢）效应。正因为这样，人们就产
生了一种想法，认为如果宇航员们以接近于光速的速度遨游太空，
他们变老的过程就会变得非常之慢，以至于他们几乎不会变老——
他们可以永远活下去！
　　我希望大家不要忘记，这两种效应是完全对称的，因此，当
一列快速运动的火车上的旅客，正在奇怪为什么那站在月台上的
人长得那么瘦、动得那么慢的时候，那站在月台上的旅客对于行
驶着的火车上的人，也正好有完全相同的想法哩。
　　乍一看来，这可能叫人觉得有悖常理。确实，这个问题引出
了一个所谓“双生子佯谬”，其内容是：有两个孪生兄弟，一个
出外旅游，另一个留在家里。按照我前面说明的理论，他们每个
人根据他们对另一个人的观察，以及关于光信号要花多长时间才
能到达，他们通过计算，都认为自己的兄弟会老得慢一些。现在
的问题是：当那个出门旅游的兄弟回到家里，两人可以面对面地
进行比较时（这时的比较不需要再进行任何计算，因为他们已经
又一次处在同一个地方了），他们会发现什么样的结果呢？要想
解答这个问题，就必须认识到这两人的立足点是不同的。那个外
出的兄弟要想回家，就必须经历加速的过程——先是把速度减慢
到零，然后朝着相反的方向重新受到加速。同他那留在家里的兄
弟不一样，他一直处在非匀速运动的状态中。只有留在家里的那
一个才始终保持匀速运动的条件，因此，他会认为他的兄弟现在
并不显得更年轻一些是毫无道理的。
　　在结束这篇演讲之前，我还想再指出一件事。你们也许会觉
得奇怪：究竟是什么东西妨碍着我们把物体的速度加速到比光