物理世界奇遇记上Word文档下载推荐.docx

1、而是在市政当局为乘客等车方便而设置的长椅上坐着。这是一座美丽的古城，沿街矗立着许多中世纪的学院式建筑物。他揣摩他自己一定是在做梦，但是，大大出他意料之外，他周围丝毫没有发生什么不寻常的事情。对面学院的钟楼上那个大时钟的指针，这时正好指在5点上。街上几乎已经没有车辆往来了，只有一辆孤零零的自行车从上方缓慢地驶来，当它来到近前的时候，汤普金斯先生的眼睛突然由于吃惊而瞪得滚圆。原来，自行车和车上的年轻人在运动方向上都难以置信地缩扁了，就像是通过一个柱形透镜看到的那样。钟楼上的时钟敲完了下，那个骑自行车的人显然有点着急了，更加使劲地蹬着踏板。汤普金斯先生发现骑车人的速度并没有增大多少，然而，由于他这样

2、努力的结果，他变得更扁了，好像是用硬纸板剪成的扁人那样向前驶去。这时汤普金斯先生感到非常自豪，因为他能够理解那个骑车人是怎么回事这正是他刚刚听来的，只不过是运动物体的收缩罢了。“在这个地方，天然的速度极限显然是比较低的，”他下结论说，“我看不大会超过20公里每小时，在这个城市里，人们是不需要使用高速摄像机的。”事实上，这时候在街上行驶的一辆发出全世界最嘈杂的噪声的小汽车，也跑不过这辆自行车，比起来它就像甲虫在爬行那样。汤普金斯先生决定追上那个骑车人他看来是个和善的小伙子问问他这一切是怎么回事。但是，怎样才能赶上他呢？这时，汤普金斯先生发现有辆自行车停靠在学院的外墙边，他想，这大概是属于某个去听

3、讲座的学生的，如果他只是借用短短的一会儿，学生是不会发现丢失的。于是，他看准旁边没有人注意他，便偷偷骑了上去，拼命朝着前面那辆自行车赶去。他猜想他自己马上就会缩扁，并且很为此而感到高兴，因为他不断发福的体形近来已成为他的一桩心事了。然而，出他意料之外，不管是他自己还是他的车子，都没有发生任何变化。相反的，他周围的景象完全改变了：街道缩短了，商店的橱窗变得像一条条狭缝，而在人行道上步行的人则变成他有生以来第一次见到的细高条。“真的，”汤普金斯先生兴奋地感叹着，“我现在看出点诀窍来了。这正是用得上相对性这个词的地方。每一件相对于我运动的物体，在我看来都缩扁了，不管蹬自行车的是我自己还是别人！”他骑

4、车一向骑得很出色，现在他更是使出浑身解数去追赶那个年轻人。但是他发现，骑在现在这辆车上，想加快速度可不是件容易的事。尽管他已经使出吃奶的劲头去蹬车子，车子的速度还是增加得微乎其微。他的双腿开始酸痛起来了，但他驶过路旁两根电灯杆的速度，却比开始时快不了多少。他为加快速度所作的一切努力，似乎什么结果也没有达到。现在他非常清楚地理解到，他刚刚碰到的那辆出租小汽车为什么跑得并不比自行车快了，于是，他记起那位教授所说的不可能超越光速这个极限的话来了，不过他注意到，他越卖力气地蹬，这个城市的街道便变得越来越短，而在他前面蹬车的那个小伙子现在看来也不是那么远了。过了一会儿，他追上了那个年轻人，在他们肩并肩蹬

5、着车子的那一瞬间，他出乎意料地发现，那个小伙子和他的自行车实际上是完全正常的。“哦，这一定是因为我同他之间没有相对运动的缘故。”他作出结论说，接着，他就同那个年轻人攀谈起来。“对不起，先生，”他说，“住在一个速度极限这么低的城市里，你不觉得不方便吗？“速度极限？”对方惊奇地答道，“我们这里不存在什么速度极限。不管在什么地方，我想骑多快都行；至少，要是我有一辆摩托车来代替这辆使不上劲的玩意儿，我就可以想骑多快就骑多快了。“但是，刚才你从我面前骑过时，你的运动是非常慢的，”汤普金斯先生说，“我特别注意到这一点。“哦，你特别注意了，是吗？”年轻人说，他显然有点不高兴，“我想，你并没有注意到，从你开始

6、同我谈话到现在，我们已经跑过个十字路口了。难道在你看来，这还不够快吗？“不过，这些街道已经变得太短了。”汤普金斯先生争辩说。“究竟是我们骑得快，还是街道变得短，这又有什么不同呢？我需要跑过10个岔路口才能到达邮局，如果我蹬得快一点，街道就会变得短一点，而我也就到得早一点。瞧，我们事实上已经到了。”年轻人一边说，一边从自行车上下来。汤普金斯先生也停了下来，他看看邮局的时钟，时钟指着点30分。“瞧，”他得意地指出，“不管怎么说，你跑过10个岔路口，已经花了半个钟头我第一次看到你的时候，学院的时钟正好是点整！“你真的发现已经过去半个钟头了？”对方问道。汤普金斯先生不得不同意说，他确实觉得这仅仅是几分

7、钟的事。不仅如此，当他看自己的手表的时候，他看到手表也只有点分。“啊！”他说，“是邮局的时钟走快了吧？“你可以说是它走快了，当然也可以说是你的手表走慢了。你的手表刚才一直在相对于那两个时钟而运动着，不是吗？那么，难道你还认为有什么别的结果吗？”他有点生气地瞧着汤普金斯先生。“可是说到头来，这又碍你什么事呢？难道你是刚刚从月亮上掉下来的？”说着，年轻人走进邮局去了。经过这番交谈，汤普金斯先生意识到，没有那位老教授在身旁为他解释这一切奇怪的事件，他是多么不幸了。那个年轻人显然是土生土长的，他甚至还没有学会走路，就已经对这些事情司空见惯、不以为奇了。所以，汤普金斯先生不得不靠自己去探索这个奇异的世界

8、。他把手表拨到邮局时钟所指的时间，并且等了10分钟，看看手表走得准不准。结果表明，他的手表并没有毛病。于是，他继续沿着大街骑下去，最后来到了火车站。他决定用火车站的时钟再对一次表。出他意料之外，手表又一次慢得相当多。“得，这肯定又是某种相对论性效应了。”汤普金斯先生下结论说。他决定找一个比骑车的小伙子更有学问的人，问问这到底是怎么口事。机会很快就来了。一个约摸多岁的绅士下了火车，朝车站的出口走过来。在那里迎接他的是一个很老的老太婆，但是更使汤普金斯先生吃惊的是，这个老太婆竟管那位绅士叫“亲爱的爷爷”。汤普金斯先生觉得这未免太过分了，于是，他便以帮忙搬行李为借口，同那个绅士攀谈起来。“请原谅我打

9、听你们的家务事，”他说，“但是，你真的是这位好老太大的爷爷吗？你知道，我是个外地人，从来没有”“哦，我明白了，”绅士说，他的胡子间露出一点笑意，“我看，你一定是把我看做流浪汉或诸如此类的人了（在这个城市里，由于光速非常小，接近于车辆的速度，所以，一个人越常旅行，他就显得越年轻，这样，人们就很容易把那些显得比一般人年轻的人当作流浪汉看待了。译者注）。其实，事情是十分简单的。我的业务要求我经常出去旅行，这样，由于我的生活大部分是在火车上度过的，我比起我那些住在这个城里的亲属来，自然要老得慢多了。这次我能够及时回来，看到我这最可爱的小孙女还活在人世，我是多么高兴啊！但是，对不起，我还得把她送走哩。”

10、于是，他匆匆忙忙地叫了一辆出租车把汤普金斯先生撂下，让他又一次孤零零地去对付他那一堆问题。火车站食堂里的两片夹肉面包大大加强了汤普金斯先生的思考能力，他想了很多。很远，甚至于认定他已经找出那著名的相对论原理的破绽了。“当然啦，”他一面想，一面啜着咖啡，“运动使时间过得慢，这就是他变得比较年轻的原因了。如果像那位教授所说，一切运动都是相对的，那么，那个旅行者在他的亲属看来，既然显得年轻，那么，他的亲属在他看来，也应该显得很年轻啊。不过，这不大对头啊，那个孙女看起来并不比他年轻，她确实比他老啊。白头发不可能是相对的。那么，这意味着什么呢？难道并不是一切运动都是相对的？因此，他决定再作最后一次尝试，

11、弄清这到底是怎么回事，于是他转向坐在食堂里的一个穿铁路制服的单身汉。“劳驾，先生，”他开口说，“你能不能费心给我讲一讲，对于火车上的旅客比老住在一个地方的人老得慢这件事，谁应该负责？“我对这件事负责。”那个人说，干脆极了。”汤普金斯先生喊了起来，“怎么回事”“我是火车司机。”那个人回答说，似乎这就能解释一切了。“火车司机？”汤普金斯先生重复了一遍，“其实，我从小就一直想当个火车司机的。”“但是，这怎么能使人保持年轻呢？”汤普金斯先生十分惊奇地问道。“这个嘛，我也不太清楚，”火车司机说，“但事情就是这样。我是从大学的一个老头那里听说的。他当时就坐在那儿。”他指着靠在门边的一张桌子说。“消磨时间嘛

12、。他告诉我他在做什么工作，当然要比我高一头啦。他胡吹乱侃，我一个字也听不懂。不过，他说这一切都是由于加速和减速而造成的。我还记得一些。他说，不但速度会影响时间，加速度也是这样。每次在火车进站和出站时都要减速和加速，那就会使乘客觉得时间在倒退。不坐火车的人是不会感觉到这种变化的。当火车进站时，你会发现，那些站在月台上的人并不需要紧紧抓住栏杆，也没有像火车上的乘客那种似乎就要跌倒的样子。看来差别就在这里了”他突然停下不说了。突然，一只沉重的手摇撼着汤普金斯先生的肩膀，于是他发现自己并不是在车站的咖啡厅里，而是坐在他听教授演讲的那个大厅的长椅上。这时，天已经黑了，大厅里空无一人。那个把他叫醒的管门人

13、说：“我们就要关门了，先生，要是你还想睡觉，最好是回家睡去。（碧声注：图片扫描效果不好，不过大家应该能看出这位可爱的看门人长得像谁。事实上，原图里他的胸前写着“ALBERT”）汤普金斯先生站了起来，开始朝门口走去。教授那篇使汤普金斯先生进入梦境的相对论演讲女士们，先生们：还在人类智慧发展的最初阶段，人们就已经明确地把空间和时间看做发生各种事件的舞台。这种概念一代一代地传下来，没有什么实质性的改变；并且，从精密科学开始发展以来，它就被用作对宇宙进行数学描述的基础。伟大的牛顿大概是第一个清楚地阐明了古典的时空概念的人，他在他的原理一书中写道：绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事物的，它永远是

14、相同的，不变的。绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动的，不依赖于任何外界事物。过去，人们极其坚定地相信这些古典的时空概念是绝对正确的，因此，哲学家们常常把它们看做某种先验的东西，而科学家们连想也没有想到可能有人对这些概念产生怀疑。但是，在世纪刚开始的时候，人们开始了解到，要是硬把实验物理学最精密的方法所得到的许多结果纳入古典时空概念的框框，就会出现一些显而易见的矛盾。这个事实使当代最出色的物理学家爱因斯坦产生了一个革命的想法，他认为，如果抛开那些传统的借口，就根本没有任何理由把古典的时空概念看做绝对真理，人们不仅有可能、并且也应该改变这些概念，使它们同新的、更精密的实

15、验相适应。事实上，既然古典的时空概念是在人类日常生活体验的基础上建立起来的，那么，要是今天根据高度发展的实验技术建立的精密的观察方法表明，那些旧的概念过于粗糙，过于不精确，它们之所以能够用在日常生活中，能够用于物理学发展的初期，仅仅是由于它们同正确概念的差异相当微小，那么，我们就不应该大惊小怪了。同样，要是现代科学所探索的领域不断扩展，把我们带到两者的差异变得非常巨大、以致古典概念根本无法应用的场合，我们也不应该感到惊讶。使古典概念从根本上遭到批判的一个最重要的实验结果，是人们发现了真空中的光速是一个常数（等于300,000公里每秒），并且是一切可能的物理速度的上限。这个出人意料之外的重要结论

16、，主要是从美国物理学家迈克耳孙和莫利的实验得出的。世纪末，他们千方百计想观察地球的运动对光的传播速度的影响。他们的脑子里还是当时流行的观点，认为光是一种在被称为“以太”的媒质中运动的波。这样，它的表现就应该像在池塘表面上运动的水波那样。当时人们还认为，地球也是在穿过这种以太媒质运动的，很像是一艘在水面上运动的小船。在小船上的乘客看来，小船激起的涟漪朝着小船运动方向向前扩展的速度，要比涟漪向后扩展的速度慢一些，因为在前一种情况下要从涟漪原来的速度减去小船的速度，而在后一种情况下却要把两个速度相加起来。我们把这叫做速度相加定理，这个定理一直被看做是不证自明的。因此，在穿过以太运动时，光的速度同样应

17、该随着它相对于地球运动的方向的不同而显得不尽相同。既然如此，只要测量出光在不同方向上的速度，就应该能够测定地球在以太中的运动速度了。但是，迈克耳孙和莫利却发现，地球的运动对光速根本没有任何影响，不管在哪一个方向上，光的速度都是完全相等的。这个发现使他们本人和整个科学界都大吃一惊。这个奇怪的结果使他们产生了一种想法：也许是非常不巧，在他们进行那个实验的时候，地球在其环绕太阳运动的轨道上正好处在相对于以太静止不动的状态。为了检验事情是不是这样，过了个月，也就是当地球在太阳的另一侧朝着相反的方向运行时，他们又重复做了那个实验。但是，这一次也同样测不出光速有任何不同。既然已经确定，光速的表现同水波的速

18、度不一样，那么，剩下来的可能性就是假定它的表现和子弹相同了。如果我们用小船上的枪射出一颗子弹，那么，在乘客看来，这颗子弹不管是朝哪个方向射出，它离开运动中的小船的速度都是相同的事实上，迈克耳孙和莫利也已经发现，从运动中的地球朝不同方向发射出的光，它们离开地球的速度也全都相等。但是在这种情况下，站在岸上的观察者就会发现，朝着小船前进方向射出的子弹的运动速度，要比朝着相反方向射出的子弹更快一些：在前一种情况下，小船的速度会同子弹的出膛速度相加在一起，而在后一种情况下，却要从子弹的出膛速度减去小船的速度而这同样是速度相加定理告诉我们的。与此相应，我们也应该认为，从某个相对于我们与运动的光源发射出的光

19、，它的速度必定会随着同运动方向所形成的发射角的不同而不同。但是，实验告诉我们，实际情形也不是如此。我们就拿电中性的介子作为例子吧！介子是一种非常小的亚原子粒子，它在衰变时会发射出两个光脉冲。已经发现，不管这两个脉冲的发射方向同原来母介子的运动方向有什么关系，它们射出的速度总是相同的，甚至在介子本身以接近于光速的速度运动时也是这样。于是我们发现，前面提到的两种实验都没有得到预期的结果：前一种实验表明，光速的表现同常规水波的速度不一样；而后一种实验则表明，光速的表现也不同于常规子弹的速度。总而言之，我们的发现是：不管观察者在做什么运动（我们是从运动中的地球上进行观察的），也不管光源在做什么运动（我

20、们所观察的是从运动中的介子发出的光），光在真空中的速度总是具有恒定的值。我前面提到过，光速有另外一个性质光速是无法超越的极限速度。这又是怎么回事呢？“啊，”你们可能会说，“难道不可能把若干个比较小的速度相加起来，构成一个超过光速的速度吗？举个例子吧！我们可以设想有一列跑得非常快的火车，就说它的速度等于光速的吧，再设想有一个人在车顶上朝火车头跑去，他的速度也等于光速的。按照速度相加定理，这两个速度合成的总速度应该等于光速的15倍，因此，那个在车顶上跑的人应该能够赶上并超过路边信号灯所发出的光束。但是，实际情况是：既然光速固定不变是一个实验事实，所以，在现在所说的这个例子里，合成速度就必定小于我们

21、上面所预期的速度值它不能超过极限值。因此，我们应该得出结论说，即使对于比较小的速度来说，古典的速度相加定理也肯定是不正确的。关于这个问题的数学处理，我不想在这里细说，但是我可以告诉你们，在计算两个叠加运动的合成速度方面，它得到了一个非常简单的新公式。如果v1和v2是那两个要相加的速度，c是光速，那么，合成速度与原来速度的关系应该是（）从这个公式可以看出，如果原来两个速度都很小我说很小，是同光速相比较而言的那么，上式分母的第二项同相比较，就可以略去不计，这时，你所得到的就是古典的速度相加定理。但是，如果v1和v2都不算小，那么，你所得到的结果就总是比这两个速度的算术和小一些。例如，在上面所说的那

22、个人在火车顶上奔跑的场合下，v1=（3/4）c，v2=（3/4）c，这时，用上面公式得出的合成速度，v=（24/25）c，这仍然小于光的速度。在一种特殊的场合下，即当原来两个速度当中有一个等于的时候，不管另一个速度有多大，用公式（）所得出的合成速度都等于。由此可见。不管把多少个速度相加起来，也永远得不到比光速更大的速度。你大概也乐意知道，这个公式已经由实验加以证明了人们在实验中确实发现，两个速度的合成值总是小于它们的和。既然我们承认速度有一个上限，我们现在就可以着手批判古典的时空概念了。在这里，我们的第一支箭要对准根据这种概念建立起来的同时性概念。“你把火腿炒鸡蛋端上你在伦敦的餐桌，正好与开普

23、敦矿井中那些炸药的爆炸同时。”当你说这句话的时候，你一定认为，你知道你的意思是什么。但是，我马上就要指出，你并不知道你自己在说什么，并且严格他说，这句话是没有任何确切含意的。事实上，你有什么方法可以检验这两个事件到底是不是同时发生在两个不同的地方呢？你会说，只要在发生这两件事时，那两个地方的时钟指着同一个时刻就行了。但是，这时马上产生了一个问题：你怎样把这两个离得很远的时钟弄到一块，让它们同时指着同一个时刻呢？这样一来，我们就又回到原先的问题上来了。由于真空中的光速不依赖于光源的运动状态和测量光速的系统，这件事是一个最精确地确定了的实验事实，我们就必须认为，下面所要介绍的测量距离和核对不同观察

24、站的时钟的方法，是最为正当的方法，并且，要是你稍稍多想一想，你就一定会同意说，它同时也是惟一合理的方法。设想我们从站发出一个光信号，让这个光信号一到达站，就马上返回站。这样，在站记录到的从发出信号到信号返回站的时间的一半，乘上固定不变的光速，应该就是站与站的距离。如果在信号到达站的瞬时，当地的时钟正好指着站在发出信号和收到信号的瞬时所记录下的两个时间的平均值，我们就说，站和站的时钟是彼此对准了的。对固定在一个刚体上的各个观察站，用这种方法把时钟一一对准，我们最后就得到了我们所希望有的参考系，因而就能够回答两个在不同地点发生的事件是否同时的问题了。但是，这些结果会不会为另一个参考系中的观察者所认

25、可呢？为了回答这个问题，我们假定这两个参考系是固定在两个不同的刚体上的，或者就说是固定在两枚以同一固定不变的速度朝相反方向飞行的长火箭上吧。现在我们来看看，这两个参考系的时间怎样才能彼此对准。假定每一枚火箭的头尾两端各有一个固定不动的观察者，这个观察者首先必须把他们的表彼此对准。这时，每一枚火箭上的两个人，都可以把前面所说对准时钟的办法变通一下，把他们的表彼此对准。这就是从火箭的正当中（这可以用量尺测量好）发出一个光信号，当这个信号从火箭的正当中传到它的头尾两端时，每一端的观察者就都把自己的表拨到零点。这样，按照前面的规定，这两个观察者已经把他们自己那个参考系中的同时性标准确定下来，把他们的表

26、“对准”了当然啦，这是从他们自己的观点出发来说的。现在他们决定看看他们火箭上的时间记录是不是同另一枚火箭上的记录相符。譬如说，当处在不同火箭上的两个观察者彼此擦身而过时，看看他们的表是不是指着同一个时刻？这可以用下面的方法来检验：他们在每一枚火箭的几何中点插上一根带电的导体，让两枚火箭互相掠过，且它们的中点彼此对准时，在两根带电导体之间跳过一个电火花，这样一来，光信号便同时从每一枚火箭的中点向两端传播，如图（）所示。过了一会儿，火箭上面的观察者2A和2B所看到的情形表示在图（）上。这时火箭已经相对于火箭运动开了，两个光束朝着前后两个方向移动了相等的距离。但是请大家注意这时发生了什么事情。由于观

27、察者1B是朝着向他射过来的光束运动的（在观察者2A和2B看来，情形就是这样），所以在火箭上向后行进的光束已经到达观察者1B的位置。按照2A和2B的看法，这是因为这个光束所需要走过的距离比较短。因此，观察者1B便把他的表拨到零点，而其他人都还没有动作。在图（）中，光束已经到达火箭的两端，这时观察者2A和2B便同时把他们的表拨到零点。只有到图（）的情况出现时，火箭上向前传播的光束才到达观察者1A的位置，使他觉得是该把自己的表拨到零点的时候了。这样一来，我们就可以知道，在火箭上的两位观察者看来，火箭上的那两位并没有对好他们的表他们的表不会显示出相同的时间。当然啦，我们也很容易表明，在火箭上面的观察者

28、看来，火箭上也发生了同样的情形。按照他们的看法，“静止不动的”正是他们自己的火箭，而在进行运动的应该是火箭。现在是观察者2B在朝着射向他的光束前进，而2A却对着光束倒退。因此，在观察者1A和1B看来，是2A和2B没有把他们的表对好，而他们自己却是把表对好了的。其所以会出现这种看法上的差异，是因为当几个事件发生在分隔开的地方时，这两组观察者就必须先进行计算，然后才能决定这些被分隔开的事件是不是同时发生；他们必须扣除光信号从遥远的地方传到他们那里所花费的时间，并且坚定地认为相对于他们来说，来自任何方向的光的速度都是恒定不变的（只有当几个事件发生在同一个地方，也就是不需要进行计算时，才能对这些发生在

29、那个地方的事件是否同时作出普遍认可的判断）。既然这两枚火箭的地位是完全平等的，所以，要解决这两组观察者之间的争论，就只能够说，这两组观察者的说法，从他们各自的角度看来都是正确的；而究竟哪一方是“绝对”正确的问题，则没有任何物理意义。我怕我这番冗长的议论已经把大家弄得十分疲倦了，不过，要是你们很细心地从头听下来的话，就一定会明白，一旦采纳我们上面所说的时空测量方法，绝对同时的概念就不复存在了在某个参考系中的同一时间但在不同地点发生的两个事件，在另一个参考系看来，将变成被一定时间间隔分隔开的两个事件。这种说法乍一听来是极端反常的。但是，如果我说，你在火车上吃晚饭的时候，你的汤和点心都是在餐车上同一个地方，但却是在铁路上相距很远的两个地方吃下去的，那么，你是不是也会觉得反常呢？其实，关于你在火车上吃晚饭这个例子，也可以换一种说法，说成是，在某个参考系中的同一地点，但在不同时间发生的两个事件，在另一个参考系看来，将变成被一定空间间隔分隔开的两个事件。把这种“正常”的说法同上面那种“荒谬”的说法比较一下，你就会看出，这两种说法是完全对称的，只要把“时间”和“空间”