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。前些时,笔者曾对“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。所谓“同时性的相对性”是一厢情愿臆想臆测的结果。合理设置和解释实验,是不会得出“同时性的相对性”结论的。近日,对“雷击火车”实验又有新想法,故此再论一下。 一、爱氏实验及结论
爱因斯坦“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)。”
二、爱氏实验设计错误
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,爱因斯坦的实验设置合理吗?
---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,可以发生爱因斯坦指出的这种情况: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,问题是,同时性是不能被这样定义的。
同时性是指,两个事件发生的时间一样。例如,要是车头遭到雷击的时间是8:00,车尾遭到雷击的时间也是8:00,我们说车头车尾遭雷击是同时的。否则,不是同时的。爱氏设想的情况,只是同时性事件引发的结果,并不是事件同时性本身。他如此定义,是把收到事件产生的光信号时的时间视为事件发生时的时间了,属于本末倒置,也偷换了概念。
因此,爱氏实验在设计上是错误的。正确的实验设计应该是,直接记录事件发生的时间,再通过对比两个时间,得出两个事件是不是同时的。
三、新设计的实验及结论
取两个标准时钟,对好,分别放置在一段路基上,A处一个,B处一个。雷击发生时,雷击触动时钟自动记录系统,时钟实时记录下来雷击时间。之后,我们比对两个时钟的雷击记录,即可获悉两个雷击事件是否同时发生。如果两个时钟记录下来的事件发生时间一样,那么,两个事件是同时发生的,否则不是同时发生的。
同样,在火车上,也放置两个标准时钟,对好,一个在车头,一个在车尾。雷击发生时,雷击触动时钟自动记录系统,时钟实时记录下来雷击时间。之后,我们比对两个时钟的雷击记录,获悉两个雷击事件是否同时发生。
为讨论方便,我们请雷公帮助,他会分两次,分别在大约8:00的时候和大约9:00的时候打雷,每次的两个雷各击中车头、车尾。
第一次实验
实验开始,雷公打雷了,路基时钟留下来两个记录:8:00|8:00。
8:00|8:00,表明对路基而言,两个雷击事件是同时发生的。
现在,我们看分置于车头、车尾两处的时钟,它们的记录为何。
假设,火车的行驶没有造成时钟的走时变快或者变慢,那么,两个时钟记录是,8:00|8:00。
8:00|8:00,表明对火车来说,两处雷击事件是同时发生的。
假设,火车的行驶造成时钟走时变快,变快1秒,那么,两个时钟记录是,8:01|8:01。
8:01|8:01,两处雷击事件是同时发生的。
假设,火车的行驶造成时钟走时变慢,变慢1秒,那么,两个时钟记录是,7:59|7:59。
7:59|7:59,两处雷击事件是同时发生的。
结果:对路基而言同时发生的两个事件,对火车而言也是同时发生的。
第二次实验
实验开始,雷公打雷了,路基时钟留下来两个记录:9:00|9:01。
9:00|9:01,表明对路基而言,两个雷击事件不是同时发生的。
现在,我们看分置于车头、车尾两处的时钟,它们的记录为何。
假设,火车的行驶没有造成时钟的走时变快或者变慢,那么,两个时钟记录是,9:00|9:01。
9:00|9:01,表明对火车来说,两处雷击事件不是同时发生的。
假设,火车的行驶造成时钟走时变快,变快1秒,那么,两个时钟记录是,9:01|9:02。
9:01|9:02,两处雷击事件不是同时发生的。
假设,火车的行驶造成时钟走时变慢,变慢1秒,那么,两个时钟记录是,8:59|9:00。
8:59|9:00,两处雷击事件不是同时发生的。
结果:对路基而言不是同时发生的两个事件,对火车而言也不是同时发生的。
实验结论:对路基而言同时发生的两个事件,对火车而言也是同时发生的;对路基而言不是同时发生的两个事件,对火车而言也不是同时发生的。
四、检测爱因斯坦的实验
---A→→→→→→→M→→→→→→→B---
对于路基来说,假如两处雷击发生的时间均为8:00,那么,位于AB中点的M,其接收到来自A的闪光时间应该是8:00+t1,t1是光从A走到M的时间;接收到来自B的闪光时间应该是8:00+t2,t2是光从B走到M的时间。
因为,M是AB中点,所以AM=BM,光速又不变,恒定,所以t1=t2。所以,8:00+t1=8:00+t2。因此,M是同时接收到来自A和来自B的闪光的。
根据这个同时接收到两处闪光,逆推,一个减去t1,一个减去t2,可以判明,两处雷击的发生时间都是8:00,是同时的。
对于列车来说,M'是其中点,爱因斯坦在这里观测。
---A→→→→→→→M'→→→→→→→B---
雷击发生在8:00,和路基情况两光走到M对比,因为列车是行驶的,这两处闪光一个是追着移动目标M',一个是迎着移动目标,所以,闪光由A走到M',要多耗时x1,那么,M'接收到来自A的闪光时间是8:00+路基耗时+x1;闪光由B走到M',要少耗时x2,那么,M'接收到来自B的闪光时间是8:00+路基耗时-x2。
就接收到两处闪光的时间看,它们是不同的。换言之,两处闪光到达目标M'的时间不是同时的。这时,要判断两处闪光出发时间是否同时,仍要逆推。那多耗时的,就要把多耗的时间减掉;那少耗时的,就要把少耗的时间加上。这样一来,就有:(8:00+路基耗时+x1)应该减去x1,(8:00+路基耗时-x2)应该加上x2。再同时减去路基耗时,结果,两光出发时间是8:00|8:00。
结论:两光都是8:00出发,是同时出发,两个雷击事件是同时的。
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,是否都有着惊人的相似?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,他因自己实验的设计和解释错误却整出来个“同时性的相对性”,还给人们留下了相对论。