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100年前，有一位“智者”在头脑中做了这样一个假想实验： 设一密封列车高速通过站台（由于密封，车内的空气随列车一起运动），当站台上的观察者观察到列车的两端与站台的两端重合时，由站在站台两端的人分别持铁锤敲一下列车的两端，并在车身上留下凹痕。假设在站台参考系中，这两个敲击是同时的。由于声速在站台系内是各向同性的，故站台中点处的观察者可以同时听到这两处敲击声。但是，列车中点处的观察者是否能够同时听到这两处敲击声呢？ 站台上的人会想，当来自前端的声波到达列车中点处的观察者时，它已朝该声波方向移动了一段距离，以致于来自后端的声波还未到达该观察者处。因此，站台上的人认为，列车中点的观察者不会同时接收到这两束声波。 但是，过了一会后，站台上的观察者感觉不对劲了。他突然想到，车箱里的声波和站台系里的声波根本不是一回事啊！列车上不是也有空气吗？它不同样可以传递声波吗？到达列车中点观察者处的声波应该是车箱里的声波啊！虽然车内、车外的声波是同一原因引起的，但它们在传播过程中已变成了两回事。他继续往下想，尽管列车相对于站台在运动，但车箱内的空气也是一起运动的，声波在其中的传播速度对车箱内的人来说，仍是各向同时性，故车箱中点处的观察者能够同时接收到来自车箱两端的声波，并且也会得结论说，这两敲击是同时的。 到了这里，问题似乎已经很圆满了，但我们这位“智者”还不满足，他问自己，列车上的观察者能不能接收到站台系里中的声波呢？他考虑了一下，认为还是可以的，只要车内的观察者把一个仪器伸到外边，就能够接收到站台系里的声波。既然，车内的观察者也能够接收到站台系里的声波，他能不能依据接收到的声波情况来判定同时性呢？他想了想，还是能。假设站台上各点都用数字标明了离站台的距离，车内的观察者在接收到站台系声波的同时看一下地面的位置数字。此时，尽管它没有同时接收到前后的声波，但根据它接收声波时看到的站台位置及声波在台系里的传播速度进行换算后，它认为，站台里的两声敲击确实是同时的。 “智者”又想，列车里的观察者能不能把它观察到的站台系时的声波传播情况变换到自己的参考系进行分析呢？他想了想，还是能。于是他开始用经典方法作坐标变换，考虑到列车内的波速与正常值无异，他毫不犹豫地将正常波速值代入进行计算。结果他惊奇地发现，再也得不到两敲击是同时的结论了。为此，他开始苦思敏想，问题出在哪里呢？后来有一天，他突然醒悟到：只有在列车参考系里传播的声波才是正常的波速值啊！我将站台系里的声波事件变换到列车计算，只不过是换了一种计算方式而已，事件仍是站台系里的事件，并不是列车系里自己的事件啊！我既然把站台系里的声波的起始点和波前点都变换到了列车系，为什么不把站台系里波的传播速度也变换到列车系呢？想到这里，他赶紧应用伽利略速度变换公式进行计算，结果发现问题不再存在，仍然可以得出两敲击是同时的结论。 至此，所有的问题都不存在了。通过这个假想实验，他明白了一个道理：考虑物理问题，要多方面思考一下，尤其要把物理实质考虑清楚，如果只单纯进行坐标变换，很有可能得出错误结论。 这件事过去后，他没有再多想。可是，几年后的一天，他突然听说有一个叫爱因斯坦的小伙子提出了一个与他的假想实验几乎一样的实验，只不过用是“雷电”代替了铁锤敲击。但是这个实验却引起巨大的争论，并且据说得出了“同时性具有相对性的结论”。他听了后觉得不可思议，于是找来这个实验进一步研究。结果他发现，人们犯了他当初同样的错误。为此他觉得有必要强调一下： 在“雷电”例子中，如果认为列车中点的观察者看到的是站台系内传播的光，他无权以中点观察者的身份对同时性得结论，因为这是站台系里传播的事件，他已经偏离了站台系里两事件的中点。如果他非要把站台系里的事件变换到列车系里进行计算，他要清楚，这仍然是站台系里的事件（只不过是换到列车系进行计算而已），他不能把列车系里的光速应用到他的计算中，因为只有在列车系里运动的光，才以C运动（站台系里的光传播事件变换到列车系，光速也要作相应变换）。 （顺便说一句，上面所说的“光速不变”与相对论所说的“光速不变”的含义不完全一样，这里指，在任意惯性系“内部”，光速均相同，为C；而相对论所说的光速不变，包括“两参考系间”，光速也为C。可历史上的光速实验，有哪个能证明参考系间的光速也为C呢？我们所有的实验，都是在地球这一个大参考系内进行的。） 黄德民2001。9。5 |