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“同 时 性” 探 疑 狭义相对论太神奇、太诱人。笔者愚钝，一肚子狐疑，想请高人点拨，望不吝指教。一、爱因斯坦火车上的假想实验真的能够否定“同时”的绝对性吗？1、爱因斯坦火车上的假想实验是创建狭义相对论的突破口“在相对论的第一篇论文发表之前很久，爱因斯坦就已经认识到‘相对性原理’和‘麦克斯韦电磁理论’是应该坚持的基本原理，他也已认识到这将导致电磁理论与参考系无关，以及由此引起的光速与参考系无关的结论，即所谓‘光速不变性’。也就是说，爱因斯坦已经抓住了‘相对论’的基础。那么他为什么一直没有建立起‘相对论’呢？……他回忆……当时……正被一个问题卡住。这个问题就是‘光速不变性’似乎与力学中的速度叠加法则相矛盾。”[1] “在经过了一年时间的研究以后，爱因斯坦终于领悟到，问题正出在人们最不容易怀疑的一个基本思想观念上，即同时性的问题上。”[2] “同时的相对性正是爱因斯坦建立狭义相对论时空观的突破点。在经典力学中时间是绝对的，因而同时也是绝对的：在一个惯性系中同时发生的两事件，在所有惯性系中都是同时的。” [3] 那么，如何才能把同时的绝对性从根深蒂固的潜意识中铲除呢？如何才能占领同时的相对性这个突破点呢？天才的爱因斯坦设计出一个绝妙的火车上的假想实验，一举粉碎了同时的绝对性。这列著名的火车，现在被大家尊称为爱因斯坦火车。这个假想实验如此简明而有决断性，100多年来，它始终是破除绝对同时观、绝对时间观的最强有力武器，凡是涉及狭义相对论的教科书和科普读物，几乎没有不采用这个假想实验的。这个假想实验对于狭义相对论来说是何等的重要！2、这个假想实验必须要把“光速不变”假设作为前提这个假想实验的前提是必须认可“光速不变”这个假设。所谓“光速不变”，是指在任意一个惯性系中所测得的真空中的光速恒为标准值c。也就是说，真空中的光速在各个方向上都是相等的，且与光源及光的接受者的运动无关。不认可“光速不变”这个前提，是无法否定“同时的绝对性”的。3、“光速不变”的假设究竟能不能成立？然而，从1905年爱因斯坦提出这一假设至今已经整整过去100多年了，假设却依然还只是个假设。笔者不禁怀疑：“光速不变”的假设究竟能不能成立？⑴ 用爱因斯坦的光信号校钟法，单向光速不变将永远得不到验证 为了验证单向光速各向同性，必须先测量单向光速。而要测量单向光速，必须先把异地钟校准同步。那么如何才能把异地钟校准同步呢？爱因斯坦为我们选择了唯一的光信号校钟法：“我们必须在这两个钟的距离的中点处摄取这两个钟的电视图，在这个中点上观察它们。如果信号是同时发出的，它们也同时到达中点处。假使从中点上所观察到的两个好钟一直指示着相同的时间，那么它们便能很适宜于来指示距离很远的两点上的时间。”[4] 我们可以很清楚地看到这种方法是以光速各向同性为前提的。也就是说，为了验证“光速不变”，必须先校钟，而校钟又必须以“光速不变” 为前提，这在逻辑上就陷入了循环! 简言之，用爱因斯坦的光信号校钟法，单向光速是不可测量的，“光速不变”是永远不可能得到验证的。⑵ 迄今所做的各种实验都无法证明单向光速是否各向同性 张元仲先生在《狭义相对论实验基础》一书中对各种检验光速不变性的实验进行了分析，结论是：“在实验中依靠光信号较钟，将会把可能的光速方向性效应抵消掉，……各种检验光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性，并没有证明单向光速的不变性。因此，通常所说的‘光速不变原理已为实验所证实’是不确切的。” [5] 笔者完全信服张元仲先生的分析结论，这里不再赘述。 4、把此假想实验改进一下，并舍去“光速不变”假设，“同时”依然是绝对的。此假想实验在爱因斯坦的著作中有两种表述，第一种表述见上海科学技术出版社1962年3月第1版《物理学的进化》第128～131页，实验详情如下（括号内的文字是笔者为了表述简明而添加的）：“光在空中的速度永远为标准值，它与光源及光的接受者的运动无关。……利用房内房外有两个观察者的（自左向右）运动着的房间的例子。假如一个光的信号由房间的中央发射出去，……里面的观察者（认为）：从房间中央发出的信号会同时到达房间的（左、右）墙上，因为（左、右）墙与光源的距离相等，而光在各个方向上的速度又是相等的。外面的观察者（认为）：在我的坐标系中，……我所看到的只是光的信号同样以标准速率向各个方向行进。（右）墙要奔离光的信号，而（左）墙要接近光的信号。因此信号到达那奔离的（右）墙，比较到达那接近的（左）墙要稍微迟一些。……现在发生了两个事件，两束光到达两扇墙，在房内的观测者看来，它们是同时到达的，而房外的观测者却认为它们不是同时到达的。在经典物理学中，……在一个坐标系中同时的两件事，在任何其他的坐标系中也必定是同时的。……我们不能不放弃这种观点。”笔者要追问：房内的观测者如何知晓两束光是同时到达左、右墙的？房外的观测者又如何知晓两束光没同时到达呢？房内观测者的“看来”，和房外观测者的“认为”，都仅仅是爱因斯坦的主观推断，并不具有客观性。 笔者把此实验改进一下，以使结果真正具有客观性： 由房间的中央，向左、右墙各铺设一根直的铁棍，两根铁棍长度相同，都为左、右墙间距离的一半，且处于同一条直线上，然后再在铁棍顶着左、右墙的地方各装上一个“光控铁锤”，一旦接收到光信号，铁锤就会砸向铁棍，发出声音信号，接着我们还要在房间中央两根铁棍的接缝处安置一个“声控信号弹”，只有当左、右两根铁棍上的锤声同时到达接缝处，才能触发开关，发射信号弹。 如此的目的是要用声音信号来检测两束光是否同时到达两扇墙，因为我们确切知道，声波在铁棍中的传播速率，是相对于该铁棍而言的，假如温度为20℃，声波在此两根铁棍中的速率就都是5130米/秒，与房内或房外的坐标系完全无关。注意，这里的“声速不变”可不是假设，而是公认的事实。 如果两束光同时到达左、右墙，那么左、右两个铁锤就会同时砸向铁棍，左、右两个声音信号就会沿着两根铁棍，同时以相同的速率出发，走完相同的距离，并同时到达房间中央的铁棍接缝处，从而触发开关，发射出信号弹。反之，则信号弹不会发射。这一系列的事件，都与坐标系无关，并且不需要“光速不变”作为假设，同时或不同时，都以信号弹的升空为判据。无论是房内、房外的观测者，都不会有异议。 现在我们重做这个实验：把一个光的信号由房间的中央发射出去，大家都只要看房间中央的信号弹是否升空就可以判断两束光是否同时到达两扇墙。当然，客观结果只可能是一个，要么信号弹升空，要么不升空，房内、房外的观测者尽管处于不同的坐标系，但看到的是同一个景象，对同时或不同时的判断只能是一致的。“同时”怎么可能是相对的呢？！ 该实验的第二种表述见上海科学技术出版社1964年8月第1版《狭义与广义相对论浅说》第21～22页，实验详情如下： “假设有一列很长的火车，以恒速v延着图1所标明的方向在轨道上行驶。……当我们说A、B两处雷击相对于路基来说是同时的，我们的意思是：在发生闪电的A处和B处所发出的光，在路基A→B这段距离的中点M相遇。但是事件A和B也对应于火车上的A点和B点。令M＇为在行驶中的火车上A→B这段距离的中点。正当雷电闪光发生的时候（从路基上判断），点M＇自然与点M重合，但是点M＇以火车的速度v向图中的右方移动。……（相对于铁路路基来考虑）这个观察者正在朝着来自B的光线急速行进，同时他又是在来自A的光线的前方向前行进。因此这个观察者将先看见自B发出的光线，后看见自A发出的光线。所以，把列车当作参考物体的观察者就必然得出这样的结论，即雷电闪光B先于雷电闪光A发生。这样我们就得出以下的重要结果：对于路基是同时的若干事件，对于火车并不是同时的，反之亦然（同时性的相对性）。” 同上一个实验一样，光线会不会在M、M＇相遇，都仅仅是爱因斯坦的主观推断，并不具有客观性。 笔者仍按上一个假想实验的改进思路，把此实验也改进一下（为了表述简明，把火车上的A、B点不妨改称为A＇、B＇点）： ⑴ 在路基上，由M点向A、B点各铺设一根直的铁棍，铁棍长度都为AB/2，然后在A、B点各装上一个“光控铁锤”，一旦接收到雷电闪光，铁锤就会砸向铁棍，发出声音信号，再在M处安置一个“声控信号弹”，只有当左、右两根铁棍上的锤声同时到达M处，才会发射信号弹。⑵ 与路基上相仿，在火车上，由M＇点向A＇、B＇点各铺设一根直的铁棍，再在A＇、B＇点各装上一个“光控铁锤”，还要在M＇处安置一个“声控信号弹”。各处是否同时受雷击，都以信号弹的升空为判据。 在路基上，若A、B点同时受雷击，两处的声音信号会沿着路基上的铁棍同时到达M处，M处的信号弹当然会升空；而在火车上，A＇、B＇点受雷击完全等价于A、B点受雷击，所以，A＇、B＇两处的声音信号也会沿着火车上的铁棍同时到达M＇处，M＇处的信号弹当然也会升空，因此，不论观察者是在路基上，还是在火车上，也不论观察者是在M点，还是在M＇点，都可以看到两颗信号弹升空，所有观察者的结论是：A、B点是同时受雷击的，A＇、B＇点也是同时受雷击的。怎么可能得出“对于路基是同时的若干事件，对于火车并不是同时的”结论呢？！二、结束语 两个改进后的假想实验，都比原来的假想实验免去了一个无法验证的“假设”，当然比原来的实验更可靠、更可信。看来，“同时”依然是绝对的！ 掀翻爱因斯坦火车，会如此轻巧吗？笔者自己都感到十分惊诧。事关重大，请各位看官仔细琢磨琢磨：笔者对爱因斯坦火车假想实验的改进存在破绽吗？ 费邦镜 2011/10/21 于上海松江 邮箱: fbj@jbrj.cn博客: http://blog.sina.com.cn/u/2483854292网址: http://www.jbrj.cn>手机: 130 2311 0398 参考文献[1] 刘辽、赵峥、田贵花、张靖仪 著《黑洞与时间的性质》（北京大学出版社，2008年12月第1版，第228页）[2] 朱鋐雄 著《物理学思想概论》（清华大学出版社，2009年5月第1版，第163页）[3] 刘辽、费保俊、张允中 编著《狭义相对论》（科学出版社，2008年7月第二版，第27页）[4] A·爱因斯坦 著《物理学的进化》（上海科学技术出版社，1962年3月第1版，第132页）[5] 张元仲 著《狭义相对论实验基础》（科学出版社，1979年9月第一版，1994年8月第三次印刷，第19～20页） |