第三章狭义相对论的故事.docVIP

第三章 狭义相对论的故事 　　上一单元曾介绍过，叱咤风云的牛顿力学体系是建立在伽利略不变性这块基石之上的。最简单的例子，你坐在一辆沿着赤道匀速飞驰的火车上（为配合脚下的大地，就选个比较夸张的时速吧：1700千米/时，方向：与地球自传相反），向上空抛出一个小球，小球必将直直朝下落回你手中。但此时，假若路边的车站恰好立着路人甲一名，他抬头望进车窗，则会发现小球从A地开始上升，同时还不忘随着火车前行，直到B地才落回到你怀中——它不再简单地直上直下，而是在空中划出一道优美的抛物线。同一个小球，同一次运动，由于观察角度不同，竟得出了两种结论。 　　也许你要说，你坐在火车里处于运动状态，而路人甲定立于大地，所看到的景象当然不同；我们可以在叙述的时候附加一客观条件，“在静止者眼中，小球做抛物运动”，这样就把你和路人甲区别开了。可是，一旁的路人甲同样有资格争辩：“我分明是运动者呀，跟随地球的自传一刻不停地飞旋；而你呢，同火车一块朝着自传的反方向狂奔，看似‘运动’、实则却‘悬浮’在原地。”这绝对不是诡辩，试想，如果你乘坐的火车超静音、无颠簸，你不伸头往外望，又怎能确定自己是运动还是静止？ 　　换言之，身在系统内部的人，根本毫无办法分辨该系统究竟是处于匀速直线运动还是静止状态——“运动”或“静止”，完全取决于系统外部的参照物——这就是相对性原理的最初版本。许多人都以为“相对论”是爱因斯坦在二十世纪才造出的新词儿，实际上，从伽利略时代起，它已然给世人带来了无尽困惑。那么，是什么造成了这种模糊不定的相对性呢？ 真空，亦或“假空”？ 　　民主的空间 众所周知，我们生活在三维世界，空间中每一点的位置都可以由笛卡尔直角坐标系准确地标注出来。如图，x、y、z三根轴线两两相互垂直并相交于原点O，坐标系中的任意一点皆可由x、y、z轴上三个相互独立的数字加以描述；例如，点A可写为（Xa、Ya、Za）。但这三个数字并没有绝对意义，试想如果A点保持不动，而将坐标原点向右后方移动一段距离，此时，A点的坐标就变成了（X’a、Y’a、Za）；又或依然固定A点，令y、z两根轴线环绕x轴各自旋转90°，此时，原先的y轴变成了z轴，而原先的z轴不仅变成了y轴、且其箭头指向更与初始状态相反，所以，现在A点的坐标可写为（Xa、Za、-Ya）。你若乐意，还可以玩出更多花样：原点沿x、y、z三方皆有滑移，三轴分别围绕原点翻转，甚或原点平移的同时三条轴线整个再旋上127°来个乾坤大挪移……每一次变换，你都将收获一组全新的坐标值，单仅空间中一个小小的A点，就可拥有无穷多组坐标值。头晕眼花了吧，茫茫点海中想要找到它岂不难于大海捞针？ 别着急，让我们再多加几个点试试看。如图，令ABC共同围成一直角三角形，再次发挥想象力随意转动坐标系，聪明的你定能发现：不论原点移到哪里，x、y、z三轴指向何方（当然，三轴间的直角关系不能破坏，否则就会对轴与轴划定的空间产生挤压或拉伸），ABC三点各自的坐标值如何变换……它们之间的三角关系总是稳固如山：∠ABC优雅地保持着90°，而A-B、B-C、A-C之间的距离也始终没有改变。如此一来，只要牢牢记住某点与其相邻各点的位置关系，在变幻无常的坐标系中，就再也不用担心丢失已锁定的目标点啦。 　　若把一套坐标系所勾勒的图景看做一个空间，那么，不论该空间被推移到多高多远处，或翻转成x、y、z轴指向不同的另一个空间，分布在原空间中各点的相互关系并不会因之而改变。坐标变换中这一恒久的“不变性”为我们揭示出一条重要讯息：空间中任何一点或任何一片区域都不比其他区域更为特殊，各部分有着同样的权重——各位置相互之间完全平等。牛顿把这可贵的平等性定义为空间的“均匀性”，在他看来，空间永远均匀地向着各方无限延展。同理，空间中也不存在某一方向比其他更为优越——各方向之间完全平等，这就是空间的“各向同性”。 　　由于空间的均匀性与各向同性，任意物体都可由无穷多套坐标系加以描述，而所有这些描述相互之间完全等价。换个角度，这也就意味着：在同一空间把物体任意地平移或翻转，并不会改变其秉性。 民主的时间 　　然而，仅有空间上的平等，并不能解释运动过程中的相对性；因为物体既然动了起来，改变的就不只是方位，还有一样东西在一分一秒默默流淌……没错，那就是时间，一个与空间若即若离、却又总是进退相连的物理量。与空间不同的是，时间仅有一个维度，只能沿着一条轴线向两端延伸。在《力的故事》中曾提到过：牛顿定律并不拒绝时光倒流；因此，本单元中，我们权且遵照牛顿爵士的旨意，把这个与现实相悖的棘手问题先留到一边，假定你能够在时光刻度间随意游走。 宇宙飞船在广袤的空间中可被近似为一质点，在相对静止状态，其轨迹不随时间而变化，只有简简单单一个点（即图中原点O）。由于空间的均一性与各向同性，把该点置于坐标系任何位置