思维实验：相对论演绎思考（1）

前言：最迷人最不可思议的莫过于我们神秘的宇宙本身。本人愚钝，并不能独立思考洞察宇宙的一二，但又何其幸生在了这个时代。相对论与量子力学的提出都已百年，越来越多的理论也正在完善中，我得以在前人铺好的路上略窥一二。写这些文章，算是对自己思维锻炼的一个记录，也算是满足自己好奇心的一点努力的见证。

 

我并不能保证我写的都是正确的。出错，也许是我的逻辑不够缜密，没有完全理解前人智慧的结晶。还也许，我们思考的一切所基于的那个前提，便是错的。甚至，也许宇宙没有真相……

 

思维实验：相对论演绎思考（1）

基于狭义相对论的两个基本假设：

1、任一光源所发之球状光在一切惯性参照系中的速度都各向同性总为c。 2、所有惯性参考系内的物理定律都是相同的。

 

很久之前听过双生子佯谬，长久不能理解。

 

双生子佯谬：有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作接近光速的长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。这个结果是由狭义相对论所推测出的（移动时钟的时间膨胀现象），而且是能够透过实验来验证：我们能够探测到于大气层上层产生的μ介子。如果没有时间膨胀，那些μ介子在未到达地面之前就已经衰变了。

 

我先前之所以不能理解，倒也不是因为“绝对时空”的概念在我的脑里根深蒂固，挥之不去。前不久发现，原来我的思考中一直缺了重要的一环：光速不变。

 

“光速不变”貌似是我们从小就接受的事实：不就是真空中近似于3E8 m/s的一个常数c吗？恰是，恰又不是。

 

其实我早在大一物理的实验课堂就做过迈克尔逊-莫雷实验了，这横亘于20世纪初物理史上的两朵乌云之一，然而彼时的我并未理解它的重大意义。

 

迈克尔逊－莫雷实验(Michelson-Morley Experiment)：

如下图，一束光照射到半透镜S上，一部分穿过半透镜经镜子A反射回来，再经过半透镜S反射到接收板O上；另一部分经半透镜S反射到镜子B反射回来，再穿过半透镜S投射在接收板O上。这两束投射在接收板O上的光的频率、波长、所经过的光路距离是完全一致的，与普通双缝干涉唯一的区别是光路的角度。经典物理推导出，宇宙中存在名为“以太”的看不见摸不着却又无处不在的绝对静止物质，如果存在“以太”，则这个实验的结果应该是出现与普通双缝干涉不一样的干涉条纹，并在调整角度时，干涉条纹也随之变化。迈克尔逊和莫雷实验一开始的目的是为了证明“以太”的存在，但实验的结果却是，干涉条纹并不发生变化。

MM实验，本想证明“以太”的存在，却成了否认“以太”存在的有力证据。当然也有学者试图解释，“地球的运动拖曳了以太”、“误差被其他因素所抵消”……但这就像是在一件破烂不堪的衣服上继续缝补，注定被历史所抛弃。按照“奥康姆剃刀”原则，我们该承认，“以太”并不存在，经典物理学需要被修正。

 

奥康姆剃刀：基本命题是“如无必要,勿增实体”,即可以用少数几个原理或原则来说明事物的时候,却用了许多的原理或原则,那就是浪费。（想象一下，现在在你身边就有一条在喷火的火龙，之所以你没有发觉到，是因为这条龙是透明的，你看不到，连它喷出的火也是透明的，温度就是周围环境的值，所以你也无法通过温度传感器来检测它的存在。既然这样，我们认为它根本就不存在是不是会更好一些？）

 

地球的运动是有方向和速度的，然而任何实验都没有表明光具有经典物理学推导出的“各向异性”。

 

基于实验结果，我们可以得出“光速不变”的结论：不管我是静止的，抑或是以1km/s的速度运动，光相对于我的速度都是常数c。既然如此，那么，我想尝试去理解，But fail.

 

我跑步1m/s远离你，在与我跑步同方向10m/s的车上1m/s远离你，当然不一样。后者的感觉就是11m/s。“光速不变”貌似有悖我们的“常识”。

 

然而“我们的常识是错的”这样的挫败我们并非第一次体会。我回顾牛顿经典物理体系的内容，有这么一条：物体在不受外力作用下，将保持静止或匀速直线运动。这里说静止与匀速直线运动是完全等同的！这不可思议，但大概上过中学物理的我们都接受了。可是，为什么？

为什么？

为什么？

以我的智商，我实在不能在脑海里把动与静用一幅“和谐”的图景描绘出来。然而这几个“为什么”问得跟我无法理解“光速恒定”是一样的。

上面的这幅图，A与B两个区域的颜色其实是一样的，然而直到我们用科学的方法证明以后，我们依旧会觉得不可思议。

 

现在，我们用科学的方法——实验，（除非实验并不科学，否则）“证明”了“光速恒定”这一事实。尽管还是觉得不可思议，但也要去接受这个前提了：光速不变，不管你现在是1m/s抑或是1km/s，光相对于你的速度都是常数c。

 

现在再来假设你乘着飞船与一束光同时从地球出发，光的速度是c，飞船的速度是0.99c，会出现什么情况呢？

 

地球上的一秒：在地球上的人们发现，你的飞船几乎与光齐头并进，1s后，你们只相差了0.01c（好吧，我知道这仍然是个天文数字，用“只”字也许并不妥。）

 

飞船上的一秒：记住你接受的前提吗？不管你的速度是多少，光速相对于你都是c。飞船上的1s后，你们已经相差了c！

 

另一个角度，同样是常数c的距离，在地球上的人看来，用了100s，在你看来，仅仅用了1s。看起来，你的时间变慢了！

 

于是，双生子佯谬就可以理解了。

 

慢慢消化吧。

 

基于光速恒定，除了速度越大时间“越慢”，还可以推导出速度与空间的变化，甚至著名的质能方程E=mc^2。而这些都仅仅是由基于惯性系的狭义相对论推导出。广义相对论则站到了更广阔的舞台，以弯曲的黎曼时空为时空背景，建立了包括非惯性系在内的一切参考系内的引力理论。爱因斯坦不愧为人类历史上最伟大的物理学家之一。