时间的形状：相对论史话-3

小爱的梦：环球快车谋杀案之犯罪现场调查。凌晨5点，爱因斯坦卧室。一阵急促的电话铃声惊醒了熟睡中的爱因斯坦，爱因斯坦从被窝中伸出一只手，拿起了电话，问道：“喂，什么事？”电话传出的声音：“警长，环球快车上发生枪案，一死一伤，嫌犯受伤，请您速来现场！”爱因斯坦说：“我马上就到。”爱因斯坦警长从床上蹦起来，穿衣出门。天蒙蒙亮，环球快车伯尔尼站，一列银白色的外形酷似鱼雷的火车停在站台上，车身上刷着一行标语：环球快车，一小时环球旅行。现在，车站四周拉起了警戒线。一个探员上来迎接爱因斯坦，一起边朝火车走去边跟爱因斯坦介绍案情。探员说：“警长，我们30分钟前接到一位女士的报案，声称环球快车上发生枪案。我们赶到现场的时候，发现两名男子分别倒在车厢的两头，其中一人头部中弹，当场死亡，另外一人只是手臂中枪，没有生命危险，目前正在列车上的医务室休息，他拒绝回答我们的问题，说一定要见到我们的上司才肯开口。案发当时除了这三人，该车厢没有其他人。”爱因斯坦问：“那个报案的女士呢？”探员：“报案的女士叫艾尔莎，是一位年轻漂亮的小姐，我们赶到时她正在给受伤男子包扎手臂，她声称枪击双方都是自己的朋友，其他的就不肯说了，也是要等您到才肯开口。”枪案发生所在的列车车厢，三四名探员正在仔细勘察现场。爱因斯坦看到死亡男子已经被搬离了现场，在他倒地的地方用白色的粉笔勾勒出了一个人形，在车厢的另一头也用白色粉笔勾出了一双白色的脚印，看位置可以想象出案发当时受伤男子坐在地板上，背靠着车厢壁。爱因斯坦看到在列车的中部走道上，有一盏自制的电灯还在亮着，这盏灯跟普通的电灯没有什么两样，只是上面似乎多加了一个自动延时装置。探员说：“警长，这盏灯我们刚才已经试过了，在打开开关后，它会延迟5分钟再亮，不知道有什么用意。”爱因斯坦没有回答探员的话，只是简单地说了声：“走吧，我们去医务室。”列车医务室，艾尔莎坐在椅子上，表情忧郁。她边上坐着一位英俊的年轻男子，上臂靠肩的位置包扎着纱布，隐隐有血迹浸出来，表情非常镇定。爱因斯坦在他们对面的椅子上坐下来，对年轻男子说：“我是爱因斯坦警长。”男子：“我是泡利。”爱因斯坦：“中枪的男子你认识吗？”泡利：“认识，他叫狄拉克，我们是情敌。”爱因斯坦转头看着艾尔莎，报以询问的目光。艾尔莎忧郁的说：“是这样的，可惜我晚来了一步。”爱因斯坦：“泡利，这么说，你和狄拉克先生是为了这位小姐在决斗了？”泡利：“是的，警长，我们在决斗，为了神圣的爱情。”正文 第34节：爱因斯坦和狭义相对论(8)爱因斯坦问艾尔莎：“泡利先生和狄拉克先生同时爱上你，是这样吗？他们之前提到过决斗这回事吗？”艾尔莎哭泣了起来：“他们总是在我面前争吵，逼我从他们中选一个，可是我实在不知道该选哪一个。昨天晚上，我看到他们俩留给我的一封信，说要在环球快车上决斗，让我嫁给胜利的一方。信上有他们的亲笔签名，我看到信以后立即往车站赶，终于在开车前一分钟登上了火车，但我不知道他们在哪节车厢，等我找到他们的时候，一切都已经晚了。”爱因斯坦：“泡利先生，根据决斗法案，如果你能提供证据，证明你们俩之间的决斗是完全公平和自愿的，你将无罪。”泡利从上衣口袋中拿出了一份文件，递给爱因斯坦，说：“这份文件是我们俩商定的决斗规则，有我们的亲笔签名，请过目。”爱因斯坦接过文件，阅读起来。泡利继续说：“我们的决斗规则是这样，我和狄拉克分别站在车厢的两头，在我们的正中间放一盏灯，这盏灯在按下开关后，会延迟5分钟亮起。我们约定，当我们看到灯亮起的刹那，就可以互相开枪射击。我们站立的位置有脚印，可以证明我们距离灯的位置完全相同。”爱因斯坦看完文件，想了一下，说：“光速是恒定的，这个规则看起来的确公平，但是必须要有证据证明你确实是在看到灯亮起后才开的枪，否则，你将被以一级谋杀罪指控。”泡利：“这很容易，我们之所以选择在环球快车上决斗，就是因为环球快车上每节车厢都有全世界最先进的高速影像记录仪，只要调出记录仪的画面记录，就可以证明我是在看到灯亮以后才开的枪。”一个探员在边上说：“警长，灯的位置我们已经仔细测量过，确实如泡利先生所说，离他们脚印位置的距离完全相等。”爱因斯坦说：“那么我们现在就一起去列车的影像记录仪室，我们当场查证。”影像记录室。一位工作人员正在屏幕前调阅影像，他一边操作仪器，一边对众人说：“该仪器目前是全世界最先进的影像记录仪，理论上它可以无限放慢画面，甚至连光的运动都能看得一清二楚。找到了，这个时点记录的画面就应该是案发当时的影像，警长你可以操作这个旋钮来前进或者后退画面。”车厢中泡利和狄拉克两人正站在车厢的两头，手都放在腰间的枪套上，屏幕右下角显示：Time:4:15:20:345:667爱因斯坦轻轻地转动旋钮，屏幕右下角的数字跳动着。只见车厢中间的灯泡上的灯丝慢慢地变红，然后渐渐地由红变黄，然后又由黄转白，接着突然整个灯丝被一个黄白色的光球包裹了起来。爱因斯坦知道此时灯亮了，他继续转动旋钮。黄白色的光球迅速扩大，就像一个膨胀的气球。爱因斯坦小心翼翼地转动着旋钮。光球迅速膨胀开，一下子就把整个车厢都包裹进去，整个车厢都被照亮。正文 第35节：爱因斯坦和狭义相对论(9)所有人都看得很清楚，光球同时到达泡利和狄拉克所在的位置，到达的时候，双方的手都没有动。图4-1从车上看到的决斗现场屏幕右下角的数字在跳动，但是整个车厢就跟定格了一样，等了很久，双方都没有动。爱因斯坦说：“怎么回事？”工作人员说：“请加快10000倍，警长！”爱因斯坦恍然大悟，说：“是的，我怎么忘记了，人的反应在光速面前是多么微不足道。”屏幕右下角的数字快速跳动起来。终于，人们看到了两人几乎同时拔枪的画面，但泡利的动作稍稍快了一点点，两束火光从两把枪口冒出来。接着，两人都在倒地上。隔了一会儿，艾尔莎女士撞开车厢门，冲了进来，当场呆在原地。爱因斯坦按下停止键，说：“看来，事情都清楚了，泡利和狄拉克先生自愿决斗，决斗规则公平合理，双方也都遵守了规则，这样的话，泡利先生应该是无罪的。但我不是法官，我会把我的意见在法庭上陈述，在此之前，泡利先生必须被限制行动自由。”爱因斯坦松了一口气，点上一支烟，走出列车，准备收工回家。突然，他听到背后有人大声喊道：“警长，等一等。”一位头戴礼帽的中年绅士急匆匆地从远处跑来。中年绅士还没站定，便大声说道：“警长先生，我是狄拉克的哥哥，我叫玻尔，请您别被无耻的杀人犯蒙骗了，我有证据证明这是泡利精心设计的一场谋杀。”爱因斯坦问：“您有什么证据？”玻尔说：“请跟我来警长，我有证据显示给您看。”爱因斯坦问：“我们去哪里？”玻尔说：“我的职业是环球快车的监控员，我得知弟弟出事的消息后，就立即赶到了车站。哦上帝，我真难以相信我的眼睛，我可怜的弟弟就这么轻易地被夺去了年轻的生命。泡利说这是一场公平的决斗，我刚开始也误信了，因为我也调阅了车厢里面的影像记录仪的画面，看到了当时的那一幕。从车厢记录仪的画面上来看，他们确实同时看到了灯光，并且都是在看到灯光之后才开的枪。但是我总有一种直觉，事情没有这么简单。我查阅了枪案发生的那个时点，环球快车恰巧通过巴黎站，我于是就去调阅了巴黎站站台上的影像记录仪，那个站台也安装了最先进的影像记录仪。于是，我看到了完全不同的一幕。”环球快车伯尔尼站的监控室玻尔熟练地操作着各种仪器，很快，画面被定格在了环球快车通过巴黎站的影像，站台上的影像记录仪非常灵敏，从列车的窗户中可以清晰地看到车厢内的影像。玻尔一边操作一边解说：“警长，请注意，泡利的位置是在车尾方向，狄拉克的位置是在车头方向。看，灯光亮起来了，警长，请注意，此时环球快车正以每小时3万公里的速度行驶着，你看，当黄白色的光球扩散开的时候，泡利是迎着光球的方向运动，而狄拉克刚好相反，他正朝着光球前进的方向运动。警长，我现在定格在这个位置，你看，当泡利与光球相遇的这个时点，光球还没有追上狄拉克。也就是说，泡利先看到了灯亮起，并不是像他所说的同时看到了灯亮起。他是个无耻的杀人犯，他必须为我弟弟的死负责，他欺骗了我们，警长。”正文 第36节：爱因斯坦和狭义相对论(10)图4-2：从站台上看到的决斗现场爱因斯坦看着影像记录仪的画面，脑中一片空白，他不敢相信眼前看到的一切。短暂的空白之后，爱因斯坦恢复了神智，他把整个事件在脑子里回放了一下，一字一顿地说：“列车上的仪器记录的是真实画面，没有造假；站台上的仪器记录的也是真实画面，没有造假。从列车上的角度来看，他们俩确实同时看到了灯光，但从站台上的人看来，泡利确实比狄拉克先看到灯光。这一切都是因为光速与光源的运动无关，也就是光速恒定不变造成的。从这件事情上来说，时间也是相对的，对于列车的人和站台上的人来说，没有真正的同时，任何所谓同时发生的事情，都只能是对在同一个惯性系中的人才能成立。”玻尔说：“警长，站台上仪器记录的画面是确凿无疑的证据，泡利的决斗规则是不公平的，对泡利有利！他应该被指控一级谋杀罪。”爱因斯坦说：“玻尔先生，我只能把我的观点如实的陈述给法官，至于法庭怎么判断，我无权干涉，您提供的证据非常重要，我非常感谢您。”说完，爱因斯坦转身离去，玻尔在后面生气地大声吼道：“阿尔伯特，你这个蠢货，你怎么能无视证据的存在，你给我醒醒！你给我醒醒！”爱因斯坦突然感到很奇怪，玻尔的喊声怎么不见小呢，我在走远，但这喊声怎么越来越大了，爱因斯坦突然感到脸上一阵疼痛，他惊醒了。他看见米列娃在床边一次又一次打自己的脸，嘴里还叫着：“阿尔伯特，你今天怎么睡过头了，快点，你这个懒猪，该去上班了，要迟到了！”爱因斯坦一骨碌爬起来，跌跌撞撞着赶紧穿戴好，夹着公文包出门了。同时性的相对性小爱来到自己的办公室，打开抽屉，昨天那张草稿纸还静静地躺在那里，自己在上面写下的两句话赫然在目。他喃喃自语：“光速不变，光速不变到底意味着什么？”他恍惚记得昨天晚上似乎做了一个很精彩的梦，他努力地想要回忆起梦中的情节，但是怎么都想不起来了，只记得梦中的他似乎说过“时间是相对的，没有什么是真正的同时”这样的话。他还恍惚记得昨天晚上的梦跟火车有关。为了帮助自己回忆，小爱埋头在那张稿纸上画了一段铁路，又画了一个长方形表示火车，他又想起点儿什么，于是又在火车中间画了一个小人，他感觉就要想起来了，突然，局长哈勒（根据爱因斯坦全集记载，他也是物理爱好者，后来成了小爱的粉丝）的声音从门口传来：“阿尔伯特，客户来催前两天提交的那个申请了，你审查得怎样了？”小爱吃了一惊，用肚子朝抽屉一顶，迅速合上了抽屉，局长刚好走进来。小爱赶忙说：“这就好了，局长。”局长走了以后，小爱擦了一把汗，再次悄悄地打开抽屉，可是这次思路被打断后，他怎么也想不起来昨晚的梦了，但是幸好他还没忘记梦中得出的结论——没有什么真正的“同时”，车上的人认为是同时发生的事情，到了站台上的人的眼里，就不再是同时发生的。经过一番思绪整理，小爱想出了另外一个故事，这个故事后来又被小爱郑重地写入了他那本广为流传的著作《相对论浅说》中，下面我们就来看看这个广为人知的故事，但是世人却不知这个故事的背后还有那个环球快车谋杀案的故事。正文 第37节：爱因斯坦和狭义相对论(11)大家都知道的故事是这样的：在铁路的路基上，雷电同时击中了相隔很远的A点和B点，如果我问你，这句话有没有意义时，你一定会不假思索地回答我说“有”。但是如果我让你解释一下这句话的准确意义时，你在经过一番思考后会发现这个问题貌似不像原来想象的那么容易回答。你很可能会这么回答我：“这句话的意思本来就很清楚，没有必要加以解释。”但这么回答，显然是无法让我感到满意的。那么我们这么想，如果有一个气象学家宣称他发现某种闪电总是能同时击中A点和B点，这时候总要提出一种实验的方法来验证他所说的对不对吧？对于严谨的物理学家来说，首先要给出一个同时性的定义，然后还得有实验方法能验证该定义是否能被满足，如果这两个条件没有达成的话，那么那个气象学家就是在自欺欺人了。好了，经过一段时间的思考后，你提出了一个检验同时性的方法，你说请把我放到铁路上A，B两点正中间的位置，然后通过一套镜子的组合能让我同时看到A，B两个点，如果闪电发生的时候，我能在同一时刻感觉到闪光，那么这两道闪电必定是同时击中了A，B两点，于是你提出同时性的定义就是一个人能在同一时刻感受到闪电的闪光。我很高兴你能提出这个定义，当然这个定义的前提还得加上你在A，B两点的中点上。好了，接下去我们考察一下这种情况：有一列火车在路基上开动着，此时，突然有两束闪电击中A，B两点。现在，你在A，B两点的中间同时看到了闪光，所以，你会毫不犹豫地认为这两束闪电是同时发生的。但是，如果在闪电发生的那个瞬间，在A，B的中点的火车上也有一个人，火车一直在朝着B点方向运动，因为光速是恒定不变的，所以你站在地面上，会认为B点的闪光比A点的闪光先到达这个人的眼里。于是就出现了这样一种奇怪的结论：你认为这束闪电以路基为参考系时是同时发生的，但是以火车为参考系时，对于火车上那个人来说却是先后发生的。图4-3行驶中的火车上的人会认为闪电并不是同时发生这是怎么回事呢？这说明了同时性也是相对的，当以路基为参考系时是同时发生的事情，但换成了以火车为参考系时，却不是同时发生的了，反过来也是如此。每一个参考系都有自己的特殊时间，如果不指明参考系，宣称一件事情同时发生是没有任何意义的。这乍听起来似乎很荒谬，在我之前的物理学家一直都在给时间赋予绝对的意义，而我认为这种绝对的意义与我们前面讲的那个最自然的同时性定义并不相容，如果我们能坦然地抛弃我们对时间的绝对化的概念，则真空中光速恒定不变就会变得可以理解和接受。不知道各位读者是否听明白了爱因斯坦关于闪电击中铁轨的这个故事，不管你现在是不是如坠云里雾里，一会儿在想那个环球快车，一会儿又在思考这个闪电的问题，总之爱因斯坦是在告诉我们这样的一个概念：只要当你抛弃绝对时间这个概念之后，一切都会变得很好理解。或许你已经对火车感到厌烦了，但请原谅我们的爱因斯坦先生，在他那个时代火车已经是地球上跑得最快的东西了。我们这就举一个现代点的例子让你试图抛弃根深蒂固的绝对时间的想法。比如说，你坐着一艘飞船以接近光速的速度向宇宙深处飞去，在出发的时候地面上有一束光跟你同时出发。此时，在地面上观看飞船发射的亲人会看到，你和那束光齐头并进，几乎不分前后地朝着宇宙深处进发。而视角切换到你身上，你会看到什么呢？你依然会看到身边这束和你同时发出的光瞬间就远离你而去，远离你的速度仍然是光速C。如果你对这幅景象仍然百思不得其解的话，那说明，时间的绝对化概念在你的脑子中仍然根深蒂固，牢牢占据着你的思维常识，你刚刚觉得自己有所理解了，可想着想着又想不通了，因为绝对时间的概念又再次回到了你的脑袋中。就像前面这个例子，如果你能意识到你在飞船上感受的时间和你在地面上的亲人感受的时间是不同的，你的一秒钟相当于他们的一小时，你就不难理解为什么你仍然看到那束光瞬间远离你而去，因为你所感觉到的快，就是在1秒钟内，那束光就跑得很远很远了，这就叫快，而对于地面上的人来说，他们看到那束光用了1个小时才拉开和你的距离。我知道，即便是我这样说，依然仍然很难打消你对时间的绝对化概念，下面我将继续用一个直观的思维实验来帮助你理解时间是相对的概念，并且我们将从这个思维实验中亲手推导出流芳千古的“相对论因子”，准备好了吗？这就开始我们的头脑风暴。本书精华已为您连载完毕，谢谢阅读。天天读书网（www.book.d78i.com）整理