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同時性的相對性

小愛來到自己的辦公室,打開抽屜,昨天那張稿紙還靜靜地躺在裡面,自己寫下的兩句話赫然在目。他喃喃自語:「光速不變……光速不變到底意味著什麼?」他恍惚記得昨天晚上似乎做了一個很精彩的夢,他努力想要回憶起夢中的情節,但是有點難,他只記得夢中似乎說過「時間是相對的,沒有真正的同時」這樣的話。他還恍惚記得昨天晚上的夢跟火車有關。為了幫助回憶,小愛埋頭在那張稿紙上畫了一段鐵路,又畫了一個長方形表示火車,他又想起點兒什麼,於是又在火車中間畫了一個小人,他感覺就要想起來了。突然,局長哈勒(根據記載,哈勒也是物理愛好者,後來成了小愛的粉絲)的聲音從門口傳來:「阿爾伯特,客戶來催前兩天提交的那個申請了,你審查得怎樣了?」小愛吃了一驚,用肚子朝抽屜一頂,迅速合上抽屜,局長剛好走進來。小愛趕忙說:「這就好了,局長。」

局長走了以後,小愛擦了一把汗,再次悄悄地打開抽屜。可是思路被打斷後,他怎麼也想不起來昨晚的夢了。但是幸好他還沒忘記夢中得出的結論——沒有什麼真正的「同時」,車上的人認為是同時發生的事情,到了站台上的人的眼裡,就不再是同時發生的。經過一番思緒整理,小愛想出了另外一個例子,它後來被小愛鄭重地寫入了那本廣為流傳的著作《相對論淺說》中,書中是這樣描述的:

在鐵路的路基上,雷電同時擊中了相隔很遠的A點和B點。如果我問你,這句話有沒有意義時,你多半會不假思索地回答我說「有」。但是如果我讓你解釋一下這句話的準確意義時,你在經過一番思考後會發現,這個問題貌似不像原來想像的那麼容易回答。你很可能會這麼回答我:「這句話的意思本來就很清楚,沒有必要加以解釋。」但這樣的回答顯然是無法讓我滿意的。那麼我們這麼想,如果有一個氣象學家宣稱他發現某種閃電總是能同時擊中A點和B點,這時候總要提出一種實驗的方法來驗證他所說的對不對吧。對於嚴謹的物理學家來說,首先要給出一個同時性的定義,然後還得有實驗方法能驗證該定義是否能被滿足,如果這兩個條件沒有達成的話,那麼那個氣象學家就是在自欺欺人了。好了,經過一段時間的思考後,你提出了一個檢驗同時性的方法,你說:請把我放到鐵路上A、B兩點的正中間的位置,然後通過一套鏡子的組合能讓我看到A、B兩個點;如果閃電發生之後,我能在同一時刻感覺到閃光,那麼這兩道閃電必定是同時擊中了A、B兩點。於是你提出同時性的定義,就是一個人能在同一時刻感受到閃電的閃光。我很高興你能提出這個定義,當然這個定義的前提還得加上你在A、B兩點的中點上。

好了,讓我們想像一下:有一列火車正在鐵軌上從A點開向B點,此時,你正站在A、B兩點中間的路基上。突然,有兩束閃電擊中了A、B兩點,過了一小會兒,兩束閃光經過相同的距離到達你的眼裡,你同時看到了它們,所以你毫不猶豫地認為這兩束閃電是同時發生的。但是我們再設想一下:這次你站在了火車裡,正從A點開向B點。

【圖4-4】行駛中的火車上的人會認為閃電並不是同時發生

當A、B兩點被閃電擊中時,你正好經過A、B兩點的中點。你經過中點後,繼續跟隨火車向B點行進,因此在閃電光到達你眼睛之前的這點時間裡,你又向B點前進(同時向A點遠離)了一段距離,而因為A、B兩點閃光的光速恆定不變,所以B點閃光一定會先於A點閃光到達你眼裡。於是就出現了這樣的結論:你認為這兩束閃電以路基為參考系時是同時發生的,但是以火車為參考系時,對於火車上的你來說,卻是先後發生的。

這是怎麼回事呢?這說明「同時」也是相對的,當以路基為參考系時是同時發生的事情,但換成了以火車為參考系時,卻不是同時發生的了,反之亦然。每一個參考系都有自己的特殊時間,如果不指明參考系,宣稱一件事情同時發生是沒有任何意義的。這乍一聽起來似乎很荒謬,在我之前的物理學家一直都在給時間賦予絕對的意義,而我卻認為這種絕對的意義與我們前面講的那個最自然的同時性定義並不相容,如果我們能坦然地拋棄我們對時間的絕對化的概念,則真空中光速恆定不變就會變得可以理解和接受了。

不知道各位讀者是否聽明白了愛因斯坦關於閃電擊中鐵軌的這個故事?不管你現在腦子是不是如墮五里霧中,一會兒在想那個環球快車,一會兒又在思考這個閃電的問題,總之愛因斯坦是在告訴我們這樣一個重要概念:同時性的相對性。

我聽到有幾位已經理解的讀者歡呼起來了:「哈哈,同時性的相對性,我想明白了!原來這就是相對論,不難理解啊!」

別急別急,相對論的大門只是剛剛打開了一條縫隙而已,同時性的相對性只是愛因斯坦運用相對性和光速不變這兩條原理推出來的第一個結論。讓我們跟隨愛因斯坦的思維繼續往下推導,馬上就會有更多不可思議的推論出現在你面前,保證你會驚訝得嘴都合不攏。準備好了嗎?這就開始我們的頭腦風暴。