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同时性的相对性是无意义的吗?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-11-26 09:16:56

不。这是违反直觉的;但它在逻辑上是一致的,它符合实验事实,而绝对同时性的概念符合我们的直觉,但不符合观察到的事实。

那么,为什么我们的直觉与观察到的事实不符呢?因为我们的直觉是在这样一种环境中培养出来的,在这种环境中,我们所处理的绝大多数事物相对于光而言实际上都处于静止状态;在这么低的速度下,同时性在实际用途上可能是绝对的。

但当你所处理的速度开始达到光速的重要部分时,很快就会发现我们的直觉并不成立。

在19世纪60年代,麦克斯韦发表了他描述电磁现象的方程式,将之前发现的一些涉及电和磁的定律结合在一起。有趣的是,在没有任何电或磁现象的情况下,这些方程最终包含了一个速度,这个速度只与描述空间电和磁特性的常数有关——也就是我们今天所说的真空。事实证明,这个速度与光速的测量结果完全吻合,这是光可能也是一种电磁现象的主要线索。

但那是另一回事了;不要紧。无论如何,这里相关的一点是,根据麦克斯韦方程预测的光速是恒定的,它不取决于发射辐射的物体的速度。每个人都认为这种辐射,这些电磁波,通过传播媒介,他们叫做Æther,光速,麦克斯韦方程预测是相对于Æ其他。但大约25年后,迈克尔逊和莫雷进行了实验来确定地球正以多快的速度通过Æ,通过测量光速的速度在不同的方向,他们的想法是,光线穿过Æ其他相同方向的地球将是衡量相对较慢的速度比光运动相反的方向;并通过比较这些速度,它们可以快速计算出地球是穿过Æ其他。地球上已知的运动(如旋转的轴或围绕太阳旋转)考虑在内:地球表面的旋转在大约460米每秒在赤道,所以中午测量光速与光速相比较在午夜将会产生不同的920米每秒。同样地,地球以每秒30,000米的速度绕太阳公转;所以1月的测量和7月的测量应该能测出光速的差异大约是每秒60000米。迈克尔逊和莫雷的测量相当精确,足以探测到这类速度的变化,他们的测量非常小心。但无论他们做了什么,他们继续得到完全相同的结论:地球的速度通过Æ总是零。

这种令人困惑的状态又持续了大约35年,直到爱因斯坦发表了相对论。爱因斯坦看着麦克斯韦方程和迈克耳逊莫雷实验通过不同的范式:他折扣的所有假设,如存在Æ,假定只有两件事:所有的惯性参考系都是有效的(不管你何时何地进行实验,也没有哪条路东方,也不移动速度;同样的物理定律总是适用),根据麦克斯韦方程和迈克尔逊·莫雷实验,光速在每个参照系中总是相同的。其他的一切都源于这两个假设。

我喜欢用闵可夫斯基的时空图。在图中,x坐标表示一个空间维度(我们称之为“向前和向后”),而y坐标表示时间的流逝(“未来和过去”)。图上的点表示事件:此时此地或彼时此地发生的某件事。我们来看一个例子:

同时性的相对性是无意义的吗?

在这个图中,三条黑线代表了三个静止的物体的时间线:无论什么时间(y坐标),它们的位置(x坐标)都是不变的。可以把它们想象成火车的前部、中部和后部。蓝色的线代表时间的瞬间:火车的前部、中部和后部曾经在某个时刻(底线),现在在哪里(中间的线),以及未来某个时刻将在哪里(顶部的线)。

黄色的线条代表两束光:一束从火车的后面移动到前面,另一束从火车的前面移动到后面。它们是定时的,所以它们同时从火车的两端发射出来,同时从火车的中心穿过,同时到达火车的两端。

现在,在爱因斯坦的突破之前,下面是每个人想象的如果火车以光速的一半的速度运行会是什么样子:

同时性的相对性是无意义的吗?

所有这些都很好,整洁,一致。但有一个问题:光束的运动方式并不像迈克尔逊·莫雷实验证明的那样。由于这些实验的证据,以及爱因斯坦的第二个假设,闵可夫斯基时空图中的光束必须总是用对角线来表示,表示一单位时间一单位空间的一致速度:

同时性的相对性是无意义的吗?

但这里的问题是,这些事件不再匹配:在这个参照系中,从火车后部发出的光必须比从火车前部发出的光要早。

爱因斯坦意识到,为了让他的两个命题都成立,他必须放弃绝对时间的概念:在一个参照系同时发生的事件在每个参照系中也同时发生。没有这个假设,他可以得到一个一致的结果:

同时性的相对性是无意义的吗?

在这个图表中,蓝线表示列车参考系中同时发生的事件。注意当火车倾斜时,它们是如何倾斜的。这就是同时性的相对性。

这也解释了为什么光速是绝对的最大速度的真正原因。在爱因斯坦之前的图表中,你可以将代表火车的线倾斜到你想要的程度,而光的运动也会相应地调整。但在爱因斯坦的理论中,运动越向左向对角线倾斜,同时运动的线越向上向对角线倾斜;小费,当你运动到对角线,你同样提示更新同步事件的对角线行:这就产生了奇异的情境,点代表过去,现在和未来的火车配合点表示,中心,火车在一个单独的实例。换句话说,所有这些概念都瓦解成一个没有前前后后,没有未来和过去的实体。

正是这种在不同参照系之间的时空转换阻止了光速的实现;同时性的相对性是其中的关键部分。
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