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爱因斯坦“雷击火车”是刻舟求剑
[楼主] 作者:岳伍  发表时间:2016/12/24 20:00
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爱因斯坦炮制过很多思想实验,用来说明他的理论。“雷击火车”实验即是其中很著名的一个。本文对“雷击火车”实验进行了梳理,认为在实验的设置和解释上,爱因斯坦有一些不合理、不正确的地方。在“雷击火车”实验中,爱因斯坦是错的,发生了根本性错误。所谓“同时性的相对性”是罔顾实验事实,一厢情愿臆测臆想的结果。合理设置和解释实验,是不会得出“同时性的相对性”结论的。



“雷击火车”实验的描述大致如下:

假设有一列很长的火车,以恒速v在轨道上行驶,---A→→→→→→→→→M(M')→→→→→→→→→B---。其中,B是车头,A是车尾,M是路基A→B这段的中点,M'是列车中点。当时,这列火车恰好遭到了雷击,发生了闪光。雷击点有两个,一个是车头,一个是车尾。

爱因斯坦认为,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。但是火车上的情形是,中点M'是在朝着来自B的光线行进,同时又在逃离来自A的光线。因此M'将先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线。因此,结论是:“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)。”

同时性具有相对性,这是一个非常重要的结论,它颠覆了人们以往的认知,建树了新的同时观,引发了一系列后续影响。可是,爱因斯坦这个结论正确吗?他的实验设置合理吗?让我们一起分析、研讨。

---A→→→→→→→→→M(M')→→→→→→→→→B---

诚然,当我们说A、B两处雷击相对于路基来说是同时的,我们是有爱因斯坦指出的这个意思: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。换言之,在这个中点M设置观测点,是可以同时看到两光到达,或者说看到两光同时到达。但是,确立这种同时性的机理、原则是什么?为什么我们要把观测点设置在中点M?这也都是原则性问题,不能回避,不能忽视。正是这些前置条件,确保了我们可以在M这个观测点看到两光同时到达,进而得出结论,两光是同时出发,两处雷击事件是同时发生。

两处雷击事件同时发生,根据一个点上的观测来确认,这本来是一个简单算术问题,是已知到达时间、路上行走时间,求出发时间。出发时间=到达时间-路上行走时间。本案是用光做信使,那么,应用这个公式,在M点以外的其他点观测,也能通过光到达时间、路上花费时间求出两光的出发时间,从而判明两光是同时出发,雷击事件是同时发生的。但是更简便的获知结果方法是,选择一个特殊的点,一个最佳的观测点,不必进行繁琐观测和计算,就能很直观、非常方便地把问题解决掉。这个点就是中点M。

---A→→→→→→→→→M(M')→→→→→→→→→B---

选点在中点M观测的好处是,这个点到两个雷击点的距离相等,两光的光路一样长短。而光的属性是,光速不变,这意味着两光的速度一样大小;光是直线传播,这决定了两光所走的路径一样平直。实验中,两光相向而行,同时出发,它们速度大小又一样,距离观测点远近又一样,那么,它们路上所花的时间必然一样,也就必然同时到达观测点。由此反推,不难获知,若两光同时到达M,两光所走的光路一样长短,速度又大小一样,它们路上所花的时间必然一样,那么,它们必然是同时出发的。这个M点神奇吧?

因此,爱因斯坦在路基实验中将最佳观测点设置在M是正确的;但是,行驶的火车情况与路基情况不同,造成了M'也在行驶,它会走向车头B原位置、远离车尾A原位置,从而导致同时射向它的两光光路长短不再相等,从车头射来的光B所走的光路要短些,车车尾射来的光A所走的光路要长些,也就导致两光在路上花费的时间长短不一样,导致两光虽同时出发,却不能同时达到这个观测点!所以,爱因斯坦在火车实验中将观测点设置在M'是不合适的、不合理的和错误的。要让同时出发的两光同时到达观测点,就不能生搬硬套路基实验的模式将最佳观测点还设置在M'。

因此,“雷击火车”实验中,不是实验数据和结论支持爱因斯坦提出的“同时性的相对性”,而是爱因斯坦将最佳观测点设置在M'却想直观判断两光是否同时出发,显然这属于选点错误。如同前文所述,其实就是在路基实验中,要想直观判断两光是否同时出发也是需要正确选点的,如果选点错误,例如选在M点以外的点,也照样是不可能很直观就判断出来两光是否同时出发的。难道那时,也可称有所谓“同时性的相对性”吗?如其然,那爱因斯坦又何必劳心费神设计这个雷击火车实验,根本没必要的。地面上,目力所及随便两个东西同时遭受雷击,例如两个电线杆子同时遭受雷击,你不在中点观测,就看不到两光同时到达,只会看到两光不是同时到达。

---A→→→→→→→X→→M(M')→→→→→→→→→B---

光速不变,光速不受火车行驶影响(火车不能加速光或者减速光,光速和光源速度无关),所以,雷击发生后,两光还是会在路基的中点M相遇。那怎么选择火车上的最佳观测点?只需要明了由于行驶,火车的几何中点M'和路基的中点M分离了多远距离,然后,令这个M'往火车后部方向移动相同的距离,移动到一点,设为X,即可。这个X就是火车上的最佳观测点,在X这个观测点,就可以直观地判断两光是同时出发,雷击事件是同时发生了。

怎么求X?设火车长度为S,那么,两光的光路均为0.5S。光的速度是C,两光各自走完自己的0.5S距离,需要时间0.5S÷C。这个0.5S÷C时间内,火车会行驶多远距离,也就是M'和M分离了多远距离(M'往前走了)。这个距离是多少呢?火车速度是V,那么,这个距离就是0.5S÷C再乘以V,是0.5S×V÷C。在火车上,令几何中点,往车尾方向移动0.5S×V÷C距离,即是X的位置,X就是直观判断两光是同时出发的最佳观测点。如果在这个X同时看到两光,那么,两光是同时出发的,车头车尾两处雷击事件是同时发生的;否则,雷击事件不是同时发生的。

例如,假设火车的长度是10公里,速度是每小时10000公里,光速取值每秒300000公里,那么,两光走完自己的半个火车长度路程需要耗时0.5×10÷300000=0.000016667秒。火车速度是每小时10000公里,换算成每秒,每秒2.77777778公里。那么,这个时间火车可以行走0.000046297公里,也就是0.046297222米,亦即0.46297222分米,亦即4.6297222厘米。所以,我们把火车上的观测点从M'后移4.6297222厘米即可,这就是点X,在这个最佳观测点X,就可以很直观地观测两光,如果它们是同时到达,那么,它们是同时出发的;否则,不是同时出发的。这个观测结果,和在路基上的观测结果,完全是相同的、一致的、等价的。

还需要说明的一点是:爱因斯坦的错误不止于此,他的另外一个错误是,在M'没有同时看到两光到达,他就认定两光不是同时出发。确实,在M'是看不到两光同时到达的,会看到来自车头的B光先到达,来自车尾的A光后到达。但是,应当知道,B光先到达,是因为M'点往前走,导致B光走的路程被缩短,到达时间提前了,并不是B先出发。A光后到达,是因为M'点往前走,导致A光走的路程被延长,到达时间延后了,并不是A后出发!用这两个新的到达时间,减去两光各自路上行走时间,仍会得到两光各自的出发时间。基于先到达者被减去的时间也少,后到者被减去的时间也多,还是可以得出结论:两光出发时间是一样的,两处雷击事件是同时发生的。只不过,得出这个结论不是很直观,不像在路基实验里的M点、火车实验里面的X点那么直观。

综上,修正后的实验表明,火车上的人们和路基上的人们一样,都可以对雷击车头车尾事件是否同时发生作出直观判断;就是不选择最佳观测点情况下,也会得出正确判断,车上车下是会得出一致结论的。事实根本不像爱因斯坦所说的那样,“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)”;事实是,对于路基是同时的若干事件,对于火车也是同时的,反之亦然。因此,所谓同时性的相对性,它完全是实验设置错误和实验解释错误的产物,其并不为本实验所支持,并不存在。

在古代,楚国有个渡江的人,他的剑从船里掉入水中,他急忙在剑掉下去的地方刻了个记号,说:“这里是剑掉下去的地方。”后来,等到船停下来,他便从自己刻记号的地方下水去寻找剑。人们把这则典故叫做“刻舟求剑”。另有一个人,他爬到树上去找鱼,没有找到鱼,孟子管这叫“缘木求鱼”。爱因斯坦的“雷击火车”思想实验和刻舟求剑,和缘木求鱼,是否都有着几分相似?是否可以有的一拼?我看爱因斯坦比这两个典故里面的主人公还甚,那两位自己错了也就错了,并没有根据错误的的实验总结出一大套错误理论去推广,爱因斯坦则不然,他因自己选点错误没有看到同时射来的闪光却整出来个“同时性的相对性”,还给人们留下了相对论。

2016-12-22
2016-12-23
2016-12-24
2016-12-24

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[楼主]  [2楼]  作者:岳伍  发表时间: 2016/12/24 23:35 

“总体来说,我们是通过如下这个过程来寻找新法则。首先,我们进行猜测。接下来,我们将计算这个猜测所带来的结果,并且看看如果我们的猜测是正确的,那么它意味着什么。然后我们将计算结果放到现实中,把它和实验结果或者和我们的经验直接作比较,看看这些用理论推理出的结果是否正确。如果它和实验结果不一致, 那么它就错了。这么简单的一句话其实包含了科学的关键所在。无论你的猜测多么精妙,无论你的头脑多么聪明,无论提出猜想的人是谁,无论这个人的名气有多大,如果和实验结果不符,那么就是错的。仅此而已。”
——费曼
 [3楼]  作者:王普霖  发表时间: 2016/12/25 00:35 

其实就是小学生都算不错的题,爱因斯坦给做错了,就这样居然还成为了神话级别的人物,被那么多人追捧。谁不懂他那套,就会被追捧者指为智力有问题。
[楼主]  [4楼]  作者:岳伍  发表时间: 2016/12/25 11:18 

谢谢王老师。
我反复思考这个实验,该实验实无法支持爱因斯坦的结论。
[楼主]  [5楼]  作者:岳伍  发表时间: 2016/12/25 19:28 

在路基实验中,将最佳观测点设置在M是合理的。
问题是,在火车实验中,为何要将最佳观测点设置在M'?设置在M'道理何在?
 [6楼]  作者:王普霖  发表时间: 2016/12/25 19:48 

没道理。其实不管在不在列车系,结果都是一样的。在M'点对应的地面看,两光也不同时到达。所以爱因斯坦的那段话,就是没有逻辑的话、所举例证不支持结论的话。
 [7楼]  作者:王普霖  发表时间: 2016/12/25 19:50 

但是,两光若都由M点反射出来,在任意参考系、任意点看,都是同时到达。
 [8楼]  作者:王普霖  发表时间: 2016/12/25 23:45 

楼主这个“刻舟求剑”比喻得非常恰当。
[楼主]  [9楼]  作者:岳伍  发表时间: 2017/02/06 23:12 

实际上,爱氏是将接收到事件信号的时间等同为事件发生的时间了。
我正在另外成文,再论一下。

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