讀古今文學網 > 時間的形狀 > 空間會收縮 >

空間會收縮

我們此時已經把一號男主角愛因斯坦同志冷落了好久,小愛快要失去耐心了,迫不及待地要求再次登場。經過前一段對時間和速度關係的思考,小愛的思想已經越來越成熟。根據兩個基本原理,他又能推導出些什麼令人驚異的結果呢?讓我們再次回到瑞士伯爾尼專利局,一探究竟。

仍然是我們已經很熟悉的專利局的那間辦公室,唯一不同的是,有一次小愛在上班時間偷偷做計算的時候,被哈勒局長發現了。在瞭解了小愛的工作之後,哈勒局長對愛因斯坦那是相當的佩服,特別准許他可以在工作之餘安心計算,還時不時地來跟小愛打聽又有啥新鮮玩意出爐。哈勒後來成了小愛最忠實的粉絲,並以此自豪了一輩子。這一天,哈勒又來到了小愛的辦公室,滿懷期待地走到小愛身邊。

(以下對話純屬虛構)

哈勒:「小愛啊,最近又有什麼新鮮玩意兒告訴我啊?上次你跟我講的時間會變慢真是讓我大開眼界啊,雖然最後對於沒法延長生命還是有點小遺憾,不過你的推導真是無懈可擊,還有沒有了?」

愛因斯坦:「局長,我發現,不但時間是相對的,空間也是相對的,就跟沒有什麼絕對的同時一樣,也沒有什麼絕對的大和小,長和短。」

哈勒:「天哪,這太誇張了,你得給我說說這是怎麼回事。」

愛因斯坦:「這還得從洛倫茲變換說起,去年洛倫茲先生公佈了他的洛倫茲變換式,這個您聽說了吧?」

哈勒:「當然聽說了,雖然我覺得伽利略變換式被推翻了這事有點難以置信,但是洛倫茲先生可是大師級的人物,他的結論應該不會錯吧?」

愛因斯坦:「其實從慣性系中物理規律不變和光速不變這兩個原理出發,我也推導出了洛倫茲變換式,推導過程不難,我給您演算一下。我們只要做這樣一個思維實驗:讓我們測量在兩個坐標系內光在同一段時間走過的距離。因為光速不變,他們走過的距離是ct和ct′……」

愛因斯坦邊說邊在草稿紙上畫了張草圖,並且開始熟練地演算起來(推導過程略,本書畢竟不是教科書)。很快,就得到了和洛倫茲完全一樣的兩個變換式:

哈勒:「這太有趣了,你跟洛倫茲得出了同樣的公式,但推導過程卻有所不同。」

愛因斯坦:「我們從洛倫茲變換式出發,讓我們來研究一個關於長度的問題。局長你現在到一列飛馳的火車上去,火車上有一根鐵棍,我們想測量一下在我眼中鐵棍的長度L和在你眼中鐵棍的長度L′有什麼不同,該怎麼辦?在此之前,我們先來給長度做一個定義。我們只要同時讀出鐵棍兩頭在我們各自坐標系的坐標值,將兩頭的坐標值分別相減,得到的數值就是鐵棍的長度,你對這個定義沒有任何異議吧,局長?」

哈勒:「當然沒有異議,這就跟我們拿一把長尺去量鐵棍是一樣的,把一頭放在a刻度上,另一頭的刻度讀出來是b,那麼b-a就是鐵棍的長度啦。」

愛因斯坦:「很好,但是火車一旦運動起來,我就沒法實際去拿把尺子量一下了對吧?但好在我們有坐標變換公式,你只要把你讀出來的坐標值記錄下來,然後我們只要知道火車的速度,用公式一變換,就可以求出在我眼中鐵棍兩頭的坐標值,完了把兩個坐標值一減就可以得到長度了。把我所在地面的坐標系設為K,你所在火車的坐標系設為K′,現在K′正在運動,於是我們就要用到坐標變換式來求出我眼中正在運動的鐵棍的長度了。假設現在的坐標變換式是伽利略變換,我們很容易就可以得到你我眼中的鐵棍長度是一樣的結果。就像這樣:

「根據定義,兩個坐標值相減就是長度,於是得到:

L′=L

「但問題是,現在的坐標變換式已經不是伽利略變換了,我們剛剛推導出坐標變換式應該是洛倫茲變換,那就讓我們用洛倫茲變換,來計算一下運動中的鐵棍的長度是多少吧:

「整理公式,得到:

「依然根據定義,兩個坐標值相減就是長度,於是進一步整理得到:

「為了看起來更舒服一點,我們把它換成相乘的形式:

「看,我們的長度變化公式出來了,這裡面的L就是在K坐標系中,也就是我眼中運動鐵棍的長度,而L′則是在L坐標系中的你眼中靜止鐵棍的長度。讓我們來解讀一下它的含義吧。」

哈勒迫不及待地搶著說:「我理解了,鐵棍在運動方向上的長度縮短了!總是小於1,所以運動的物體在我們眼裡會在運動方向上發生長度收縮現象。如果我在火車上,你會看到我變瘦了,但我的高度不會變,洛倫茲先生也得出了這個結果。啊!如果這列火車的速度超過光速怎麼辦?根號裡面變成負數了,會發生什麼?」

愛因斯坦:「誰也不知道會發生什麼,負數的平方根是虛數,是沒有意義的。雖然洛倫茲先生也得到了長度在運動方向上收縮這個結論,但我跟他的解釋不一樣。洛倫茲先生認為這種長度收縮是由於某種壓力效應產生的收縮,他並不是從光速不變這個原理出發的;而我的觀點不一樣,從我們剛才推導的過程中也可以看出來,其實不需要用鐵棍打比方,用任何東西打比方都能得到同樣的結果,我的結論是……」

愛因斯坦頓了一下。

哈勒問:「是什麼?」

愛因斯坦做了一個神秘的表情:「是空間本身收縮了!就跟沒有絕對相同的時間一樣,也沒有絕對相同的空間,牛頓先生再次錯了。運動物體的收縮不是任何機械的、化學的、材料的原因,跟任何外力無關,這是我們這個宇宙的物理規律,看似空無一物的空間本身也必須當作一個實體來看待。」

小愛說完上面的話,露出一種得意的表情朝觀眾的方向看了一眼,那意思好像在說:「如何?我沒有辜負觀眾的期待吧?」

哈勒:「太神奇了,小愛,你太給力了!」

愛因斯坦:「局長,還有一個事情,我不知道當講不當講?」

哈勒:「講啊,講啊,有什麼不當講的,還有什麼,快說,快說。」

愛因斯坦臉一紅:「局長,我那個二級專利員的申請,您看,是不是能再考慮考慮?」

哈勒臉上的笑容突然就消失了,板起臉正色道:「愛因斯坦先生,公事是公事,一切都要按規矩、按流程辦,明白了嗎?」

愛因斯坦:「知道了,局長。」