聊聊狭义相对论-第13章
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遥谑牵阋逑喽月塾υ硕恕？蠢矗跋烈濉保╯pecial）和“广义”（general）还是非常准确的。不过，狭义相对论刚发表之时，还没有得到这个如雷贯耳的名称，只是后来广义相对论降临了之后，人们才根据它们的有效范围分别起了这两个名字。
可以说，爱因斯坦是欧几里得的忠实粉丝，你肯定没有忘记，爱因斯坦曾经深深感受到了欧几里得公理体系带给他的震撼。以至他终生不忘，发扬光大，在建立狭义相对论时，就运用了这种简洁、美妙的方法，从尽量少的原理出发，通过倒金字塔形式构建整个理论大厦。
下面我们就来聊聊这个公理体系，看看它有多美丽，又是怎样建造起狭义相对论大厦来的。
其实，狭义相对论的公理体系不仅仅是两条假设（或者叫做原理），它还包括其他的一些公理。不过，那些都是经验性的、大家都不自觉地在用的，要是说起来，反倒有点哲学的味道。所以，我们在这里就略去不详谈，而只来看看那两条最经典的原理。
这两条原理分别是：
1、狭义相对性原理：物理定律在任何惯性系中都是相同的。
2、光速不变原理：在所有的惯性系中，真空的光速都是一个常数c。
呵呵，可以读得明白吗？不明白可不要紧，这是教科书或者搞研究的一种“通病”——把规律表述得尽量简洁、清晰。所以说，搞科学，语文功底也少不了呀！下面，我们就换回平时的比较通俗、“罗嗦”的说法，意思还是一样的。
首先是狭义相对性原理。
还记得前面我们说伽利略相对性原理吗？我们把难懂的句子最终换成了“在所有的静止或匀速直线运动的参考系中，力学的规律都是相同的”。现在，我们也把狭义相对性原理换成这种说法——
在所有的静止或匀速直线运动的参考系中，所有的物理规律都是一样的。
我必须再强调一次，是——所有的物理规律！
发现不同了吧？
牛顿用的是伽利略相对性原理，而伽利略相对性原理说的是“力学的规律”。
爱因斯坦用的是狭义相对性原理，而狭义相对性原理说的是“所有的物理规律”。
很明显，爱因斯坦的原理比牛顿的厉害多了吧——所有的物理规律不仅包括你的力学规律，还包括了电学的、磁方面的……
这很拽吗？
当然了！就这么一换，世界就变了！
在伽利略相对性原理中，力学的规律才不变。而电磁学的放进去就变了呀！记得吗？把麦克斯韦的理论用牛顿的观点来看，光速c就有问题！而做实验（麦克尔孙…莫雷实验），却找不出这个问题来，实验似乎说电磁学的规律放进去应该也是不变的。这就说明牛顿好象不太对呀！
或者从数学上说，把麦克斯韦方程组放进伽利略变换式（与伽利略相对性原理相对应的式子）中进行变换，结果它的形式发生变化了，也就是说，跟未变换前的不一样了！这也应证了只有力学规律放进伽利略变换式中形式才不发生改变的说法。
但是，数学是追求美的，物理学是追求美的！
为什么电磁学的规律那么特殊？它放进去就改变了！这不符合规律的普遍性的追求呀！规律嘛，应该大家平等，你这条规律能得到这样的待遇，凭什么我的就不能？！大自然不会这么“偏心”呀，规律（伽利略相对性原理）不应这么拗口呀！偏得加个限制！
爱因斯坦从小就具有那种对美的疯狂追求，他可以不从实验结果出发。就是单从对美的理解开始，就可以看到伽利略相对性原理确实有点别扭。
于是，他头一甩，操出家伙，重重地改了一下，把它改得符合美的要求——“力学规律”换成“所有的物理规律”！
这就意味着，不仅力学规律不变了，电磁学的也不会改变了！
这非常吻合科学的简洁美的要求。在爱因斯坦之前，得这样说——
在所有惯性系中，力学的规律都是相同的；而电磁学的不同。（得有个后缀，而且实验还证明这是不对的。）
而现在，简单多了——
在所有惯性系中，所有的物理规律都是一样的。
你也许会嘟囔，这有什么用呢？
有用！十分有用！
它简化了物理规律，而且还有可能解决伽利略相对性原理和电磁学冲突的问题（按理说，应该是可以的，因为它已经说了电磁学的规律也可以满足这条原理，而经典物理学的症结正是在这一点上）。
你说有用，也得拿出证据来呀！
好，不要着急。现在，我们已经得到了一条新的原理，将要用它取代伽利略相对性原理。但是，能否真的解决经典物理学中的问题，还是个未知数。不过，我们将把它当作我们新理论的基础，再强调一遍，是新理论的基础，看能推出一些什么样的结论来，再运用否定后件或者肯定后件去验证。
总而言之，它出现的合理性是一有实验的支持，二是符合美的要求。它的用处就要看它的推论。
关于这个问题，将贯穿相对论始终，我们后面慢慢道来。
这是我们的第一条原理，倒金字塔的一点。
只要我们的出发点是正确的，未来就会有希望。
我们已经看过了第一条原理，它推广了伽利略相对性原理。不过，究竟能不能真正起作用，我们还没有定论。
现在，再让我们来咀嚼一下光速不变原理。这条原理虽然谈不上佶屈聱牙，但是要真正理解它可还是不简单的。要接受它，你得彻底抛弃以前的一些认为是“常识”的思想和看法。不过，接下来，我们将花比较大的篇幅去讨论它，并通过一些思想实验来练习一番，再加上你的聪明才智，掌握它肯定是没问题的。
记得吗？麦克斯韦曾经说过：“所有电磁波的速度都是c！”
倘若按照经典物理学的观点来理解这句话，就必须得加上一个限制条件——相对于什么参考系来说。但是，事实摆在眼前——
相对一个绝对参考系，比如说以太，是行不通的；
而相对光源也是一条死路。
那？这究竟是相对什么来说的呢？
爱因斯坦陷入了深深的沉思之中。
所有电磁波的速度都是c！所有的……它是说“所有的”……没有限制条件……没有呀……按照我们的习惯……只有在大家都清楚的情况下才不要前提条件呀……可是，我们都还不清楚呢……那……那就只剩下一种可能……就是……是……根本不用相对什么来说……对，不用……什么都不用……而是，无论在谁看来，都是c……是的，嗯，人家都没有说前提条件，为什么我们一定要加上去呢……
一定是这样……无论谁说这句话都是对的……静止的人看到那束光是c……运动的人看到它也还是c……这样，不就不用加条件了吗……c是相对所有参考系来说的……所有的……要是这样的话……c是绝对的……光速对于每个人来说都是c……这样对吗……
爱因斯坦猛地跳起：“我的直觉告诉我，这是对的！”
似乎有点道理。
回想一下，之前我们在走投无路的时候，就曾经怀疑过以太这条路是走不通的。而再反观麦克斯韦电磁学的预言——所有电磁波的速度都是c！确实，没有前提！
但是，为什么一定要附加前提呢？
而事实也告诉我们，加了前提也未必能够走得通！
既然没有说到前提条件，那就肯定是根本不需要前提条件的！
那没有限制条件意味着什么呢？
所有人都必须同意麦克斯韦的说法！无论是谁，在哪里测量光速，不管他是运动的还是静止的，都应得到相同的结果——c！否则的话，就得加前提了——在什么参考系里才是c！
换句话说，在静止的观测者看来，那束向他飞奔而来的光的速度是c！而对以速度v运动的观测者来说，那束向他飞奔而来的光的速度也是c！无论这个v是多大！
一言以蔽之，凡是惯性系都会看到光速是c！
为什么？？？我不相信！！！完全跟我的常识相反！！！
记住，常识不一定就是对的！古时候，天方地圆不是常识吗？曾经，地球是宇宙的中心不也是常识吗？……
没道理呀！为什么光速那么奇怪？要是把光换成一只以5米每秒飞行的小鸟，我静止时看到是5米每秒；而运动时看到就不是了呀！
为什么光就不是这样呢？
是的，光就这么特殊！或者准确地说，光速就这么特殊！光速不管在谁看来，都是相等的！之前，我们一直都没有意识到有这么一个特殊的速度！
可是，为什么存在这么一个特殊的速度呢？
不知道，谁也不知道！这是上帝的意旨，大自然的规律！
上帝只是说——光速必定是c！没有原因！
或许你会大叫，肯定是光速不变原理错了！事实上，我们谁也不知道它是对是错，但是，作为狭义相对论的基础，它所推导出来的结论都为实验证实，使得我们又不得不承认它的正确性！
先说到这，布置个作业，下节回来检查。
假设你是一个光子，你和你的同伴（当然也是一个光子）都从灯泡里“逃”出来，那么，在你看来，你的同伴的速度是多少？在你的同伴看来，你的速度又是多少？在站在灯泡外面的人看来，你们的速度是多少？
如果能够独立正确地完成，说明你已经可以抛弃以前的常识，接受光速不变原理了。努力哟！
诸位，上节的作业完成了吗？如果你顺利解决了，那么恭喜你，你跨过了狭义相对论的第一道坎，并且具有很好的逻辑推理能力。要是还是不太明白的话，也不要紧，我们还要继续说，一定要把这个问题搞清楚。
我们先来分析一下上节的问题。
根据光速不变原理，在所有的惯性系中，真空的光速都是一个常数c。
那么，当你是一个光子时，你算一个惯性系吧？于是，按照原理行事，你将会看到你的光子同伴以c远离你而去。依此类推，你的同伴光子也是惯性系，很明显，在它看来，你将以c向前狂奔，把它抛在后面。
嘿嘿，好象矛盾了是吧？你看到它比你快，而它看到你比它快！那究竟是谁快呢？谁看到的才是真的呢？……你们都是对的！因为我们是按照原理去做的！这正是光速之特殊性导致的一种“不可思议”的现象！在不同的参考系，我们将有可能看到不同的结果！
先别闷气，跟原理过不去，做完作业了再来讨论原理的问题。既然爱因斯坦已经给了我们一条“办事法则”，我们就尽管按其去做，一切后果由爱因斯坦负责。
对于灯泡外边的观测者，也可以算一个惯性系，他会看到什么现象呢？……他会发现，你们两个将会并肩前进，速度都是c！
怪事！咄咄怪事！
三个惯性系看到了三种相异的事件！
按照我们的生活经验，怎么会有这种事情呢？这就好象在110米跨栏上，刘翔看到约翰逊比他快，而约翰逊却看到刘翔比他快，结果裁判上来说，嘿嘿，不好意思，你们都是一样快！
哦！这什么来着！国际田联会成什么德性？！
呵呵！110米跨栏上当然不会出现这样的“事故”。不过，110米跨栏跟光子赛跑的最根本的区别在于，速度不一样！刘翔虽然称得上“飞人”，但怎么飞也飞到光速c！他的速度是远远落后于光速的低速！而倘若某一天，来了个刘翔2。0或其他什么版�
