一個(gè)廣為人知，但又很少人能懂的理論，是愛因斯坦的相對(duì)論。
實(shí)際上，愛因斯坦的相對(duì)論包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論兩部分。但當(dāng)我們大部分人談到相對(duì)論的時(shí)候，指的都是狹義相對(duì)論。
為了簡潔起見，在隨后的敘述中，狹義相對(duì)論都用相對(duì)論來代替。
圍繞著相對(duì)論有很多悖論，也就是邏輯難題。雖然人們給這些難題提出了不少解決辦法，但是它們沒有一個(gè)能讓我信服。
會(huì)不會(huì)是相對(duì)論本身錯(cuò)了？
經(jīng)過一些研究，我得出了這樣的結(jié)論：相對(duì)論是錯(cuò)的。
至于我的結(jié)論是對(duì)是錯(cuò)，還是請(qǐng)你來評(píng)判。
相對(duì)論很難懂。我上大學(xué)的時(shí)候沒有搞明白，最近又被它搞糊涂了。
如果每個(gè)教室里都可以擺上一個(gè)地球儀來說明地球是圓的, 為什么我們不能對(duì)相對(duì)論做類似的處理呢？
如果一個(gè)理論發(fā)表一百年后人們還是搞不懂，其背后一定有原因?；蛘哌@個(gè)理論是錯(cuò)的，或者根本沒人想搞懂它。
在接下來的幾節(jié)中，讓我們一塊研究一下雙胞胎悖論，看看能否有所收獲。
在所有關(guān)于相對(duì)論的悖論中，最有名的就是雙胞胎悖論。
根據(jù)相對(duì)論，一個(gè)運(yùn)動(dòng)中的時(shí)鐘會(huì)變慢，所以一個(gè)處在高速運(yùn)動(dòng)中的人會(huì)老得慢些。
假設(shè)Ｅ(arth) 和Ｔ(raveler)是地球上的雙胞胎。在二十歲的時(shí)候，Ｔ開始了一次太空旅行。當(dāng)他十年后返回地球的時(shí)候，Ｔ是三十歲，而Ｅ可能就會(huì)是四十歲了。原因是太空飛船的高速飛行使它上面的時(shí)鐘變慢了，所以Ｔ就老得慢了。
但這個(gè)結(jié)果也可能是相反的。
相對(duì)論里最重要的部分就是相對(duì)性原則。從Ｔ的角度看，地球相對(duì)于他是在做高速運(yùn)動(dòng)。 這樣，地球上的時(shí)鐘就會(huì)變慢，因而Ｅ也就老得慢了。
這就是雙胞胎悖論。
一個(gè)聰明的解決辦法就是只有Ｅ的結(jié)論是正確的，Ｔ確實(shí)會(huì)比較年輕。原因是相對(duì)論的一個(gè)前提條件是慣性參照系，也就是勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系。宇宙飛船需要加速和減速，所以Ｔ的結(jié)論是不對(duì)的。
這個(gè)解決辦法有一點(diǎn)兒小問題。只要讓Ｔ再接著旅行我們就能看出來。
假如Ｔ用同樣的速度旅行了雙倍的距離，那么他們都該有多大歲數(shù)呢？
順著上面的思路，Ｔ就是四十歲而Ｅ則是六十歲，因?yàn)樗麄兊臅r(shí)鐘應(yīng)該都走了雙倍的時(shí)間。
這里是另外一條思路，讓我們把它稱作思路Ｂ。
Ｔ的新旅程可以看作是他的舊旅程再加上一段勻速直線運(yùn)動(dòng)的旅程。在這段新加的旅程中，Ｅ和Ｔ處在完全對(duì)等的相對(duì)狀態(tài)，所以在這段旅程上他們的時(shí)鐘不會(huì)出現(xiàn)任何差別。這樣我們就會(huì)得到一個(gè)不同的結(jié)果：不管飛船再飛多遠(yuǎn)，Ｔ總會(huì)比Ｅ年輕十歲。
現(xiàn)在我們沿著思路Ｂ往另一個(gè)方向走。這次不是讓旅程變長，而是讓旅程變短，直到把飛船所有的直線勻速運(yùn)動(dòng)全部去掉。因?yàn)樵谌サ舻穆贸滩糠诌@兩個(gè)時(shí)鐘不會(huì)產(chǎn)生任何差別，所以即便飛船的加速減速只需要十個(gè)小時(shí)，Ｔ還是會(huì)比Ｅ年輕十歲！
因此，這個(gè)解決辦法根本不靈。
其實(shí)要解這個(gè)謎并不難。不管旅行與否，Ｅ和Ｔ永遠(yuǎn)都是同樣的年紀(jì)。
很顯然，我們的壽命由我們的生存環(huán)境決定，和外星人沒什么關(guān)系。同樣外星人的壽命也不受我們的影響，不管我們是在地球上還是在飛船中。
那么，為什么我們會(huì)得到雙胞胎悖論？ 我們的推理究竟哪里出了問題？
我只能想到兩種可能性。一種是相對(duì)論不適用于我們的日常生活，另外一種是相對(duì)性原則錯(cuò)了。
當(dāng)年愛因斯坦發(fā)明相對(duì)論的時(shí)候，他是想把它用到電磁波上。把相對(duì)論用到我們的日常生活中是否合適呢？
盡管電磁波與我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷奈矬w各有自己的物理規(guī)律，但是時(shí)間本身是一樣的。在雙胞胎悖論中，真正出問題的是時(shí)間。如果變慢的時(shí)鐘不適合于我們的日常生活，它在別處也一定不行。
至于相對(duì)性原則，好像也沒什么問題。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念是由伽利略首先提出來的，然后被廣泛應(yīng)用于牛頓力學(xué)中。把相對(duì)性原則擴(kuò)展到牛頓力學(xué)之外確實(shí)是跨出了一大步，但我看不出來有何不妥。
既然在這里找不出什么毛病，我們下一步就去研究一下相對(duì)論本身，看看能否發(fā)現(xiàn)一些問題。
在愛因斯坦關(guān)于相對(duì)論的論文 ＂關(guān)于運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)＂[1] 中，有以下兩個(gè)假定：
翻譯成漢語就是：
所謂慣性參照系，是指保持勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系。
在 《相對(duì)論：狹義和廣義理論》[2]中, 愛因斯坦詳細(xì)地解釋了這兩個(gè)假定。我們先試試看自己能否理解它們，然后再去對(duì)比愛因斯坦的解釋。
第一個(gè)假定就是相對(duì)性原則。它是說一個(gè)物理定律不受所選參照系的影響。
在機(jī)械運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，相對(duì)性原則的表現(xiàn)就是：牛頓第二定律F=ma在任何慣性參照系中都表現(xiàn)得完全一樣。下面我們就來證明這一點(diǎn)。
假如在一個(gè)慣性參照系C中，有一個(gè)關(guān)于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律F=ma的實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。
我們要證明的是：在任意選取的兩個(gè)慣性參照系A(chǔ)和B中，該公式都必須成立。換句話說，在兩個(gè)參照系中觀測(cè)到的加速度必須完全相同，因?yàn)槲覀冇^察的是同一個(gè)實(shí)驗(yàn)(m和F都是唯一的)。
是參照系Ａ相對(duì)于參照系Ｂ的速度。因?yàn)樗粫?huì)隨著時(shí)間而改變，所以它對(duì)時(shí)間的變化率為零。
以上的推導(dǎo)告訴我們，兩個(gè)慣性參照系對(duì)于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的表述完全一樣。
因?yàn)閰⒄障礎(chǔ)和B都是任意選取的，A或者B可能就是參照系C本身，所以我們可以得到進(jìn)一步的結(jié)論：實(shí)驗(yàn)本身所在的參照系的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律沒有任何影響。這樣我們就完成了對(duì)相對(duì)性原則在機(jī)械運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的證明。
如果從參照系對(duì)等的角度看，我們并不需要慣性參照系。只要兩個(gè)參照系能保持恒定的相對(duì)速度，前面的推導(dǎo)就一定成立。對(duì)慣性參照系的要求完全來源于牛頓第二定律。由于地球是轉(zhuǎn)動(dòng)的，我們所有的實(shí)驗(yàn)其實(shí)都是在非慣性參照系中完成的。
在前面的證明中，我們利用了伽利略速度變換。
伽利略速度變換是在相對(duì)運(yùn)動(dòng)下的一個(gè)速度變換公式。因?yàn)槭琴だ宰钕忍岢隽讼鄬?duì)運(yùn)動(dòng)的概念，所以這個(gè)變換就以他的名字命名，以區(qū)別于相對(duì)論下的速度變換公式。
伽利略速度變換最常見的數(shù)學(xué)應(yīng)用就是相遇問題。
比如說我們兩人相距10公里，我每小時(shí)可以走5公里，你每小時(shí)也可以走5公里，我們同時(shí)出發(fā)，1小時(shí)后我們就能相遇。假如我每小時(shí)可以走4公里，而你每小時(shí)可以走6公里，我們?nèi)匀粫?huì)1小時(shí)后相遇。
為什么會(huì)這樣呢？因?yàn)闆Q定我們相遇時(shí)間的就是我們之間的距離和我們之間的相對(duì)速度，在兩種情況下我們的相對(duì)速度都是每小時(shí)10公里。在計(jì)算這個(gè)相對(duì)速度的時(shí)候，我們用的就是伽利略速度變換。
由于我們?cè)谧C明相對(duì)性原則的時(shí)候利用了伽利略速度變換，而伽利略速度變換背后的概念是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以一個(gè)隱藏在相對(duì)性原則后面的條件就是：所有物體都遵守相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則。
為了清楚起見，相對(duì)論的第一假定可以表達(dá)為以下形式：
與關(guān)于物理定律的第一假定相比較，關(guān)于光的第二假定比較難理解。
這里的難點(diǎn)不在于光的恒定傳播速度，因?yàn)檫@一點(diǎn)對(duì)我們來說都是常識(shí)。光的傳播速度不受光源運(yùn)動(dòng)的影響也好理解。因?yàn)楣馐且环N波，它自然也會(huì)表現(xiàn)得像其它波一樣，而所有波的傳播速度都不受波源運(yùn)動(dòng)的影響。
問題是第二假定中的＂靜止＂該怎么理解。哪個(gè)參照系是靜止的？ 這個(gè)靜止的參照系肯定不是地球，因?yàn)榈厍蛞恢辈煌５卦谧龈咚龠\(yùn)動(dòng)。它也不會(huì)是＂以太＂，因?yàn)閻垡蛩固乖谡撐闹刑貏e否定了它。
因?yàn)槲覍?shí)在想不出一個(gè)靜止的參照系，所以只好認(rèn)為在相對(duì)論中，每個(gè)參照系都是＂靜止＂的。
所以我們只能這樣來描述第二假定：
光在所有參照系中的傳播速度都是一樣的。
把相對(duì)論的兩個(gè)假定放在一起，我們的宇宙中就有了兩種截然不同的物體。第一種是牛頓力學(xué)中的物體，它們都遵守相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則。第二種是光，它不遵守相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則。
相對(duì)論正是這兩種不同物體混和的結(jié)果。
在本節(jié)和接下來的第７節(jié)中，所有＂第二假定＂和＂關(guān)于光的假定＂都指的是我們對(duì)于相對(duì)論第二假定的解釋。
讓我們細(xì)想一下我們對(duì)第二假定的解釋： 光在所有參照系中的傳播速度都是一樣的。
如果兩輛汽車在相對(duì)而行，每個(gè)司機(jī)都會(huì)覺得對(duì)面的汽車跑得比其正常速度快。如果你迎著波浪跑，你肯定能提前遇到它。在前面的兩種情況中，伽利略速度變換規(guī)則都適用，其中觀測(cè)到的速度都大于源（汽車或水波）的速度。
現(xiàn)在有一個(gè)觀察者想迎著光跑，以便早些遇到光。根據(jù)我們對(duì)第二假定的解釋，這樣做根本不管用。因?yàn)橄鄬?duì)于所有的觀察者來說，光速都是一樣的。
我們能否找到某種機(jī)制來支持這種情況呢？ 如果一個(gè)觀察者不管運(yùn)動(dòng)與否都能觀測(cè)到同樣的光速，那只能意味著一件事情：這個(gè)觀察者的運(yùn)動(dòng)在影響光速，所以他本身的努力都被抵消掉了。無論把光當(dāng)成粒子還是波，誰知道一種辦法可以用來改變光的速度？
假如確實(shí)存在一種未知的力能夠改變光速，那么這種力一定有這種魔力：不管一個(gè)觀察者的速度如何，這種力都能一絲不差地把他的努力抵消掉。
現(xiàn)在有兩個(gè)觀察者在一起，其中一個(gè)迎著光跑，而另一個(gè)呆在原地不動(dòng)。這種力必須能夠影響跑動(dòng)中的觀察者所面對(duì)的光，而絲毫不影響靜止的觀察者所面對(duì)的光?，F(xiàn)在讓這兩個(gè)觀察者側(cè)向的距離變得極小，小到只有一個(gè)電子能放在他們中間?，F(xiàn)在我們才能看出這種力的神奇效果來：它能在空中建立起像數(shù)學(xué)里一樣明確的界限，其中一邊的光受到充分的抵消影響，而另外一邊的光卻絲毫無損。
發(fā)現(xiàn)這樣一種力的可能性會(huì)有多大呢？
還記得老師怎樣費(fèi)勁地給我們解釋宇宙中不存在絕對(duì)靜止？ 在所有人似乎都明白了運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的這個(gè)道理以后，我們?cè)谶@里又發(fā)現(xiàn)了一種速度永遠(yuǎn)是ｃ的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。我們的老師是否感到有些傷心呢？
如果僅憑推理不能把事情搞清楚，也許實(shí)驗(yàn)?zāi)軒蜕厦Α?/p>
在著名的邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)中，為了排除環(huán)境的干擾，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都漂浮在水銀池中。
今天公認(rèn)的真空中的光速是 299,792,458 m/s。我不知道這個(gè)數(shù)字是怎么來的，但我能想象得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)的靈敏程度。
通常的民航飛機(jī)一般在稍微低于聲速的狀態(tài)下飛行。在室溫下，聲音的傳播速度大約是 340 m/s。如果一個(gè)觀察者在一架民航飛機(jī)上來測(cè)試光速，誤差起碼要控制在聲速的一半。這個(gè)誤差大約是百萬分之零點(diǎn)五。
現(xiàn)在我來問一個(gè)問題：究竟有多少實(shí)驗(yàn)是用移動(dòng)的觀察者來測(cè)試光速的？ 這些實(shí)驗(yàn)的精度又是如何？
自從相對(duì)論在一百年前誕生之日起，已經(jīng)有無數(shù)的人被它難倒了。如果有前面所說的實(shí)驗(yàn)，其精度也夠的話，它早就應(yīng)該像邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)敲绰劽恕?/p>
根據(jù)我有限的知識(shí)，好像這樣的實(shí)驗(yàn)根本就不存在。
在當(dāng)今的國際計(jì)量單位中，長度的單位米是用光速來定義的。這能否保證第二假定就是正確的呢？
答案是不能。
如果一個(gè)物體遵守相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則，我們只需要知道它在任意一個(gè)慣性參照系中的速度就足夠了。借助于經(jīng)過了幾百年實(shí)踐檢驗(yàn)的伽利略速度變換公式，我們可以計(jì)算出該物體在任何其它慣性參照系中的速度。
因?yàn)楣獠蛔袷叵鄬?duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則，所以對(duì)于光我們沒有已知的公式可用。光在任何一個(gè)參照系中的速度都必須經(jīng)過實(shí)際測(cè)試才能知道。
不考慮光源的運(yùn)動(dòng)，并且把觀察者的運(yùn)動(dòng)限制在來光的方向上，我們需要以下三種實(shí)驗(yàn)：第一種實(shí)驗(yàn)觀察者不動(dòng)，第二種實(shí)驗(yàn)觀察者迎著光運(yùn)動(dòng)，第三種實(shí)驗(yàn)觀察者背著光運(yùn)動(dòng)。
第一種實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成了，而且具有相當(dāng)高的精度，這一點(diǎn)可以從目前公認(rèn)的光速上看出來?，F(xiàn)在只剩下了兩種有移動(dòng)觀察者的實(shí)驗(yàn)，而它們?cè)诩夹g(shù)的難度上是完全一樣的。
在我看來，在有移動(dòng)觀察者的實(shí)驗(yàn)中，至少存在以下困難：
從以上的困難可以看出，具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在短期內(nèi)還沒法得到。
為了敘述方便，在本節(jié)中的勻速直線運(yùn)動(dòng)都簡稱為運(yùn)動(dòng)。
無論你翻開哪本關(guān)于相對(duì)論的書，都會(huì)有一些邏輯難題蹦出來。只有光被單列了出來，整個(gè)宇宙就陷入了一片混亂。怎么會(huì)這樣呢？
在介紹相對(duì)論的書中，經(jīng)常能看到這樣的例子。首先一個(gè)光鐘被用來解釋相對(duì)論，然后作者宣稱使用任何一個(gè)別的時(shí)鐘都會(huì)有同樣的結(jié)果。真的是這樣嗎？
這次讓我們換個(gè)機(jī)械鐘試試。
根據(jù)牛頓力學(xué)定律，不管這個(gè)機(jī)械鐘是處在靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所有作用在它上面的力都是完全一樣的。所以這個(gè)機(jī)械鐘的時(shí)間完全不受其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。
牛頓運(yùn)動(dòng)定律在這里適用嗎？
答案是絕對(duì)可以。
相對(duì)論的第一假定只是對(duì)伽利略和牛頓思想的推廣。如果你能暫時(shí)把第二假定去掉，這一點(diǎn)就會(huì)更明顯。事實(shí)上，如果沒有伽利略速度變換公式和牛頓第二定律作為基礎(chǔ)，相對(duì)性原則根本就不會(huì)存在。
至于第二假定，它只是講光的，絲毫影響不到第一假定。所以這兩個(gè)假定合起來也對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律沒有任何影響。
如果你在這點(diǎn)上還有疑問，我們可以復(fù)習(xí)一下高中物理課上用的一個(gè)典型例子。
在一列正在運(yùn)行的火車上，一個(gè)蘋果從桌子上掉到了地板上。如果在桌邊的乘客發(fā)現(xiàn)蘋果落地用了某一時(shí)間，那么一個(gè)在站臺(tái)上的人肯定也會(huì)有同樣的觀測(cè)結(jié)果。因?yàn)樵谡九_(tái)上的人看來，盡管蘋果走了更長的路，但蘋果也同時(shí)搭了順風(fēng)車跑得快了，所以蘋果掉到地板上的時(shí)間還是一樣的。而且，這個(gè)結(jié)果和火車的運(yùn)行速度沒有任何關(guān)系。
現(xiàn)在把蘋果換成光，我們還能得出同樣的結(jié)論嗎？
不能。原因在于光不遵守相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則，搭不了順風(fēng)車。
這就是為什么機(jī)械鐘不受運(yùn)動(dòng)影響，但光鐘卻受到影響的原因。
在機(jī)械鐘和光鐘之間，還有一個(gè)很明顯的區(qū)別。在所有關(guān)于相對(duì)論的書中，光鐘在宇宙飛船中的擺放都是同一方向。這并不是偶然。只要你把光鐘的方向稍微動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)兒，人們常見的相對(duì)論公式就被破壞了。所以呢，光鐘是有方向性的，而機(jī)械鐘則和方向沒有關(guān)系。
其原因和前面所說的完全一樣，光的運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的，而所有其它物體的運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的。
由此看來，時(shí)鐘的類型還是很有關(guān)系的。不同類型的時(shí)鐘能給出不同的結(jié)論。只要把光鐘丟掉，這個(gè)宇宙就能恢復(fù)正常。
在愛因斯坦的論文[1]中，他為什么要用“靜止”這個(gè)詞呢？
我們來看一下愛因斯坦論文中的第一步
它告訴我們什么呢？這里肯定存在一個(gè)靜止的參照系，不然我們無法得到ｃ；也一定存在一個(gè)非靜止的參照系，不然我們無法得到ｃ＋ｖ和ｃ－ｖ。除此之外，光必須遵守相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則，因?yàn)椋悖龊?ｃ－ｖ 都是從伽利略速度變換規(guī)則得到的。
由此看來，我們對(duì)第二假定的解釋是錯(cuò)的。雖然我們不知道這個(gè)靜止的參照系在哪里，但它一定存在。在相對(duì)論中的光速就是針對(duì)這個(gè)參照系的。
如果我們照這個(gè)思路走下去，所有的邏輯難題都會(huì)自動(dòng)消失。相對(duì)論的公式或者適用于靜止的參照系，或者適用于非靜止的參照系，但絕不會(huì)兩者都適用。
不過稍等一下，好像相對(duì)性原則沒有派上用場(chǎng)。既然愛因斯坦把它放進(jìn)去，肯定會(huì)有它的用處。好像我們又迷路了。
現(xiàn)在讓我們看看愛因斯坦自己在《相對(duì)論：狹義和廣義理論》中的解釋。
在第一部分，第07節(jié), “光的傳播規(guī)律與相對(duì)性原則的明顯不匹配”，愛因斯坦指出光的傳播性質(zhì)與相對(duì)性原則有抵觸。
假如在路堤上順著列車運(yùn)行的方向發(fā)出一束光。對(duì)于一個(gè)在路堤上的觀察者來說，光的速度是ｃ。對(duì)于一個(gè)在火車上的觀察者來說，光的速度是ｃ-ｖ。但是按照相對(duì)性原則，不管是用路堤還是火車作參照系，光的速度都應(yīng)該是一樣的。這樣，一個(gè)不匹配問題就出現(xiàn)了。
愛因斯坦在這里的推理是錯(cuò)的。
正像本文的第５節(jié)所指出的那樣，相對(duì)性原則就意味著所有物體都遵守相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則。在火車上觀測(cè)到的光速ｃ－ｖ正是相對(duì)性原則的直接結(jié)果。如果在兩個(gè)參照系中觀測(cè)到的光速都一樣，那才違背了相對(duì)性原則。
為了更清楚地說明這一點(diǎn)，讓我們來看一個(gè)蘋果墜落的例子。
在火車經(jīng)過的果園里，有個(gè)蘋果從一棵樹上掉了下來。對(duì)于一個(gè)站在樹邊的人來，蘋果是垂直地掉下來的。對(duì)于火車上的人來說，蘋果是沿著拋物線軌跡墜落的。這兩個(gè)觀察結(jié)果都是客觀現(xiàn)實(shí)，但卻并不相同，這是不是說相對(duì)性原則錯(cuò)了呢？
當(dāng)然不是。這兩個(gè)觀測(cè)結(jié)果都和物理定律有聯(lián)系，但觀測(cè)結(jié)果本身并不是物理定律。一個(gè)物理定律的核心是對(duì)因果關(guān)系的定量化。在這個(gè)例子里，蘋果在墜落的過程中只受到重力的影響。如果我們根據(jù)每個(gè)參照系中的觀測(cè)結(jié)果把蘋果的加速度計(jì)算出來的話，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們都是9.8m/s2，這正是重力加速度。在兩個(gè)參照系都能得出同樣的加速度，就是相對(duì)性原則在這個(gè)例子里的具體表現(xiàn)。
以上兩個(gè)參照系的觀測(cè)結(jié)果雖然都不能代表物理定律，但兩個(gè)參照系確實(shí)有優(yōu)劣之分。在地面上的觀測(cè)結(jié)果更簡單，更容易讓我們發(fā)現(xiàn)其背后的物理定律。如果我們把這個(gè)例子擴(kuò)展一下，我們可以說，在觀察任何現(xiàn)象的時(shí)候，都存在一個(gè)“天然的”參照系，在其中的觀測(cè)結(jié)果能讓我們離現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)更近。
愛因斯坦在這里的錯(cuò)誤，就是他把觀測(cè)結(jié)果和物理定律本身混為一體了。
讓我們?cè)俅沃貜?fù)一下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)是相對(duì)性原則的基礎(chǔ)。沒有觀測(cè)結(jié)果的相對(duì)性就沒有物理定律的唯一性。相對(duì)性原則是說，所有的物理定律都是唯一的，所有的觀測(cè)結(jié)果都是相對(duì)的。
由以上的分析可以看出，愛因斯坦關(guān)于＂光在所有參照系中的速度都相同＂ 的推論是完全錯(cuò)誤的。換句話說，相對(duì)論的基礎(chǔ)根本就不存在。
概括起來，愛因斯坦這樣利用了相對(duì)論的兩個(gè)假定：
第二假定確定了在一個(gè)靜止參照系中，光的傳播速度是ｃ，而 第一假定則推出了光在所有參照系中的傳播速度都是一樣的。
關(guān)于“光在所有參照系中的傳播速度都相同”這個(gè)論點(diǎn)，我們首先指出了它在理論上不可逾越的障礙，然后又介紹了它在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上的缺失。既然這么多工作都做了，我們就不要因?yàn)橄鄬?duì)論的這個(gè)根本錯(cuò)誤而停止了我們的研究。
在隨后的文章里，凡是提到相對(duì)論假定的地方，它們的使用都以我們?cè)诘冢倒?jié)中的解釋為準(zhǔn)。
在第一部分，第09節(jié)，“同時(shí)性的相對(duì)性”中，愛因斯坦是這樣解釋同時(shí)性這個(gè)概念的：
如果兩束光同時(shí)從火車兩頭的路堤上發(fā)出，那么一個(gè)在路堤中間的人會(huì)同時(shí)看到兩束光，而一個(gè)在火車中間的人看到兩束光卻有先有后，因?yàn)榛疖囋谙蚯伴_。這樣，這兩個(gè)人對(duì)于這兩束光的同時(shí)性就達(dá)不成一致意見了。
在這里，愛因斯坦把同時(shí)性這個(gè)概念弄混了。在這個(gè)例子里，實(shí)際上有兩種同時(shí)性，一種是同時(shí)發(fā)出，一種是同時(shí)看見。這兩個(gè)人雖然不能對(duì)于光的同時(shí)到達(dá)達(dá)成一致意見，但確實(shí)能對(duì)光的發(fā)出達(dá)成一致意見，只要他們把光的傳播時(shí)間考慮進(jìn)去就行了。
即時(shí)性是一個(gè)重要的時(shí)間概念，不過經(jīng)常被我們忽略掉。當(dāng)我們?cè)谝粔K講話的時(shí)候，或是當(dāng)我們看東西的時(shí)候，我們從不考慮聲音或光要花多少時(shí)間才能到我們這里。這里我們有一個(gè)下意識(shí)的即時(shí)性假定：事件一發(fā)生我們馬上就能感知到。不過我們知道什么時(shí)候需要考慮波的傳播所帶來的延時(shí)，比如當(dāng)解釋回聲現(xiàn)象和雷達(dá)定位原理的時(shí)候。
即時(shí)性這種時(shí)有時(shí)無的特性，可能在愛因斯坦關(guān)于同時(shí)性的印象中起了某種作用。
在愛因斯坦的論文[1]中，時(shí)鐘的同步可以如下進(jìn)行：
假如有兩個(gè)時(shí)鐘A和B，我們把它們的時(shí)間分別叫做是A時(shí)間和B時(shí)間。在時(shí)刻
這種同步方法不過是眾多方法中的一種而已，它是有局限性的。比如說，當(dāng)光不能在兩個(gè)時(shí)鐘之間直接往返的時(shí)候，該方法就沒有用。當(dāng)兩個(gè)時(shí)鐘不在同一個(gè)時(shí)區(qū)的時(shí)候，該方法也用不成。而在我們的日常生活中，最常用的同步辦法是單向的。
在關(guān)于時(shí)間的理論中，這種同步方法是用不到的。
關(guān)于時(shí)間的理論應(yīng)該獨(dú)立于任何特別的時(shí)鐘同步機(jī)制。以下這個(gè)虛構(gòu)的故事就是用來說明這個(gè)意思的。
假如在一個(gè)遙遠(yuǎn)的星球上，生存著一種智慧生命。因?yàn)樗麄儚膩矶紱]有見到過光，所以聲音就成了他們最快的通訊工具，并且被用來校對(duì)時(shí)鐘。憑著運(yùn)氣，他們也發(fā)明了相對(duì)論。不過在他們的公式里，光速被換成了聲速。如果以后有一天遇上了他們，我們?cè)撛趺醋屗麄兿嘈抛约菏清e(cuò)的？我們能否說，因?yàn)槲覀兊墓馑俦饶銈兊穆曀俅蟮枚?，所以我們就是正確的？
所以，在理論上，時(shí)間這個(gè)概念并不會(huì)受到光或者聲音的影響。盡管光很快，它還是會(huì)造成延遲。如果我們和外星人都使用傳統(tǒng)意義上的時(shí)間概念，爭吵根本就不會(huì)發(fā)生。至于時(shí)鐘的同步，外星人可以繼續(xù)使用聲音，而我們還是接著使用光束。如果需要更高的計(jì)時(shí)精度，只要把相應(yīng)的延遲算進(jìn)去就行了。
從純技術(shù)的角度看，關(guān)于光的假定中的不確定性可以用以下兩種情況來概括：
錯(cuò)誤的前提并不總是帶來錯(cuò)誤的結(jié)論，所以接下來讓我們看一下相對(duì)論的結(jié)論。
以下兩個(gè)公式都是相對(duì)論的結(jié)論：
（運(yùn)行中的時(shí)鐘走得慢）
第一個(gè)公式是時(shí)間膨脹公式，它事實(shí)上給宇宙中的速度設(shè)了一個(gè)上限。如果長度沒有上限，時(shí)間也沒有上限，為什么速度需要一個(gè)上限？ 如果數(shù)學(xué)中的數(shù)字系統(tǒng)采用了一個(gè)大數(shù)而不是無窮作為上限的話，它肯定早就被打破好多次了。
如果光速ｃ是宇宙中的速度上限，那么相對(duì)論中的ｃ＋ｖ不是已經(jīng)超過這個(gè)上限了嗎？ 如果一個(gè)理論的結(jié)論否定了自己的前提，不就說明這個(gè)理論錯(cuò)了嗎？
第二個(gè)公式是在相對(duì)論下的速度變換公式。在這個(gè)變換下， 也就是所以相對(duì)性規(guī)則被打破了。
只有在像伽利略速度變換那樣的線性變換公式下，參照系的影響才能被完全消除掉。當(dāng)然，這里的參照系必須是一個(gè)慣性參照系。
既然相對(duì)性原則在我們的宇宙中這么好使，這一點(diǎn)還是愛因斯坦本人提出來的，（請(qǐng)參考【2】的第一部分，第05節(jié)），為什么我們要打破它呢？
相對(duì)性原則被打破并不奇怪。究其實(shí)質(zhì)，愛因斯坦要做的就是在相對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)之間架起一座橋梁。因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)，而牛頓力學(xué)又是相對(duì)性原則的基礎(chǔ)，任何對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的些微改變都會(huì)把相對(duì)性原則打破。
既然相對(duì)論的結(jié)論里存在這些錯(cuò)誤，我們無須去研究其具體的推導(dǎo)過程，就可以宣布相對(duì)論是錯(cuò)的。
愛因斯坦的想法很可能受到了時(shí)代的影響，因?yàn)楫?dāng)時(shí)時(shí)鐘同步技術(shù)正在流行。但是這解釋不了為什么相對(duì)論在一百多年來都沒有受到實(shí)質(zhì)性的挑戰(zhàn)。
關(guān)于光，有一個(gè)很大的謎。如果這個(gè)謎解不開，關(guān)于相對(duì)論對(duì)與錯(cuò)的爭論恐怕不太容易平息。
在牛頓時(shí)代，光束被認(rèn)為是由很多小粒子組成的。后來通過雙孔干涉實(shí)驗(yàn)，才發(fā)現(xiàn)光具有波的特性。等麥克斯韋發(fā)表了電磁理論，光又變成了電磁波的一部分。
既然其它各種波都通過介質(zhì)傳播，光應(yīng)該也是如此，所以人們就把光的傳播介質(zhì)稱作以太(Aether或Ether)。這種以太是靜止的，并充滿了宇宙，而所有的天體都在其中運(yùn)行。著名的邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)就是為了測(cè)試以太與地球之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的。因?yàn)闆]有測(cè)到這樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)就作為最著名的失敗實(shí)驗(yàn)而被寫進(jìn)了歷史，而以太這個(gè)概念也就被人們逐漸淡忘了。
其實(shí)，邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不能證明以太不存在。既然地球肯帶著我們每個(gè)人走，也帶著空氣走，為什么它就不肯帶著以太走呢？ 如果地球確實(shí)在帶著以太走的話，地球和以太之間哪里還有什么相對(duì)運(yùn)動(dòng)呢？
當(dāng)講到宇宙的時(shí)候，有些作者把各類天體比作是空氣中的塵土顆粒?？紤]到太陽以外最近的恒星都離我們有幾光年遠(yuǎn)，我們可以看出這種比方并沒有夸大。
太陽一直不停地在發(fā)光，其它那些數(shù)不清的星星也是如此。這些光都跑到哪里去了？ 也許有一小部分被各類天體吸收了，但絕大部分都消失在宇宙的浩瀚空間中了。這些消失的光不正是光最自然的介質(zhì)嗎？
光速恒定性的最好解釋就是光是振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播。在所有已知的粒子中，像原子，中子，質(zhì)子，還有電子，哪種粒子只以同一個(gè)速度運(yùn)動(dòng)？ 如果光是由光子組成的，為什么光子這么特殊，總是用唯一恒定的速度運(yùn)行？ 以太的存在不是能把光子從如此艱巨的任務(wù)中解脫出來嗎？
假如光的介質(zhì)確實(shí)存在的話，相對(duì)論的第二假定就很容易理解了。一個(gè)參照系的靜止與否正是由這種介質(zhì)決定的。
是不是光有了介質(zhì)就會(huì)給相對(duì)論帶來一些合理性呢？我們?nèi)ハ乱还?jié)看看就知道了。
在一條筆直的河里，一個(gè)人正在游泳。由于他以前從沒在河里游過泳，為了安全起見，他選擇了順著岸邊游。他想從下游的Ａ點(diǎn)開始，游到上游的Ｂ點(diǎn)，然后再返回到Ａ點(diǎn)。
如果他在泳池中的游速是ｃ，而河水的流速是ｖ，那么他一個(gè)來回的平均速度是多少？
這個(gè)平均速度很容易求，其過程如下：
我們可以看出，他的往返平均速度小于他在泳池中的游速。
現(xiàn)在換個(gè)場(chǎng)景。在靜止的湖水里，一個(gè)游艇在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。這個(gè)人又在游泳，不過這次他是在船頭和船尾之間往返。請(qǐng)問他這次的平均游速又是多少呢？
我們的計(jì)算公式照樣適用。因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)只關(guān)心兩者之間相對(duì)位置的變化，根本不在乎究竟哪個(gè)物體（包括波）在運(yùn)動(dòng)。
不巧的是，這個(gè)游泳的人正是你的老板。他對(duì)自己的游泳技術(shù)非常自信，如果你說他的平均速度不到ｃ的話，你肯定會(huì)給自己惹來麻煩。所以你就告訴他鐘表或者尺子有問題，并請(qǐng)他等修好以后再試。
該怎么修呢？
從數(shù)學(xué)上來講，可以有無數(shù)的解決辦法。但在現(xiàn)實(shí)中只有三種方案可選：用一個(gè)慢的鐘表，或者是用一個(gè)短的尺子，再不就是把兩者都變一點(diǎn)兒。
方案一： 調(diào)慢鐘表
方案二： 裁短尺子
方案三： 調(diào)慢鐘表并裁短尺子
所有上述解決方案，都存在以下這些共同問題：
問題一： 如果ｖ≥ｃ，公式就不能用了。
反正老板總會(huì)知道自己是沒法游到上游去的，咱們就不用去研究什么計(jì)算公式了。
問題二： 我們的公式只適用于雙程往返。
問題三： 我們的公式是有方向性的。
因?yàn)橘だ运俣茸儞Q實(shí)際上是一種向量運(yùn)算，所以我們的例子只不過是個(gè)特例。如果老板不是順著河邊游，我們就必須把ｃ和ｖ之間的角度考慮進(jìn)去，這樣公式就全變了。
在前面的例子中，如果把老板換成能夠自動(dòng)折返的水波，所有的方案和問題都不會(huì)受到任何影響。
方案三的公式是否有些眼熟？ 它們和相對(duì)論的公式完全相同！
相對(duì)論的公式是如何得到的？
首先，愛因斯坦假定光遵守相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則，并讓光做了一個(gè)往返運(yùn)動(dòng)，這就是為什么會(huì)有ｃ＋ｖ和ｃ－ｖ出現(xiàn)。接著，愛因斯坦又假定光遵守絕對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則，它在所有參照系中的傳播速度都是同樣的ｃ。
我們之所以得到了和相對(duì)論一樣的公式，是因?yàn)槲覀兏鷲垡蛩固棺吡送粭l路。
有了這些知識(shí)，我們就很容易看出，那些在介紹相對(duì)論的書中所用的光鐘都是假的。一個(gè)正確擺放的光鐘，其光束的方向必須平行于飛船的運(yùn)行方向。
在前面的例子中，所有修正公式在ｖ≥ｃ的情況下都不成立。這并不意味著河水的流速不能超過人的游速。只是在河水的流速大于或等于人的游速的情況下，人不可能游去上游。因?yàn)楦揪蜔o法得到一個(gè)往返平均速度，想把這個(gè)速度修正為ｃ的努力也就自然不會(huì)成功。
基于同樣的理由，我們也可以看出，即便相對(duì)論是正確的，它也不能說明光速就是宇宙中的最大速度。
本節(jié)講的不是相對(duì)論本身，而是關(guān)于人們對(duì)于相對(duì)論的接受態(tài)度的。
世界上有很多種天然的時(shí)鐘，像日、月、年等。也有很多種人造的時(shí)鐘，像機(jī)械鐘，電子鐘，原子鐘等。
在所有已知類型的時(shí)鐘中，有哪一種像光鐘那樣，采用沿著直線做往返運(yùn)動(dòng)這么一種機(jī)制？ 是否光鐘這種獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)制使得它優(yōu)越于其它類型的時(shí)鐘？
即便大家一致同意光鐘是最好的，我們還有一個(gè)困難需要克服。在一大堆方向各異的光鐘中，究竟哪個(gè)的時(shí)間才是正確的？
我們?cè)趺戳私庵車氖澜纾?/p>
通過發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，通過解釋未曾解釋的現(xiàn)象，通過給已經(jīng)解釋過的現(xiàn)象一個(gè)更好的解釋。而通向理解的最好途徑就是簡化。
在地球中心說中，一個(gè)行星的運(yùn)行軌道得用兩個(gè)圓來解釋。一個(gè)行星首先得圍著地球轉(zhuǎn)，同時(shí)它還得圍著自己的小圈轉(zhuǎn)。只有這樣，一個(gè)行星的時(shí)不時(shí)的逆行才能得到解釋。
在哥白尼的太陽中心說中，所有的行星，包括地球，都圍繞著太陽轉(zhuǎn)。因?yàn)榈厍蚝推渌恳粋€(gè)行星的運(yùn)行軌道和周期都各不相同，行星的偶爾逆行也就變成很自然的事情了。
利用萬有引力定律和力學(xué)定律，牛頓成功地對(duì)月亮的運(yùn)行和蘋果的墜落給出了一個(gè)統(tǒng)一的解釋。
今天，我們知道太陽并不是宇宙的中心，也許牛頓的萬有引力定律也有待改進(jìn)。但是我們不能否認(rèn)，對(duì)于這個(gè)世界，哥白尼和牛頓都給我們提供了一個(gè)更簡單的解釋。
讓我們回到我們的話題上來。接受了相對(duì)論對(duì)我們理解這個(gè)世界究竟有什么幫助？
如果我們得扭曲自己的思想以求理解，模糊自己的視覺以求看見，那是不是說明我們離終點(diǎn)還很遠(yuǎn)？更糟的是，會(huì)不會(huì)是我們完全走錯(cuò)了方向？
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