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第一性原理：21堂科学通识课_【英】马库斯·乔恩_AZW3_MOBI_EPUB_PDF_电子书（无页码）_【英】马库斯·乔恩

内容节选

第10章狭义相对论光是追不上的。光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色。爱因斯坦.爱因斯坦文集（第二卷）[M].范岱年等，编译.北京：商务印书馆，2011：106. ——阿尔伯特·爱因斯坦（1905年）光是追不上的。年仅16岁的爱因斯坦在想象和一束光齐头并进的情形后得出了这样的结论。他之所以能够想象这一情形，是因为詹姆斯·克拉克·麦克斯韦所提出的一个理论。1863年，这位苏格兰物理学家发现电、磁和光之间存在一种出乎意料且令人震惊的联系：光是在散布于整个空间中的无形的电磁场中传播的一种波（参见第2章）。爱因斯坦认为，如果真的能追上这样一种电磁波并与之齐头并进，那么它看起来就会变成静止的，就像冰冻海面上的海浪一样。然而，麦克斯韦的理论并不允许这种静止的波存在。由于追上光意味着会产生一种不能存在的东西，因此爱因斯坦认为光一定是不可能被追上的。真空中的光速不可超越，这一结论对我们最珍视的时空观念产生了巨大的影响。而这些将会由爱因斯坦在他“奇迹般的”1905年提出。如果光是追不上的，那么它实质上就在我们的宇宙中扮演着无限大速度的角色，即在定义上是大于所有数字的，因此是不可能达到的。不仅是以无限大速度运动的物体无法被追上，而且我们无论以多大的速度运动，都应该认为光速是无限大的，因为我们的速度和光速相比是可以忽略不计的。因此，光速对任何人来说都应当是恒定不变的，无论光源以及观察者以多大的速度运动。速度的定义是物体在单位时间内移动的距离，因此如果所有人观测到的光速都相同，那一定是大家对距离和时间的观测出了问题。假设你站在铁轨旁边观察一辆匀速驶过的列车。列车上有一个简单的时钟，它由地板上的激光发射器和天花板上的反射器构成，激光束从地板竖直向上发射然后被天花板反射回来，我们将激光上下来回一次的时间当作这个时钟的一秒。假设列车是透明的，你可以站在铁轨旁边从侧面看到列车里的这个时钟。还要假设列车的运行速度相对于光速来说足够快，以便让结果更明显。（这只是一个思想实验，并不直接反映真实情况，但它可以用来揭示大自然的底层原理。）从铁轨旁边观察，你看到的光束不再是直上直下的，而是一种不同的运动轨迹。当光束射向天花板时，列车也在同时向前运动，因此从铁轨旁边观察，光束是向斜上方发射的。类似地，当光束反射回地板时，列车继续向前运动，从铁轨旁边观察，光束是向斜下方反射的。于是我们得出了这样一个结论，光并不是直上直下运动的，相比从车上乘客的视角观察，光走过了更长的距离，换句话说，站在列车外面的你，所看到的“一秒”时间变得更长了（见图10-1）。图10-1 思想实验：列车上的时钟说明：将在列车地板和天花板之间来回反射的光看作“时钟”：铁轨旁边的观察者（图中下半部分）相比列车上的乘客（图中上半部分）看到光走了更长的距离，因此他所看到的时间比车上乘客所看到的时间要慢。尽管这个思想实验看起来有点儿不现实，但它揭示了一个基本事实：如果某人以匀速从你身边经过，那么他的时间相对于你来说就会变慢。此外，他在空间中的距离也会在其运动方向上缩小，但这一点比较难以用视觉的方式呈现出来。因此，我的时间和你的时间不一样，我的空间也和你的空间不一样。通过这个巨大的宇宙阴谋，大自然确保宇宙中的所有人都能观测到相同的光速。宇宙中并没有“绝对”时间，即没有一个全局背景下的时钟；也没有“绝对”空间，即没有一个全局的画布用来测量物体的长度。一切都取决于观察者的相对速度，正是因为如此，我们才使用“相对”这个词来描述爱因斯坦的理论。光速是宇宙的基石，而空间和时间只是流沙。关于此处提到的另一个影响因素。某人身上有些部分距离你较远，有些部分距离你较近，对于距离你较远的部分，光到达你的眼睛需要走更长的距离，这导致它们看起来在轮转。因此，如果这个人的脸朝向你，你会看到他的一部分后脑勺。这种奇妙的效应称为“相对论性光行差”或“相对论性射束”。当某人以匀速经过你身边时，他的时间看起来变慢了，这称为“时间膨胀”，而其空间的收缩被称为“洛伦兹收缩”。在没有其他因素影响的情况下（确实还有其他因素），如果某人以相当快的速度（相对于光速不可忽略的速度）经过你身边时，他看起来就像是在黏稠的液体里艰难地行走，而且会在其运动方向上被挤压成一张薄饼。列车上的时钟的思想实验还反映出另一个事实。在伽利略的时代，科学家们就已经发现，对于所有以匀速运动的观察者来说，运动定律是完全相同的。毕竟，两个在行使的列车上的人互相扔球，和两个站在轨道旁边的人互相扔球，球在空中的运动轨迹是完全相同的。爱因斯坦发现，对于所有以匀速运动的观察者来说，并不只是运动定律相同，而是所有定律都相同，尤其是支配光速的光学定律。爱因斯坦的理论被称为“狭义”相对论，他后来又对其进行了推广，这一理论已经被无数事实证明是正确的。例如，1971年，美......