说说相对性原理：（三）对相对性原理的传统认识有何误区（上）

如前所述，经典力学的相对性原理来源于我们对匀速直线运动状态下的物理现象的直接观察，因而在经典力学范围内的相对性原理的成立性是没有任何问题的，事实上，据无忧仙人所知，也没有哪个物理学家对此表示质疑。另一方面，自从相对论问世之后，尤其是在近年来对相对论高涨的批评声中，对相对性原理的质疑却也愈发来势凶猛。既然经典力学范围内的相对性原理的成立似乎不是问题，那么这种质疑也一定是针对光学与电磁学的相对性原理了。只是有趣的是，虽然狭义相对论对现实的背离也正是从这一点开始的，但是却没有多少证据表明反对者的批评总是说到了点子上。那么现在就让我们深入剖析一下有关的细节。

首先让我们简单回顾一下相对性原理的内容。前面我们讲过，相对性原理的核心在于在不同匀速直线运动状态下的物理实验规律的可重复性，而一个物理规律的重复又首先是相应的物理实验条件（匀速直线运动的状态除外，因为这是允许的变量）的重复，然后在重复的实验条件下所发生的实验结果的重复。接下来就让我们看看如何将以上思路应用于具体实际。为此让我们考察一下爱因斯坦在《相对论-狭义与广义理论》中的堤岸与火车的例子。
爱因斯坦在该书第5节说道，如果一束光沿着堤岸发出，那么光线相对于堤岸将以速度c传播，而此时按假设火车是以速度v与光线同一方向沿着堤岸运动的，所以爱因斯坦得出光线相对于火车的速度为w=c-v。接下来爱因斯坦断言，以上结果同相对性原理是矛盾的，并解释道，“这是因为同其它任何一个一般的物理规律一样，相对性原理要求，光在真空中传播速度的规律相对于火车刚性参照系与相对于堤岸刚性参照系应该是一样的，但是从以上的考虑我们看到，这是不可能的。”他进一步断言，“如果每一束光线都相对于堤岸以常数c传播，那么就得有一个不同的光线传播规律是相对于火车成立的，而这一结果是同相对性原理直接矛盾的。”
那么问题真如爱因斯坦所说的那样吗？

完全不是的；原因就在于在以上结果的推导中爱因斯坦完全忽视了实验条件，因为忽视了实验条件，所以把单纯的实验结果即所测得的光速当成了物理规律自身，而事实是，物理规律是物理实验条件与实验结果的关联方式，是它们的内在联系，而不是实验结果的自身。换句话说，在以上的例子中要求光线相对于堤岸以常数速度c传播与要求光线相对于火车以常数速度c传播根本不是相对性原理的内容。
那么在以上例子中什么才是相对性原理的内容呢？

为此我们必须补充一些实验细节。比如，我们可以假定相对于堤岸以常数速度c传播的光线乃是由固定于堤岸的光源发出并由静止在堤岸上的观察者测得的，而且我们知道这一说明是同光速作为真空的媒介特性的理解是完全一致的，因为当我们谈论光的真空媒介速度时，不可能抽象或泛泛而论，必须与可以胜任运载工具角色的某个具体的惯性系联系起来，不仅如此，该惯性系内的光源与观察者均必须相对于这个惯性系处于静止状态，比如固定于其上，因为否则便无法确保所测得的光速是常数速度c。一旦光线相对于堤岸以常数速度c传播的实验条件清楚了，那么接下来如何在火车中复制这一实验也就非常清楚了：首先，火车必须具备同时携带光源与观察者的能力，其次，光源与观察者均必须固定于火车之上。于是，我们便可以在火车上复制堤岸上测光速的实验条件，那么接下来，我们期望火车上的观察者测得来自于火车上的光源的光信号的速度为同一常数c也就顺理成章了。

所以，相对性原理没有简单要求处于不同匀速直线运动状态的所有观察者所测得的来自于同一光源的光线都有相同的速度；它只是要求在不同的匀速直线运动状态下如果一个物理规律的实验条件被重复，那么该物理规律的实验结果也就自然被重复，也正是为了重复实验条件，我们才要求火车不只是一个简单的运动物体，而且是一个可以运载观察者与光源的工具。这也正是我们之前重新定义惯性系为做匀速直线运动的运载或交通工具的缘故。
所以，把握相对性原理的关键在于把握实验规律的可重复性，而为了把握实验规律的可重复性就必须重新定义惯性系，把它由简单的运动物体修改为可以携带光源与观察者的运载或交通工具。令人遗憾的是，这既是相对论的创立者跌倒的地方，也是众多相对论的批评者所忽视的地方。

最后，我们还想知道，除了以上的理论描述，还有没有别的方法来说明爱因斯坦的理解是错误的呢？当然有的，那就是用经典力学的内容来检验；为此让我们把前面例子中的光的传播改为声的传播，而其它条件保持不变。然后我们仿照光的传播做一个类似推理：如果静止于堤岸的声源发声，那么是不是相对性原理要求堤岸上的静止的听众与固定于运动的火车上的听众测得同一声速的呢？显然不是的，因为我们知道这不仅不应该发生，而且当火车以超音速运动时以上要求还是荒谬与不可能的。而为了正确反映相对性原理的内容，我们就必须要求在火车上复制堤岸上的实验，而有关的细节我们在前面已经交代清楚了。

以上例证当然不是说声的传播与光的传播其规律就完全一样，但是它足以说明狭义相对论在应用相对性原理时不顾观察者运动状态而简单要求他们所测得的光速都相等的荒谬性。

以上便是对相对性原理传统的认识误区之一。

下一个贴子，说说相对性原理：（三）对相对性原理的传统认识有何误区（中）。

~无忧仙人

想进一步澄清一下，德民为何在说到光的各向同性就不提参照系，而在说到声的不各向同性时就强调不同参照系呢？德民的意思是，对光来说，在不同参照系下仍然是各向同性的，是吗（结合上贴理解这里的意思）？

~无忧仙人