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（22）杨鸿智《后现代科学》（1） 2005-11-02 19:00 http://www./space-64974-do-blog-id-3007.html 自然科学从机械论向非机械论的转变 一 欧洲文化最早的发源地是希腊和罗马。其中尤以希腊为主。公元五世纪左右，欧洲北部野蛮民族南侵，公元410年西罗马灭亡。134年后，东罗马灭亡，欧洲进入野蛮的中世纪。欧洲古代优秀的科学文化知识保存在巴尔干半岛的拜占廷帝国。公元五世纪时，西亚的阿拉伯人还属于落后的游牧民族。公元六世纪诞生伊斯兰教，并统一阿拉伯建立了一个地处西亚、北非，直至欧洲西班牙的阿拉伯大帝国。拜占廷的希腊文化遗产被阿拉伯人继承保留下来。再加上中国古代文明的西传，阿拉伯成为当时世界的一个文化中心。从公元11世纪开始，欧洲发动“十字军东征”。名义上是以基督教的旗号进行圣战，夺回被伊斯兰教占领的圣城耶路撒冷。其实是一场侵略和掠夺的战争。战争进行了二百年。在这漫长的战争中，欧洲不但掠回来阿拉伯人的财富，同时也把保存在阿拉伯的古希腊文化遗产带回欧洲。同时还有中国的四大发明。在此基础上，欧洲开始了文化和科学技术的发展。现代自然科学也随之诞生。欧洲也因此从封建社会进行资本主义社会。 二 从某种意义上讲，现代自然科学可以说是从伽利略开始，到牛顿完成的，牛顿的万有引力定律成为近代自然科学的统一的基础。因此常用牛顿力学，或经典力学作为现代自然科学的代表。现代自然科学的特点是机械唯物论的思维方法。即：世界是物质的，每种物质都有一种属于自己的特殊的规律，这些规律都是可以认识的。人类认识物质的方法是分析的方法，即任何一个复杂的大的物体都可以分解成简单的小的物体。认识了简单的小的物体的运动规律，再将这些规律综合起来就可以解释复杂的大物体的运动。这样就得出了现代自然科学的两条基本的原理，或称为思想方法，第一个称为“决定论”，即任何事物肯定有一个确定的答案。如果你还没有得到，你只要再继续寻找。第二个是“还原论”。即大的事物可以分解成小的事物，并可以用小的事物来说明大的事物。 三 20世纪刚开始，爱因斯坦就以其相对论打破了牛顿机械论的一统天下。开创了非机械论自然科学的新时代。牛顿力学有一个不变的参照物，就是地球，或地球上观察物体运动的人。而任何没有地球或人直接参与的其他物质之间的运动，必须转换成标准参照物的运动，这样才能被我们人类理解。爱因斯坦的相对论取消了牛顿力学中这个永恒不变的参照物。不论任何物质之间的相对运动，都可彼此之间互为参照，直接进行计算。同时爱因斯坦还提出了光速不变和光的波粒两重性原理。粒子运动是间断的，波，物质运动是连续的，在牛顿经典力学中这两种运动属于完全对立的两种形式，是不可能有同一个物质中存在的。而爱因斯坦发现了光的波粒两重性，即光子运动既有粒子性，又有波动性，不能确定光子只有哪一种运动特性。在这之后，是量子力学的发展。量子力学是研究微观粒子的高速运动的。他们在研究中发现牛顿经典力学完全不适用于微观粒子的高速运动。他们发明了统计理论和概率论。因为在微观领域中的高速运动，无法确定物质粒子的确定位置。只能有一个统计的概率。并将这个发现总结成一个叫做“测不准原理”的理论。即对于微观高速运动的基本粒子，当你准确测量其速度时，空间位置即不能确定。而当你准确测量其空间位置时，其速度又不能确定。（电子云）以上两项发现的重大意义在于彻底否定了近代自然科学的决定论。动摇了人们对经典力学的迷信和崇拜，为自然科学在20世纪的发展和现代化开辟了广阔的前景。 因为相对论和量子力学是从实证科学的出发点开始研究的，所以，应该称它们为实证科学。可是，因为它们又否定了实证科学，开创了非确定性的系统科学，所以，又可以称它们是系统科学。其实，相对论和量子力学既不是实证科学，也不是系统科学。它们是介于实证科学和系统科学之间的过渡性科学。正因为如此，后现代科学把爱因斯坦称为“经典力学的最后一人，也是后现代科学的第一人”。爱因斯坦打开了物质世界一扇新的大门，发现物质世界有两种不同性质的物质。可是，作为机械论教育出来的研究者，他不能接受这个事实。因此，他用自己的后半生研究如何将二者统一的“统一场论”。当然，这是不能成功的，因为这两种物质是根本不同的。现在，我们中国的实证论者仍然希望用机械论来处理包括复杂系统在内的所有物质。可想而知，他们也不会成功的。但是，爱因斯坦的失败具有神秘和悲壮的色彩，而我们的机械论者却不会得到爱因斯坦那样的光环了。虽然是同样的事情，但是其间相距了整整100年。100年的时间都不能让我们觉醒吗？这样的麻木是应该受到惩罚的。特别是这其间已经有贝塔朗菲的系统论问世。 爱因斯坦《相对论》浅说 我们会感觉爱因斯坦《相对论》离我们太遥远了。不可能理解，也没有必要去理解。但是，如果我们真的了解了《相对论》所说的宇宙的复杂性以后，我们就可能感觉到，我们用简单的物理化学来说明生命是否有点太幼稚了？当我们有了这样的感觉的时候，我们就会知道，爱因斯坦《相对论》离我们有多么近。当然，我们还是要承认现实，因此我这里选择了一篇为中小学生读者写的科普文章。了解的具体深度是不重要的，重要的是我们应该去了解这个知识。下面请看文章原文。文章来源于网上。（具体网站没有记录） 爱因斯坦提出相对论原理已经快一个世纪了。它的这一理论曾被当时很多人认为纯粹是一种怪诞的异想，而现在早已成为现代物理学的奠基石。就象没有分子和原子的概念，现代物理学不能存在一样，没有相对论，现代物理学也不能存在。没有相对论，大量的物理现象将不可能得到解释。粒子加速器的设计和原子反应的计算，都是建立在相对论的基础上的。相对论的建立是现代物理学最伟大的成就之一。 但是遗憾的是，相对论的原理除了少数专业人员，却很少有人知道，特别是对我们的中小学生读者，这一理论则显得格外艰深。 我们希望我们正在刊登的这篇文章能够简明而通俗地向少年读者介绍有关相对论的一些基本原理。也希望读者不要认为相对论就是主张世界上一切物体都是相对的。相反，读者肯定会发现，象任何其它正确的物理学理论一样，相对论告诉我们，客观真理是不以任何人的意志和趣味转移的。当摆脱了一切关于空间、时间和质量的陈旧观念之后，我们就会对世界的真正本质有更加深入的洞察和理解。 1. 我们常见的相对现象：是左还是右 我们都知道，天安门城楼前面是一个大大的广场，假如有人问你：天安门是位于广场的哪一边——左边还是右边？你很难马上回答好这个问题。如果你面朝东方，那么，天安门是在左边；但是，如果你面朝西方，天安门是在右边；而如果你面朝南方或者北方，则天安门既不在左边也不在右边。也就是说，在回答这个问题之前，你必须明确一个相对的方向。说一条河流的右岸，这个说法是正确的。因为这是由河流水流的方向来决定的。同样，我们可以说，汽车沿公路右边行驶。因为车辆的来往可以表示一个相对的方向。因此，“左”和“右”是一个相对的概念。而且只有在一个特定的方向作为根据的情况下，这一对概念才有意义。 《现在是白天还是黑夜》 对于这个问题的回答只能以地点或者位置而言。当北京是白天时，而纽约却是黑夜，这是毫无异议的。仅仅说白天或者黑夜就是相对的概念，因为不指出具体的地点，你是不能回答这个问题的。相对的现象看来似乎是绝对的 当我们观察某一物体时，如果稍微改变观察点，角度也就随之产生相应的改变。由于这种情况，角度法常被用于天文学。星图表明星球之间的角距，即从地球上观察其它星球之间的距离时的角度。无论我们处于地球上的任何位置和任何不同的观察点，我们观察到其它星球之间总是处于同样的距离，这是由于我们与这些星球之间有着极大的、甚至是难以想像的距离。同如此巨大的距离相比，我们地球上从一点到另一点移动的距离就显得微不足道了，因而我们就很容易忽视它。在这种情况下，这些不同的角距就会被认为是绝对的。如果我们将观察点所处的范围扩大到像地球绕太阳旋转的轨道这样大的空间，那么从不同的观察点所观察到的结果，其变化就相当可观了。但是，这一变化还不是非常显著的。如果我们把观察点移到另一个星球上，比如说，移到天郎星上，情景就会彻底改变。这时所观察的角度都将和原来的观察角度绝然不同了。而且我们还会发现，那些远离我们的星球之间的距离，有些比我们从地球上观测到的它们之间的距离近了，而有些星球之间的距离则更远了。 《绝对的现象实际上却是相对的》 我们常说“上”和“下”。那么，这两个概念是绝对的还是相对的呢？不同的时代，人们对这一问题会给以不同的回答。当人类还处在不知道我们的地球是圆的，而把他设想为一个扁平的锅饼似的东西的时代，垂直方向被认为是一个绝对的概念。那时人们设想，在地球表面的任何一点上，垂直方向总是相同的，因而也就把“上”和“下”说成是绝对的是很自然的事了。后来，当人们发现地球是圆的，于是“垂直是绝对的”这一概念也就自行淘汰了。的确，由于地球是圆的，垂直线的方向实质上是由这条垂直线通过的地球表面某一点的位置而定。处于地球的不同点，垂直方向也将不同。自然，“上”和“下”这两个概念因此而失去任何绝对意义。 《任何一句话都有意义吗？》 显然不是这样。即使我们以严格的语法规则将几个词组合起来，这种组合的结果也可能是毫无意义的。例如：“水是三角形的”这一句话根本是荒缪的。但是，不是所有的荒谬都是显而易见的，情况往往是这样：一种初看起来很有道理的说法，经过仔细研究之后，就会发现是错误的。 《违背“常识”》 上面谈的情况今天对我们来说已是十分明显的，根本不会有任何怀疑。尽管如此，我们由历史得知，人类并不是很容易就认识到“上”和“下”的相对性。如果人们对日常生活中经历的相对现象没有明确的认识，就很容易将某些纯粹主观的感觉，认为是普遍真理或一般规律（关于“左”和“右”的关系就是这样）。让我们再回顾一下历史。反对地球是圆的这一事实的某些谬论，是从中世纪流传下来的。那时有人提出这样的质疑：如果说地球是圆的，人们怎么能倒着身体走路呢？这种说法显然是错误的，因为他忽略了垂直方向的相对性，而垂直方向的相对性是基于地球是圆的这一客观真理。如果我们认识不到垂直方向的相对性，而把它看作是绝对的，那么，在北京的人就会认为在纽约的人都是倒身体走路的；同样，在纽约的人也会认为在北京的人也是倒着身体走路的。这样说是毫不矛盾的；因为垂直方向实际上并不是绝对的概念，而是相对的概念。只有我们涉及到地球表面上相距相当远的两点时，如北京和纽约两地，我们才会感到垂直方向的相对性的真正意义。另一方面，如果我们把相隔很近的两点（比如北京的两幢房子）加以考虑的话，我们就有理由说，所有同着两幢房子分别垂直的线是相互平行的。在这种情况下，垂直就是绝对的了。上述情况表明，在我们地球上，只有当涉及到整个地球表面积这么大的区域时，使用绝对垂直这一概念，才会导致荒谬和矛盾。上述情况的讨论结果又表明，我们在日常生活中使用的很多概念都是相对的。这些理论也表明，只有我们规定出具体的观察条件，这些概念才有意义。 2. 空间是相对的 《位置的相对性》 正如我们在上一节介绍的那样，人们在言谈中，总是喜欢运用绝对的概念，但实际上这种概念是没有意义的。同样的道理，宇宙空间的位置，这一概念是相对的，当我谈论一个物体在宇宙空间的位置时，我们的言下之意总是指该物体与另外一些物体的相对位置。如果没有其它物体，这种说法是没有什么意义的。例如，当我们说：有两颗星球在天空中重合，这个说法同样包含着相对意义。只有具体说明这个现象是从地球上观察到的，这种说法才有意义。 《物体的运动》 随之而来的问题是：物体在空间的移动。这一概念同样也是相对的。如果我们说，某一物体移动了，我们是特指它与其它物体的相对位置改变了。如果我们从不同的两个位置来观察同一物体的运动，我们会发现这一物体有着不同的运动方式。例如，一个人从正在飞行的飞机上抛下来一块石头，对这个人来说，石头是沿着直线落向地面的，但对站在地球上的观察者来说，则是一条抛物线。那么，这块石头究竟是怎么运动的呢？这样的一个问题其实没有多少实际意义。一个物体沿着抛物线运动的轨迹形状同样也是相对的。这个道理和古诗中描写从不同角度观看庐山一样： “横看成岭侧成峰，远近高低各不同”。 《定义静止状态》 外力能够影响物体的运动。对于这种外力进行深入的观察和研究，我们就会对这一现象有一个全新的认识。假设在我们面前，有一个不受任何外力作用的物体。由于我们的观察点不同，这一物体就会以完全不同的方式运动。十分明显，当物体处于静止状态，对于观察者来说，自然是最适宜的。这样我们就可以不考虑一个物体相对于其它物体的运动情况，给静止状态下一个定义：一个不受任何外力作用的物体处于静止状态。 《参照系与惯性系》 运动和静止都是相对来说的。要说明一个物体的运动情况，必须选定另一物体作参照，这种用作参照来说明其它物体运动情况和位置的物体，通常叫做参照物体，也叫参照系。我们已经知道，运动和静止都是相对而言的。但是，经典物理学认为存在着“绝对静止状态”。为了得到这样的状态，设想使一个物体尽可能远离那些可能作用于它的其它物体，作为参照系来观察和研究运动的特性。我们把这样的一个参照系叫做“惯性系”。如果在另一参照系里观察到的物体运动与我们在惯性系里观察到的物体运动方式不同，那么，我们就有理由说，那个参照系本身是运动的。 《火车在运动吗？》 假如当一个参照系由于外力的作用而运动，在这个参照系里物体的运动规律会发生改变吗？要回答这个问题，现在让我们坐上一列作匀速直线运动的火车。如果你向空中抛一个球，你的手仍在远处不动，这个球仍然会落到你的手上，并不会因为火车的运动而斜落到别处。这种情况与在静止火车上观察到的情况是相同的。当火车的速度有增减时，情况就不一样了。如果作匀速直线运动的物体改变方向，我们也会马上感觉到。火车突然向右转弯，车上的人会向左倾，如果突然向左转弯呢？车上的人就会向右倾。总之，我们可以作下面的结论：一个做匀速直线运动的参照系，同一个惯性系（处于静止状态的参照系）相比较，我们很难发现在他们中的物体运动情形有什么不同。但是，一旦运动着的参照系的运动有所改变（加速、减速或者改变方向），这种变化立即就会对其中的物体产生作用。 《静止状态永远消失了》 前面我们由实践证实了一个做匀速直线运动的参照系，对其中的物体并不会产生任何影响。这一令人惊异的事实，迫使我们必须修正我们对静止状态这一概念的解释。这就是静止状态与匀速直线运动状态并无不同。因此可以认为：相对于一个惯性系而作匀速直线运动的物体是处于静止状态的。这就告诉我们，绝对静止状态是不存在的。但另一方面，却存在着无数各种不同的“静止状态”。这就是无数相互相对作匀速直线运动的、处于“静止状态”的参照系，只是其运动速度不同罢了。所以，静止状态是相对的，而不是绝对的。既然静止状态是相对的，那么每当我们观察某一物体时，必须指出，该物体是相对于哪一物体处于匀速直线运动。因而我们不能把运动作为一个绝对的概念。对于运动和静止的关系的观察和探讨，使我们明白了自然界的一条重要规律：在两个处于相对匀速直线运动的参照系里，物体的运动规律是相同的。这一规律通常叫做相对性原理。 《惯性定律》 运动的相对性原理表明：一个不受外力作用的物体，可以处于静止状态，或者处于匀速直线运动状态。物理学家把这种现象叫做惯性定律。但是在我们的日常生活中，这一定律往往被掩藏在某些现象背后，只是我们不能直接而明显地认识它。根据惯性定律，一个处于匀速直线运动状态的物体，甚至在没有外力作用的情况下，它应永远保持其运动状态。但是我们的观察表明，如果一个物体不受外力的作用，它必然处于静止的状态。解释这个谜的关键在于这样一个事实：通常我们看到的物体，都受着某种外力的作用，这就是摩擦力。摩擦力破坏了观察惯性定律所需要的条件，这个条件就是必须没有任何作用于物体的外力。运动相对性原理的发现是人类最伟大的发现之一。没有这一原理的发现，物理学根本不可能发展到今天的情况。 《速度也是相对的》 根据运动的相对性原理，如果并不指出某一物体是相对于某一参照系，而只是说，该物体以一定速度作匀速直线运动，那么这就是一个没有意义的概念。 于是我们发现，速度也是一个相对的概念。如果从不同的参照系来观察同一物体的运动速度，就会得出不同的结果。然而速度的每一种变化，无论是由加速、减速或者方向改变而引起的变化，从意义上却都是绝对的，而并不因我们观察时所处的不同参照系而有所不同。 3. 光的悲剧 《光的传播并不是瞬时的》 我们已经讨论了运动的相对性以及可能有无数个惯性系的存在，在这些惯性系里，物体运动的规律都是相同的。但是，还有另外一种运动，乍看起来同我们建立的原理是矛盾的。这就是光的传播。光的传播速度是每秒30万公里，这一巨大的速度对于我们来说是难以想象的。这是因为我们通常熟悉的速度要比光速小得多，他们之间的差异非常悬殊。例如，在我们知道的与之有关的物体运动中，地球绕太阳旋转的速度是很大的，但尽管如此，地球旋转的速度也只不过是每秒30公里而已。 《光速可以改变吗？》 光传播的巨大速度，其本身也不是什么奇特的现象，但令人惊奇的是光速的永恒不变性。我们能够人为地加大或者减低一个物体的运动速度，甚至可以增减枪弹的射速。我们只需要在子弹前方，放置一个沙箱，子弹穿破沙箱后，其速度就会减低。光传播的情况就不同了。让我们在一束光线通过的途中，放置一个玻璃盘子。因为光通过玻璃的速度，要比在真空中传播的速度小。按常理说，这样一来，这束光传播的速度就会降低，但是，光线通过玻璃以后，它又恢复每秒30万公里的速度。子弹的速度主要由于枪内的构造和弹药的特性来决定。而对于光来说，不管是什么光源，光的速度总是相同的、不变的。由此我们知道，光在真空中的传播有其非常重要的特性，即光速不可能加大或者减小。 《运动的相对性原理会被动摇吗？》 光在真空中的传播特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾。设想有一列以每秒24万公里飞驰的火车，我们乘上这列火车的第一节车厢，在最后一节车厢里同时打开一盏电灯。这时测量电灯光从车厢一端向另一端传播所需要的时间，我们很容易推断出一种“奇特”的现象。相对于每秒24万公里的火车来说，光看起来仅以每秒30万-24万=6万公里的速度传播。这似乎是光必须追赶第一节车厢。如果，位置相反，我们在火车的第一节车厢安置一盏电灯，并测量出光到达尾节车厢所需的时间，这时的速度就是24万+30万=54万公里。于是在一列运动的火车上看起来，光传播的方向不同，其速度也不相同。而在一列静止的火车上，光传播的方向不同，速度却是相同的。子弹运动的情况完全不同。假如在运动的火车上打枪，不管子弹运动的方向同火车运动的方向相同还是相反，相对于火车子弹的速度总是不变的。事实是这样的：子弹的速度是由枪的射速决定的，而光的速度却并不会因为灯泡的运动情况而改变。由此我们似乎可以得出这样的结论：光的传播速度同运动的相对性原理相矛盾。相对于运动的或静止的车厢，子弹的射速都是相同的。而在一列以每秒24万公里的速度飞驰的火车上，光传播的方向同火车运动方向相同时，光的速度是在静止火车上的1/5。而当光传播的方向同火车运动方向相反时，光的速度是在静止火车上的1.8倍。这同我们在上一节所介绍的相对性原理是完全不同的。 《由实验做出决定》 面对这一矛盾怎么办呢？在提出这一情况的看法和意见之前，先让我们考虑下面的这样一个情况：光的传播同运动的相对性之间的矛盾完全是来自人们的主管臆造。必须承认，这一主观臆造在某种情况下，还是很有说服力的。但是，如果我们仅仅相信主观推断，就会成为那些试图从脑袋里生成自然规律的古代哲学家。按照这样的方法去解释世界，有朝一日，客观世界将成为一个面目全非的东西。实验是一切物理理论的最高鉴定者。因而我们不应把自己束缚在空泛的议论与想象之中，因而必须投入到实验的实践中去。实验将会表明，在这种情况下，光实际是如何传播的。我们的实验将因为这样的事实变得比较方便：我们自己生活的地球就是一个运动的物体。地球绕着太阳转，它的运动不是直线的，因而相对于任何惯性系，它不可能处于恒久的静止状态。与一个参照系相对而言，地球在二月是静止不动的。但到了七月，地球又肯定是处于运动之中了。这是因为地球绕太阳旋转的方向改变了。实际上，我们在地球上研究光的传播，是在一个以每秒30公里的速度运动着的物体上进行的，这一条件对我们的研究起着不可忽视的影响。前面我们讨论过光在一列运动中的火车上传播的情形。那么我们的地球是否和这一运动中的火车一样呢？我们曾设想，那列火车作匀速直线运动，而地球却是沿着圆形轨道运动的。尽管如此，我们还是可以把地球看作是做匀速直线运动。从观察的的观点考虑，这其中存在误差，但这一误差是极其微小的，甚至小得很难观测出来。既然我们把地球比作火车，我们自然会想到：光在地球上的传播情形应该和光在火车上的传播情形相同，即光沿不同的方向传播，其速度不同。 《相对论被证实》 1881年，美国实验物理学家A·麦克尔逊作了关于上述问题的实验。A·麦克尔逊以高度的准确性测量了光沿着不同方向传播的速度数值。为了探测预想中的微小差别，A·麦克尔逊使用了非常精确的实验设备，他的实验精确性很高，他测量出来的速度差别比预想中的差别要小得多。A·麦克尔逊的实验，以后在不同的条件下又作过多次。他的实验得到了出乎预料的结果。在一个运动着的参照系里，光的传播情形同我们在前面推想的恰恰相反。A·麦克尔逊发现，在地球上，光向任何方向传播，其速度都是相同的、不变的。在这一意义上，光的传播使我们联想到子弹的飞行。前面我们曾经设想，在一列运动中的火车上，子弹运动同火车的运动无关。同车厢相对而言，子弹向任何方向运动，其前进速度是相同的。于是，A·麦克尔逊的实验证明：同我们的推想恰恰相反，光的传播同运动的相对性原理并不矛盾，而是完全符合运动的相对性原理。这也就是说，我们在前面“运动的相对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的。 《为什么犯错误？》 我们已经摆脱了光传播的规律同相对性原理之间令人不快的矛盾。当然，这种矛盾是由于我们错误的推想而造成的，而不是真正存在着矛盾。为什么会犯这样的错误呢？从1881年到1905年，几乎经历了四分之一世纪，物理学家们为了这个问题绞尽脑汁。但是他们对这一问题的一切解释，都不可避免的导致理论与实践之间的新的矛盾。在相继出现的各种解释中，一切无视A·麦克尔逊实验所取得的意想不到的结果，而坚持与其持相反观点的，都将归于失败现在，不妨让我们总结一下。A·麦克尔逊的实验进一步证实，运动的相对性原理不仅适用于一般物体的运动，而且也适用于光的传播，因而也适用于一切自然现象。我们已经注意到，速度的相对性直接源于运动的相对性这一理论。相对于运动中的不同参照系的物体，其运动速度不同。但是，每秒30万公里的光速，在任何参照系里都是相同的，因此光速是绝对的，而不是相对的。 4. 时间是相对的 《确实存在矛盾吗？》 乍看起来，似乎我们在讨论一个纯粹逻辑上的矛盾。光沿任何方向传播而速度不变，充分证实了相对论的正确性，而同时，光速本身则是相对的。让我们回顾一下中世纪人们是如何对待地球是圆的这一事实。因为中世纪的人们认为，如果地球是圆的，一切物体都会从地球表面“滚落”下去。对于他们来说，地球是圆的这一概念是同地心引力相矛盾的。但是我们完全知道，这里根本不存在任何矛盾。道理很简单，因为“上”和“下”这两个概念是相对的，而不是绝对的。光的传播同样如此。要在运动的相对性和绝对性之间的寻找逻辑上的矛盾是徒然的，也是毫无意义的。当我们提出另外一些假定，矛盾就出现了。这就象中世纪的人们认为“上”和“下”是绝对的概念，而拒绝承认地球是圆的一样。他们这种荒诞的概念源于实践经验的缺乏。那时，人们很少有长途旅行的可能。他们只能了解地球表面很小区域的一些情况。显然，同样的情况也可出现在我们面前：由于我们的实践经验不足，只是我们把一些相对的现象，误认为是绝对的。这些现象是什么呢？为了发现我们的错误，今后我们只能接受有实验证实而确定的那些正确的假想。 《在一列火车上》 设想有一列长540万公里的火车，以每秒24万公里的速度作匀速直线运动。假定于某一规定时刻，打开火车中部的一盏灯。再设想，当灯光达到火车首尾的两个车厢时，车厢的门都立即自动打开。这时火车上的人将看到什么现象呢？在回答这个问题时，我们只承认由实验而得到的数据。在火车中间的人将看到下列现象：根据麦克尔逊的实验，由于相对火车而言，光向任何方向传播的速度是相同的，即每秒30万公里。那么光在9秒后同时到达首尾两个车厢。首尾车厢的门也同时打开。相对月台而言，光也以每秒30万公里的速度传播。但是，尾节车厢是迎着灯光运行的。所以灯光是在2700000/（300000+240000）=5秒后与尾车厢相遇。而对首节车厢来说，灯光是在追着它传播的。所以灯光需在45秒之后才能到达首节车厢。对于月台的人来说，首尾两节车厢的门似乎是在不同的时刻打开的，即尾节车厢的门先打开，而首节车厢的门则是在40秒之后才打开。于是，对于在火车上的人来说，首尾两节车厢的门的打开是完全同时的，而对月台上的人来说，首尾两门的打开却相隔40秒。人们在对这一现象的感觉和理解过程中产生了困难。以常识为依据来否定这一新的现象，当然是很自然的事。而麦克尔逊的实验获得的出乎意料的成果，为物理学家们提供了新的事实，并促使他们不顾“常识”的干扰，去进一步观测和探讨诸如两个事物的同时性这类明显而平凡的概念。 《时间和空间有相同的命运》 以前人们认为，从任何角度来看，两个同时发生的现象必然是同时的。然而实验证明这是错误的。因为这个结论只适用于相对静止的参照系。假定有人问我们，两个现象是否真正同时发生，而不涉及任何处于某种状态的参照系。遗憾的是，这样的问题就象并不涉及任何观察点而问两颗行星是否真正处于一条直线上一样毫无意义。事实是这样的：同时性不仅决定于两个现象，而且决定于观察这两个现象时所处的参照系。就象两颗星球是否处于同一直线上，不仅决定于它们的方位，而且决定于观察它们的点。在相对论创立之前，绝对的时空观在物理学中占着统治地位。在时间方面，绝对的时空观认为：时间的量度与参照系的运动无关，也就是存在着与参照系无关的绝对时间。在空间方面，认为空间的量度同参照系的运动无关，也就是存在着同参照系无关的绝对空间。但是，我们发现，时间和空间一样也是相对的，而不是绝对的。所时，“在同一时间”这一概念，正与“在同一地点”一样，都是没有意义的概念。这就是说，必须对一个特定的参照系来论述时间或者空间。如上所述，对于在火车上的人来说，同时发生的两个事件，对于月台上的人来说，就不是同时的，除非我们讲的时间是相对于某一个参照系，否则，关于一个事件发生的时间的说法，就是没有意义的。 《科学胜利了》 时间是相对的这一发现，从根本上改变了人们关于自然界的观念。这一发现是人类理智战胜千百年习惯传统观念的伟大胜利，只有象地球是圆的这样的的伟大发现才能与之相比。它是人类思想上罕见的革命性的变化。时间的相对性这一发现，是二十世纪最伟大的物理学家爱因斯坦于1905年为人类科学做出的伟大贡献。1905年，德国的《物理学杂志》相继发表了这位年轻作者的五篇论文。这些论文，给整个物理学带来了一场翻天覆地的革命，并导致了现代物理学的建立。这时，爱因斯坦还只是一个26岁的青年。爱因斯坦的伟大发现，使它进入人类思想巨人的行列，成为象哥白尼、牛顿一样的人类科学史上的伟大的开路先锋。时间的相对性理论与其一系列有关推论，通常被称为狭义相对论。这一理论不应同运动的相对性原理相混淆。 《速度有其极限》 第二次世界大战前，飞机的速度远远落后于声速。今天，超音速飞机早已出现。无线电波以光的速度传播。那么，我们能否创造出“超光速”电讯设施来传递信息呢？这是根本不可能的。假如能够以无限大的速度传递信息，那么我们就能够建立这样的一种理论：任何两个时间的同时性是绝对的。如果关于第一事件的无限快的信息同关于第二个事件的信息同时到达，我们可以说，这两个事件发生在同一时刻。这样，两个事件的同时性这一概念，就获得了绝对的特点，而不管与这一结论有关的参照系的运动情况如何。但是，实验证明时间的绝对性是不可能的。由此，我们得出结论：信息的传递不可能是瞬时的。从空间一点传到另一点的信息传递速度，不可能大于某一极值，该极值即为速度的极限。这一速度极限等于光速。存在于宇宙的这一最高速的发现，是人类才智的最大胜利之一，也是人类实验能力的最大胜利之一。相对论表明，最高速度的存在决定于物质的内在本质。假定说，科学技术的发展，可使我们得到比光速更大的速度，这就象下面的说法一样荒唐可笑：在地球表面两万公里以外的地方并不存在任何点，但是，如果有人竟希望有朝一日，当地球上地形发生变迁的时候，在更遥远处发现地球上的新点，这显然是十分荒唐可笑的。正由于光速的最大速度，因而才使光速在自然界中发挥如此特别的作用。光速或者可以超过其它一切现象的传播速度，或者至少同其他现象的速度相同。假如太阳一分为二，形成两个星球，那么地球的运动自然也会发生变化。十九世纪的物理学家们由于不了解自然界里存在一个最高速度，他们很自然会设想：一旦太阳分裂成两个，地球的运动立刻会发生变化。但实际是，光从分裂后的太阳传到地球上尚需8分钟之久。这就是说，在太阳分裂8分钟之后，地球的运转才会开始发生变化。在这一时刻之前，地球仍继续按原来的方式运行。在太阳发生分裂后8分钟内，与太阳有关或发生在太阳上的任何现象，将不会对地球本身或者地球的运行产生任何影响。信息传递的最高速度，当然不会排除建立两个现象的同时性的可能性。我们必须做到的，就是注意观察信息的时间滞差。这就是通常的做法。建立同时性的方法，同这一观念的相对性是一致的。的确，为了减小时间的差别，我们必须将以光速传递的信息发生在两个地点之间的距离进行分割。 5. 反复无常的钟表和标尺 《我们再次坐上火车》 假定我们现在再次坐上爱因斯坦火车，在无限长的轨道上奔驰。在这条轨道上有两个车站，它们之间的距离是864,000,000公里。这列火车以每秒240,000公里的速度前进，需要1小时跑完这段路。两个车站各有一只钟表。一位旅客在第一个车站上车时，按车站的钟对了自己的表。当到达第二个车站时，他却吃惊地发现，它的手表慢了。这是怎么回事呢？为了弄清这个问题，让我们假定，这位旅客在车上点起一只火把，放置在车厢地板上。火把发出的光束很快到达车厢顶壁。在车厢顶壁与火把垂直处，有一面镜子，镜子又将光束发射回到火把上。这时旅客看到光束往返的路线是垂直的。但是，月台上的人看到的情景却很不相同。月台上的观察者看到，在光束从火把到达镜子的过程中，由于火车的运动，光线的传播路线是向后倾斜的。在这一过程中，光束经过的路线是一个等腰三角形的两腰长的和。通过这一事实使我们发现，月台上的人看到光束在这一过程中传播的距离是一个等腰三角形的两腰之和。而火车上的人看到光束传播的距离则仅仅等于这个三角形高的二倍。显然，前者的长度大于后者。另一方面，我们知道，光速是一种绝对速度。对于火车上的人和月台上的人来说，光速当然都是相同的。于是我们就得出结论：从月台来看，光从射出到返回所经过的时间要比从火车上看经过的时间长。 《自相矛盾的钟表》 从上面的事实我们很容易计算出这样的结果：从车站上经过了10秒钟，而火车上看仅仅经过了6秒钟。这就是说，根据车站的钟表，如果火车运行一小时到达另一车站，那么按照乘车人的手表，火车仅仅运行了36分钟。换句话说，乘车人的手表要比车站上的钟表每小时慢24分钟。显而易见，这列火车的速度越快，时间滞差就越大。如果将火车的速度提高到接近光速，那么车站上一小时的时间，在火车上的速度就能减小到极小。由此我们得出结论：一切运行中的钟表比静止的钟表要慢。这是否与我们提出问题所依据的相对论相矛盾呢？这是否意味着最快的钟表就是处于绝对静止状态的呢？不是。情况并不如此。因为火车上的钟表和车站上的钟表的快慢，是在完全不同的条件下进行比较的。实际上，这里有三个钟表，而不是两个。这位旅客是根据两个不同车站上的两个不同的钟表来校对他的手表的。相反，如果在这列火车的前后车厢都有一只钟表，当火车飞驰之际，旅客将车站钟表同前后车厢的两只钟表对照时，他就会发现车站钟表所表示的时间，总是落在后面。假定这列火车相对于车站作匀速直线运动，那么，就可以认为火车是静止的，而车站是运动的。自然界的规律对于他们来说都是相同的。当一个观察者相对于它的手表处于静止状态时，他就会发现下列事实：相对于他处于运动状态的钟表，总是比他自己的表快；而且这些运动中的钟表运动的速度越快，它们所表示的时间就越快。这一现象和下面的实例是一个道理：两个站在两根不同电线杆旁边的观察者，都从各自所处的位置来断定他们各自观察电线杆的角度要比对方的观察角度大。 《步入将来》 现在让我们假定，这辆爱因斯坦火车沿着一条圆形轨道，而不是直线轨道运行。火车经过一段时间的运行，就会回到它出发的地方。就象我们在前面讨论过的那样，这时乘车的人就会发现他的手表慢了。而且火车运行得越快，它的手表慢的就越多，如果不断增大火车的速度，直至火车运行速度增大到某一数值时，就可能出现这种情况：乘车人仅仅经过了一天的旅程（根据他自己的手表所表示的时间）回到他出发的车站，对于车站上的人实际上确实数年已经过去了。在这一圆形轨道上旅行的过程中，只有两只钟表——火车上的钟表和出发车站上的钟表。上面讨论的问题是否与相对论相矛盾呢？我们可否认为旅行者是处于静止状态，而出发时的车站则是以爱因斯坦火车的速度沿圆形轨道运行呢？如果是这样的话，我们就会得出这样的结论：车站上的人仅仅经过了一天的时间，而火车上的旅行者则度过了数年。这一结论是错误的。下面我们谈谈为什么是错误的。我们已经讨论过，只有当一个物体不受任何外力的作用时，才能认为这一物体是处于静止状态。正如我们已经知道的，两个静止的物体，可以是相互处于匀速直线运动中。这也就是说，两个相互处于匀速直线运动的物体是静止的物体。但是在圆形轨道飞驰的爱因斯坦火车上的钟表，却承受着离心力的作用，所以我们不能认为这只钟表是处于静止状态的。车站钟表和火车上的钟表所表示的时差是绝对的。假如两个人在分别时，他们的表所指的时间是一致的，然后两人又相会了。处于静止不动或以匀速直线运动的人所携带的表就会快，因为这只表没有经受任何外力的作用。设想我们乘上一列以接近光速飞驰的火车。在这列火车上，可以使我们进入将来，但不可能回到过去。为什么不能回到过去，也就是说，为什么不可能看到过去的事件重演呢？狭义相对论告诉我们，物体运动的速度，只能接近光速，而不能超过光速。实际上人们还未发现过比光速更快的运动。例如，我们可以得到高速运动的电子，它们的速度可以接近光速，但从未发现超光速的电子。进入将来只不过从表面看是矛盾的，实际上这是相对论阐述的客观规律。 |
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