第二章：相对论：空间和时间

宇宙有开端吗？如果有的话，在此之前发生过什么？

——霍金

光如何产生？光如何在空间里传播？光如何出现？光是什么？颜色是否为光必不可少？对于这许许多多的问题，科学已经作出了部分解释，但归根结底，这些问题尚未解答。关于光的性质，还有很多谜，直到现在也无法用科学解释。不过，20世纪初，在人们了解光、研究光的过程中，相对论和量子论带来了物理学的两场革命。为建立这两个理论体系，许多科学家都作出了重要贡献，其中最为突出的是爱因斯坦。

爱因斯坦
20世纪最伟大的物理学家

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955），闻名于世的德裔美国科学家，现代物理学的伟大开创者和奠基人。

复读加逃学

1896年，一位向往自由的年轻人走进了瑞士苏黎世的联邦工科大学。而在去年的考试里，他还是个落榜生。爱因斯坦舍弃德国国籍来到瑞士，主要是为了逃避兵役。而这条自由之路却通向发现之路，爱因斯坦就这样开始了他的研究生涯。本性所驱，爱因斯坦厌倦大学里那些循规蹈矩的课程，却把兴趣投向了那些自己感兴趣的书籍，尤其是基尔霍夫和麦克斯韦等物理学家的论文和哲学家马哈的著作。至于考试，爱因斯坦则要仰仗他的好友葛罗斯曼的笔记了。终于，爱因斯坦的所作所为引起了一位教授的愤怒。爱因斯坦为他的逃课付出了惨痛代价——因缺席某次实验研究课受到严厉的警告，并在他的大学的档案里留下了不良记录。

双重打击

1900年8月，爱因斯坦毕业了，他目睹了同届友人们留校任教，开始对自己就业无着落的生活进行反思。谋职的压力没有击垮他，他开始酝酿一篇不可思议的论文。论文的内容是关于分子运动研究的。虽然爱因斯坦的相对论广为人知，其实他的研究领域十分广泛，尤其是关于统计力学的研究——他早期论文的主要目标。1908年，爱因斯坦终于找了一份在大学担任代课老师的工作。对他而言，这份工作并不值得骄傲，因为他的目标是更多更广更深的研究。

在他教书工作空当时，爱因斯坦依然写着关于分子运动的论文，然而送到苏黎世大学的审读结果却是被否定。同时，他写给大学同学关于希望在大学谋职的信也遭到了回绝。先是渴望得到助教工作却没被录用，接着又是研究论文不被认可，双重打击让他感受到了刻骨铭心的挫败感。

惊人的转身

爱因斯坦得以踏出新方向的第一步，完全得归功于他的友人葛罗斯曼的大力协助。在葛罗斯曼父亲的大力推荐下，爱因斯坦才终于在瑞士首都伯尔尼专利局找到一份工作。对于在伯尔尼的那段日子，真可说是爱因斯坦一生中最幸福的时光了。因为他只要完成专利局的工作，就可以利用充裕的时间思考他的论文了。在以后的日子里，他和友人哈比希特、索罗文共同创立了名叫“奥林比亚学院”的研讨会，开始终日沉湎于物理、数学、哲学的研讨中。于是，他的那些论文频频发表，不乏名垂青史的佳作。更令他感到欣喜的是，他还在那里觅得了最初的妻子。

最有个性的物理学家爱因斯坦

爱因斯坦对天文学最大的贡献在于他的宇宙学理论——大大推动了现代天文学的发展。

光速
亘古不变的速度

真空中的光速，是一个物理常数，用符号c来表示，等于299792458米/秒，根据爱因斯坦的相对论，没有任何物体或信息运动的速度可以超过光速。

目测光的传播速度

在爱因斯坦刚进入大学时，物理学研究提出了光速的问题。那是一项有关光速的某项实验结果。

对于光这样一个不可捉摸的物质，可以用一个通俗的例子来说明。

假设一个人现在正以时速100千米驾驶汽车，当他看到一辆以时速200千米行驶的列车时，他会发现什么?

假如汽车是与列车同方向行驶，人对列车的目测速度是时速100千米；如果汽车与列车开往相反方向，那么人对列车的目测速度就是时速300千米。

对目测光速的质疑

然而，美国物理学家迈克尔生及莫雷1897年关于光的实验结果却和以上的目测法的结果不一致。

以上述例子中的汽车和列车为例，由运动光源发出的光速应当比起由静止光源发出的光速更快。如果运动中的光有相交，那么目测速度应当是两者速度之和。然而，实验结果却表明，无论是运动中或静止中，光的行进速度都是恒定的。

所以，当人们测量光速时，无论自身是运动的还是静止的，测量出的光速都是不变的。

光速的测量历史

17世纪 17世纪前，人们以为光速为无限大，意大利物理学家伽利略曾对此提出怀疑，并试图通过实验来检验，但未获成功。

18世纪 1727年，英国天文学家布拉得雷利用恒星光行差现象估算出光速值为c=303000千米/秒。

19世纪 1849年，法国物理学家菲佐用旋转齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量，结果为c=315000千米/秒。

20世纪 1929年，美国物理学家迈克尔生在真空中实验，测得c=299774千米/秒。

光速实验

假设一个人现在以时速100千米驾驶汽车，当他看到一辆以时速200千米行驶的列车时，他会发现什么?

目测光速实验假设

永恒不变
绝对时间与绝对空间

时间是对物体之间相对运动快慢的一种描述。它表示物质运动过程的持续性和顺序性，是物理学中的一个基本物理量。

时间从不逗留

对任何人而言，时间的步伐都是一致的。

首先，时间与人类或其他物体都没有关联，无论我们采取什么样的方式来计算，时间都以同样的速度流逝。因此，不可挽留和不可停住的时间，又叫作绝对时间。

假如，现在世界上所有的钟表都消失了，那么，时间仍然继续行走吗?事实是，如果真的所有的钟表都消失了，时间仍然继续存在。可是，如果全部的原子或粒子和钟表一起消失了，又会是什么样的呢?如果连地球、太阳、银河系全都不见了，宇宙也消失了的话，那又会怎样呢……也许，有人认为，既然一切都消失了，那时间还有存在的必要吗？

时间就是这样，无关所有的人和事，独自前行，永远存在。

舞台的比喻

即使没有演员登台，舞台依旧存在，如同绝对时间和绝对空间，即使这二者与物质分离，或是其他物质都消失殆尽，它们仍然存在。

关于绝对存在的定义来自于伟大的科学家牛顿。基于时间和空间的绝对性，牛顿建构出运动的法则。不过，牛顿的法则并没有对绝对空间进行解释，而是设立了一个前提——存在一种相对静止的状态。

例如，一辆运行的列车中的旅客相对列车是静止的，在车站内候车的旅客相对车站是静止的，但他们的状态永远都是绝对运动的。

总而言之，就牛顿的理论而言，运动是绝对的，静止是相对的，因而速度本身没有绝对的含义，也只是相对的。

光速的绝对意义

有关光速的实验却完全和牛顿的运动法则对立。从光速无论处于何种运动状态都是一致的现象来看，光速是绝对的。运动和变化只有在一定的时间段里才会发生。在一个固定的时间点上，世界和万物是不会发生任何运动和变化的。

当我们要观察世界和万物的运动和变化时，首先要存在一个特定的时间段，然后以此作为观察的条件。如果没有这样一个特定的时间段作为观察的前提条件，那么我们就不能发现任何运动和变化的特征，或者说没有比较或参照。

时间永远是恒定的

如同散文家提出的疑问：“但是，聪明的你告诉我，我们的日子为什么一去不复返呢？—是有人偷了他们罢：那是谁？又藏在何处呢？是他们自己逃走了罢：现在又到了哪里呢？”物理学家也在思考，为什么时间无论在什么样的情况下，都是恒定的。

绝对空间
一直在找却没有找到的空间

绝对空间和绝对时间一样，是和所有东西都没有任何关系的自行存在的空间。然而，是否真的存在绝对空间和绝对时间呢？

寻找绝对空间

迈克尔生与莫雷曾经做了许多关于光速的实验，他们的目标是为了寻找牛顿所说的绝对空间，不过他们的实验结果显示，没有绝对空间，更没有绝对时间。他俩的实验究竟是什么样的呢？

就当时的情况而言，光被普遍认为是一种波。由于波本身也是一种传导的媒介物，所以，大家相信肯定另有某种可以传导光波的媒介存在。

媒介是什么

媒介是波在传导时必需的一种物质。

举例来说，如果我们扔一颗石子到水里，水面立刻泛起一圈一圈的涟漪——不能称其为波，但可以表明波的存在。此时，对于波而言，水就是媒介。再举一个例子，声音也是一种波，而我们可以互相对话就是因为空气充当了声波传导的媒介。所以，当人们处于空气稀薄的高原时，相互对话会比较困难，而在真空状态下，声音是无法传播的。

当时的科学家普遍认为以太（能媒）是光的媒介物，如果缺少了以太（能媒）光就无法传播。而且，依据这样的想法，可以作以下推理：以风速为例，风是源于空气的运动，所以风在吹动时，沿着同一方向前行的音速会随着风速的增加而增加，而朝反方向运动的音速则会随风速减慢而减速，同理，此类情况在光的传播过程中也会发生。

以太就像风

换句话说，以太（能媒）是光波传导的媒介，所以光速会随以太（能媒）的速度增加或减少而变化。同时，人们也认为，就算是在绝对空间里，也存在着这样一种静止状态的以太（能媒）。假如将地球置于绝对空间里，当地球运行的时候，位于地球之上的我们则会觉得以太（能媒）之风正在吹拂着，而我们在地球上测得的光速则会随着以太（能媒）风的方向而变。

相反，如果测量出的光速的结果有一定差异，我们则可以认为是地球与以太（能媒）之间有着相对运动。因此，我们可以通过这样的测量发现地球与绝对空间所进行的是什么样的运动。迈克尔生和莫雷抱着这样的想法，开始对向不同方向运动的光进行了测量。

以太的科学意义

被物理学家抛弃的以太

以太（Ether）是一个历史上的名词。在古希腊，以太指的是青天或上层大气；在宇宙学中，又用来表示占据天体空间的物质；17世纪的笛卡儿将以太引入科学，并赋予它某种力学性质。

相关链接

被抛弃的以太 在笛卡儿看来，物体之间的所有作用力都必需通过某种中间媒介物质来传递，空间不可能是空无所有的，它充满着以太这种媒介物质。19世纪80年代，迈克尔生和莫雷所做的实验第一次达到了这个精度，但得到的结果仍然是否定的，即地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得到同样的结果，于是以太进一步失去了作为绝对参照系的性质。这一结果使得相对性原理得到普遍承认，并被推广到整个物理学领域。在19世纪末和20世纪初，狭义相对论确立以后，以太终于被物理学家们所抛弃了。

爱因斯坦之前的解释
运动中的物体长度会缩小

如前文所述，迈克尔生及莫雷的实验结果表明，无论他们如何测量，所得到的光速都是一样的。但是，究竟该如何解释这项实验的结果呢？

光速的测量实验

如许多实验的印证，光是波的一种，这是毫无疑问的。或者说，既然光是波的一种，那么无论光朝什么方向运动，都会以同样的速度运动的，也就可以认为如果以太（能媒）之风没有吹拂的话，地球相对绝对空间而言就是静止不动的了。但是，事实是这样吗？

众所周知的事实

事实上，地球是绕着太阳运转的，而太阳也是从2亿—3亿年前就开始绕着银河系中心附近而运转的，而银河系本身也是受到相距2亿光年邻近的安拖罗美达星云吸引而运转的。这些都是众所皆知的事。更有甚者，以上述所提及的银河与安拖罗美达星云为中心，其附近还聚集着十个涵盖范围较小的银河，它们也组成了一个集团；这个集团全部受到来自室女座方向的某种巨大银河集团的吸引而运动着。

如果完全不考虑它们的运动状态或运动方向，那么则可以得出地球静止不动的结论。不过，这是毫无可能的。

运动中的物体长度会缩小

在此，我们首先要做的是进行思想的转换。如果我们不能使原先既有的常识或观点发生改观，那么我们就无法了解实验的结果了。

在爱因斯坦之前，关于“运动中的物体长度会缩小”的观点，其理论基础正是以太（能媒）风的影响。他们认为，物体之所以运动，就是以太风对物体中分子产生压力的结果。由此，我们可以推断，光速也应该会发生变化。与此同时，测量光速的直尺也在发生变化，但是这些变化都是无法目测的。

这些看似明确的理论就面临着一个严峻的挑战：我们无法知晓以太（能媒）究竟为何物。因此，这些假设就只能被搁置了。

运动前带来的惊人变化

星体运行的路径

如图所示，地球是绕着太阳运转的，而太阳也是从2亿—3亿年前就开始绕着银河系中心附近而运转的，银河系本身又是受到相距2亿光年邻近的安拖罗美达星云吸引而运转的。

以银河与安拖罗美达星云为中心，其附近还聚集着十个涵盖范围较小的银河，它们也组成了一个集团；这个集团全部受到来自室女座方向的某种巨大银河集团的吸引而运动着。

运动物体的长度变短了

在爱因斯坦之前，曾有科学家提出关于“运动中的物体长度会缩小”的观点。他们认为，物体之所以运动，就是以太风对物体中分子产生压力的结果。由此，我们可以推断，光速也应该会发生变化。而且，与此同时，测量光速的直尺也在发生变化。

光速不变原理
爱因斯坦的破空之解

无论人们怎么测量，测量运动的光源或者在运动状态进行测量，测得的光速总是一样的。为什么呢？

爱因斯坦的破空之解

终于，在1905年，爱因斯坦颠覆过去所有的猜测和想法，提出了一种合理的解释：光速不变原理。这一原理让媒介以太（能媒）也失去了存在的必要性。虽然以太（能媒）静止时所见的空间称为绝对空间；然而，若不考虑以太这一媒介的话，绝对空间也就不存在了。如同人们都处于运动中时，无论是谁都不能说自己处于绝对静止状态，这两者完全是等同的。

这项关于空间尺度的关系的学说是洛伦兹变换理论。因此，只有在洛伦兹变换理论基础上转变运动状态，光速才可以保持恒定。

洛伦兹变换理论

在相对论出现以前，洛伦兹从存在绝对静止状态的观念出发，通过考虑物体运动发生收缩的物质过程得出了洛伦兹变换。在洛伦兹的理论中，变换所引入的量仅仅是作为数学上的辅助手段，并不包含相对论的时空观。

爱因斯坦与洛伦兹不同，以观察到的事实为依据，立足于相对性原理和光速不变原理两条基本原理，着眼于修改运动、时间、空间等基本概念，重新推导出了洛伦兹变换，并赋予洛伦兹变换崭新的物理内容。在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系式，狭义相对论中如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等运动学结论和时空性质等都可以从洛伦兹变换中直接得出。

光速不变原理

光速不变原理是爱因斯坦的狭义相对论的最基本的出发点。在狭义相对论中，光速不变原理是指在任何情形下观察，光在真空中的传播速度都是一个恒定的常数，不会随光源或观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299792458米/秒。光速不变原理是可以通过联立麦克斯韦方程组解得的，而且光速不变原理已由迈克尔生—莫雷实验证实。在广义相对论中，由于所谓惯性参照系不存在了，因此，爱因斯坦引入了广义相对性原理——物理定律的形式在一切参照系都是不变的。这使得光速不变原理可以应用到所有参照系中。

爱因斯坦的解答

在1905年，爱因斯坦颠覆过去所有的猜测和想法，提出了一种合理的解释：光速不变原理。这一原理让媒介以太（能媒）也失去了存在的必要性。

相对性原理
伽俐略提出的相对论

人们常说，不同环境需要不同的生存法则，环境变了，我们的生存法则也需要改变，而有一种法则是永远不变的，那就是物理法则。

不会变化的物理法则

简单来说，相对性原理就是无论谁从什么样的角度来看待物理学，物理法则都不会发生变化。无论是在地球、月球、其他的星系，或者任何运动状态下，它都是不变的。

首次将相对性原理以明确的形式应用于物理学的人是伽俐略。关于物体运动的实验，无论是在陆地上进行还是在航船上进行，结果都是一定的。

人们在观察物体运动的时候会思考一个问题：究竟船是动的还是静止的呢？对这些问题的思考就是相对性原理被发现的原因。

深入的思考也许让问题变得复杂起来。如果考虑船是运动的，那么船就必定具有一定的速度，当船开始笔直地朝一定方向行驶时，船的运动状态就会发生改变，运动着的船的速度又会发生什么样的变化呢？

特别强调

再回到光的话题。在伽利略提出相对性原理后，爱因斯坦又将物体运动的相对性原理扩展到光的研究领域。不过扩充之后带来一个难题就是“绝对时间”和“绝对空间”的想法不再适用了。这是因为，导入新的想法后，则可以推出这样的结论：时间与空间的尺度，在运动状态下会发生变化。这就是狭义相对论。

“萨尔维蒂”大船

经典物理学是从否定亚里士多德的时空观开始的。当时曾有过一场激烈的争论：赞成哥白尼学说的人认为地球在运动——地动说，维护亚里士多德—拖勒密体系的人则认为地球是静止的——地静说。地静派有一条反对地动说的理由：如果地球在高速运动，为什么在地面上的人一点也感觉不出来呢？

这个问题的确是不能回避。1632年，伽利略出版了他的名著《关于拖勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，书中彻底地回答了上述问题。他提到了一艘叫作“萨尔维蒂”的船，它的状态是静止匀速运动。

伽利略说：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放着一只大碗，里面有几条鱼。然后在舱顶上挂一只水瓶，让水滴逐滴滴到下面的一只宽口罐里。

“当船停着不动时，你仔细观察，小虫将以相同的速度在舱内各方向飞行，鱼也向各个方向随意地游动，水滴滴进下面的罐中，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离不变，向这一方向不必比向另一方向费更大的力气。

“你双脚起跳，无论向哪个方向跳，离开原地的距离都是相等的。当你仔细地观察这些情景之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速，也不忽左忽右地摆动，你将发现：所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头跳得远；你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动；无论你把什么东西扔给你的同伴，无论他在船头还是船尾，只要你站在他对面，你就不需要用更大的力气。

“水滴将像先前一样，滴进下面的罐子里，一滴也不会滴在船的尾部。虽然水滴在空中时，船已行驶了一段距离，但水中的鱼游向水碗前部并不需要用比游向水碗后部花费更大的力气，它们一如既往地悠游于水碗边缘的任何地方并吞吃鱼饵。

“最后，蝴蝶和苍蝇也继续随意地四处飞行，它们也绝不会集中在船尾，这不是因为它们可能长时间停留在空中，脱离了船的运动，而为了跟上船的运动而显示出疲惫的样子。”

“萨尔维蒂”大船道出了一条极为重要的真理：就船中发生的任何一种现象而言，你无法判断船处于什么样的运动状态。这个论断就是我们所说的伽利略相对性原理，而“萨尔维蒂”的大船就是一种惯性参考系。所以说，以不同的速度匀速运动而且又不忽左忽右摆动的船都是惯性参考系。在一个惯性参考系中能看到的现象，在另一个惯性参考系中必定也能毫无差别地呈现。

有关“萨尔维蒂”大船

究竟船是动的还是静止的呢

首次将相对性原理以明确的形式应用于物理学的人是伽利略。人们在观察物体运动的时候会思考一个问题：究竟船是动的还是静止的呢？对这些问题的思考就是相对性原理被发现的原因。

“萨尔维蒂”大船阐述的真理

1632年，伽利略出版了他的名著《关于拖勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，书中回答当时人们关于地动说和地静说的争论。他提到了一艘叫作“萨尔维蒂”的船，它的状态是静止匀速运动。

四维
时间与空间的集合

绝对时间或绝对空间并不存在，那么是否意味着每个人都拥有各自不同的时间和空间呢?

事象是什么

怎样才能让各不相同的时间与空间合在一起来表达？四维的概念让上述设想成为了可能。

最先想到四维空间的人是明可夫斯基，他是爱因斯坦在苏黎世大学时的一位数学老师。明可夫斯基认为，时间和空间并非独立存在，因此他创造出一个可以称为四维的数学上的空间。

在这个四维空间里，正发生着许许多多的事情。每件事情都可以用四维空间中的一点来表示，即事象。举例来说，如果你在某年某月某日到某地去做某件事，那么这件事就可以用四维空间里的一个点来表示，而这件事情发生的时间和地点就是事象对应的时间点和空间点。

四维是什么

将不同的事象分成时刻和位置的是填入坐标。必须注意的是：坐标的填法会根据人们不同的运动状态而有所差异。

由于绝对时间或绝对空间并不存在，所以一般也不会有唯一的四维空间存在。一般情况下，所谓四次元时空图指的是因人而异的时空图，并且是根据那人的运动状态而定的。

基于某人的立场，将坐标填入其中，标示见下页图解。首先，决定适当的时刻归零及空间原点，然后由那人持有准确的钟表和尺子来测量时刻与原点相距的距离。因为此钟表和尺子会随着运动中的人而有不同。因此，同样的事象也会有不同的时刻和位置。在不同运动状态下关于各种钟表和尺子的不同变化暂时不做详细介绍。

最初，爱因斯坦只觉得明可夫斯基的想法不过是数学上的改写，似乎并不十分在意。直到后来他创造广义相对论，领悟四维空间的想法时，才发现明可夫斯基的想法非常基础和重要。

发现四维空间

每个人自己的时空坐标系

在每个人自己的时空坐标系中，发生在自己身上的每件事情都可以用四维空间中的一点来表示，这就是事象。

何谓同时
同时也是相对的

令人费解的是，空间上分离的两点发生的两个事件，在一个人看来是同时发生的，另一人看来则未必是同时发生的。 这是为什么呢？

不论人们处于何种运动状态，看到的光速都是一样的——每个观测者测得的时间和空间的衡量标准，转变成光速都是一定的。正因为如此，才产生了多种多样的不可思议的事。举一个比较早的例子来说吧。空间上分离的两点所发生的事件，在一个人看来两个事件是同时发生的，另一人看来则未必是同时发生的。这个现象在下文关于使用宇宙绳时光机器——航时机的说明中还会提到。

宇宙船内的实验

假定：一艘以一半光速作直线运动的宇宙船，正经过地球的旁边，此时在那艘宇宙船内进行下列实验。

在宇宙船内朝向与行进方向相同的墙壁和朝向与行进方向相反的墙壁上都装上镜子，镜子在墙上的高度相同。在两面镜子之间距离的中心设有发出光信号的装置，它将向方向相反的两面镜子放出光线。

对宇宙船内的人而言，不论光朝哪一个方向发射，速度都是相同的，所以信号会同时到达两边的镜子。不知道从地球上的人的角度看到这项实验会是怎样的情形。

对地球上的人而言，光速和宇宙船内人所测得的速度应是相同的。然而，和宇宙船行进方向相同方向的光，抵达前面墙壁上镜子的运行距离会增加宇宙船本身往前行进的距离，是全部的行走距离。相对的，光抵达后面墙壁上的镜子的行走距离，会因为镜子本身逐渐靠近而愈来愈短。因此，看起来似乎应该是光先到达后面的镜子，然后才到达前面的镜子。

所以，就宇宙船内的人而言，光是同时到达两边的镜子的，但就地球上的人而言，他们看到的光并非同时到达两边的镜子。这样一来就可以明白了那句话的含义了，同时与否，取决于观测者的运动状态。

大胆做一次实验

太空船里的镜子反光实验

这是以一半光速做直线运动的太空船，正经过地球的旁边。

钟表变慢
光速恒定带来的奇特现象之一

接下来要说的是，就算两只相同的手表，也会由于钟表本身运动状态的不同而使得显示的时间不同。研究结果则表明：运动中的钟表会变慢。

光的钟表实验

光的钟表实验如下:

首先，在天花板上吊上一个挂有镜子的箱子。在地板上放置光源。当光向上射出时，会从天花板的镜子反射回地板。钟表的用途在于，将光由地板射出并返回地板的时间定为一个单位时间。

如果用镜子离地面的高度来除以光速，就可以得出光由地板到达天花板所需时间；如果将所得的时间乘以2的话，就可以知道光往返所需的时间。

现在，假设这个箱子正以一定的速度做匀速直线运动。箱子里面的人是否会看见这样的情形：光先由地板垂直朝上运动，到达天花板后又被反射垂直朝下运动，并到达地板？

同样的情形，如果由房间里静止不动的人来看，又会是什么样的呢？

实验结论

由地板所发出之光，看起来似乎只有箱子本身运动部分倾斜地上升，经天花板上的镜子反射后，再度倾斜地下降抵达地板。

总的来说，较之箱内人所见到的，箱子外面的人看到的情形是，光似乎走了更长的距离，换句话说，就是说光必须多走箱子运动的那段距离。因此，房间里的人所测得光的往返时间，是用那人所见的光所移动的距离除以光速得到的。

由于光速不论在谁看来都是相同的，因此可以得知房间里的人所测得光的往返时间，会比箱子里的人测得的时间更长。

正因为如此，运动中的钟表由静止的人来看，会发现比起自己的钟表长了1个单位的时间。

运动中的钟表的实验

我们将测定光行走时间的计时器分别置于静止的容器和运动的容器中，然后开始测量光线从容器底到天花板的往返时间。

测定值会缩小
光速恒定带来的奇特现象之二

现在要思考的问题是，在光速恒定的前提下，测得的运动状态下的物体的长度是否也会有所变化呢？

箱子过隧道的实验

为了解决这个问题，我们借用前文那个测量运动中钟表会变慢的箱子来进行实验。

此时的实验是这样的：假设箱子会通过一定的路线，我们在这段路线上放置着一个隧道（屏障物）；接着，我们设想箱子穿过隧道需要花费的时间。由前文的那个实验我们可以知晓，从箱外来看的话，运动中的箱子里面的钟表时间会走得更慢。

现在进行一项假设，现在箱子外面的人正拿着一只钟表来测量箱子穿过隧道的时间，如果他测得的时间是10秒，那么箱子里面的钟表却只走了5秒而已。

我们再试着从箱子里面的人的角度来考虑，对箱内的人而言，如果认为他是处于静止状态，而隧道是处于运动状态。根据同样道理，再以公交车为例，当汽车发动时，车内的乘客相对汽车是静止的，但相对于车站是运动的。再回到箱子的例子，箱内人测得的速度与外面的人测得的箱子的速度方向是恰好相反的，但是大小几乎相同。

现在，我们再试着重新思考刚才的假设。尽管箱子是以相同的速度穿过相同的隧道，由箱外的人来看的话，所用的时间几乎是10秒钟；而对箱内的人而言，却只用了5秒钟而已。

令人费解的实验结果

乍听之下实验结果令人费解，不过参照下列说明进行思考的话，疑惑就会全部解开了。总归一句话，由箱内的人来看的话，运动中的隧道长度会比静止时测得的长度更短。为了更容易地理解这个道理，我们可以更简单地表述上述实验的结论：如果将隧道移开的话，所有的东西包括尺子，一旦发生了运动，其运动方向的长度看起来都会缩小。

把运动状态下的人的时间和空间的尺度与静止中的人的时间和空间之尺度相比较的话，可以发现二者的显著不同。而造成这变化的原因在于不论处于何种运动状态下的人来测量，所得之光速都是完全相同的。

在此之前，科学家曾提议使用以太（能媒）为媒介物，现在则可以说完全没有这个必要。至于变化的程度，则取决于速度的大小。如此一来，运动速度越快，时间走得越慢，而寿命则可以延长。然而，就实际问题而言，由于光是以每秒30万千米的惊人速度行走，但它并不曾对我们的人生有多大影响。

这里顺带提一下那个安德堡号的速度，大概是每秒100千米左右吧。这个变化之所以被提出来讨论，不过是因为和光速相比，它拥有令人无法忽视的运动速度。

物体运动方向的长度变化

箱子过隧道的实验

由前文的实验我们可以知晓箱子里面的钟表时间会比箱子外面的钟表的时间走得更慢。为什么箱子以同样的速度过隧道，箱子里外的人却测出不同的时间呢？

验证时间变慢
穿过大气层的中微子流

运动中的钟表会变慢这一结论，是否会让你觉得这与我们的现实生活格格不入呢？我们现在以自然界存在的现象来说明这个观点。

狭义相对论与生活常识

对于运动中的钟表时间会变慢这一现象，我想，一定有许多人明白了它的道理，却觉得这与我们的日常生活中的现象并不符合吧！不过，这个结论是经历无数个实验后，被精确地证实了的。

无论通过怎样巧妙地建构而成的理论，如果不经受实验的洗礼，就一定不能成为正规的理论。

狭义相对论的预言，乍看之下让人觉得与我们的常识相差甚远，但是它的的确确是通过了层层试验的考验的。现在，我就来举一个自然界实际发生过的时间变慢的例子吧!

中微子的寿命延长了

在宇宙空间里，存在着多种多样的种类相同的称为宇宙射线的原子核，它们在宇宙中盘旋飞翔着。

其中那些冲向地球并进入大气层的原子核，在和大气层中的原子相撞后，会产生名叫中微子的基本粒子。如果这个中微子处于静止状态的话，会在一百万分之一秒这么短的时间内毁坏，并变成其他的粒子。

假如时间没有变慢，即使以光的速度，也只能走数百公尺，是绝对无法走完这么长的距离的。

按照这样的推断，在数十千米高的上层所产生的中微子，是来不及及时到达地面的。然而，中微子的存在是在我们地面上测得的。这是因为中微子以接近光速的速度运动着，因此就我们在地面上的观测结果来说，它的寿命是大大地延长了。

冲进大气层的宇宙线原子核

结论

推断：假如时间没有变慢，即使以光的速度，中微子流在进入大气层后也只能走数百米，绝对不会到达地面。因此，我们可以根据地面上存在中微子推测，中微子以接近光速的速度运动着，所以它的寿命是大大延长了——时间变慢了。

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什么是宇宙射线 宇宙射线是来自于宇宙中的一种蕴涵着相当大能量的带电粒子流，主要由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流，也含有中性的伽马射线和能穿过地球的中微子流。它们在星系际、银河和太阳磁场中得到加速和调制，其中一些最终穿过大气层到达地球。1912年，德国科学家韦克多·汉斯在空气电离度的实验中发现，电离室内的电流会随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，即“宇宙射线”。

再度相逢时谁更年轻
双子吊诡之谜

我们把相对论中有一些看上去令人费解的现象称为吊诡或反论。现在，我们就来思考双子吊诡的问题。

事实上，狭义相对论和我们的日常生活全无矛盾之处，只要好好思索，就可以理出头绪，解决疑问。举一个具有代表性的例子来说吧。

双子吊诡实验

双子吊诡（反论）又称为双子佯谬。（在下文关于时光机器的介绍中我们还会提及这个例子。）为了让讲述更为浪漫，这一次，我们不说孪生兄弟，而从一对同年的恋人说起。

公元2500年，男孩搭乘了太空船前往距离太阳4光年的一个恒星探险。女孩则留在地球，等待恋人的归来。4光年指的是光走4年才能到达的距离。男孩到达目标恒星后，就立刻转向直接返回地球。

假定他所搭乘的太空船的速度为光速度的80％，他去目标恒星需要5年，返回也需要5年，往返总共耗时10年。如果他是20岁时去往恒星的话，那么在女孩30岁时男孩才会回来。不过，当男孩回来时，男孩却只度过了6年的时间，是26岁。而在地球上等他归来的女孩，却已经30岁了。

我们再进行假设，如果太空船的速度逐渐接近光速的话，那么男孩的时间会大幅减慢，也就是说，如果男孩的太空船以光速的99％来飞行的话，他往返只要花1年左右的时间。

究竟谁的谁更年轻

这一切说起来可真诡异！

以男孩搭乘的太空船为参照物，地球才是那个正在运动的物体。按照这样的推理，运动中的钟表的时间会变慢，衰老更慢的应该是留在地球上的女孩吧?如果真是这样的话，男孩返回地球的时候，上了年纪的就应该是他自己，而不是女孩。

究竟哪一种分析才是正确的呢?会不会是狭义相对论出了差错呢？

再见面时谁更年轻

公元2500年，男孩搭乘了太空船前往距离太阳4光年的一个恒星探险。女孩则留在地球，等待恋人的归来。男孩到达目标恒星后，就立刻转向直接返回地球。根据运动使时间变慢的原理，当他们再度重逢时，年纪将不再相同，但是，究竟谁更年轻呢？

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吊诡的释疑 吊诡有两种含义：bizarre和paradox。bizarre是稀奇古怪、不同寻常、离奇、奇特、不可思议、荒诞不经的意思；paradox有似非而是、反论、悖论的含义。

男孩更年轻
双子吊诡的解答

对于双子吊诡的问题居然得出了两种截然相反的分析，会不会是狭义相对论出了问题？

虽然经常有人认为相对论是错误的，但是，我们现在的观测或实验却表明相对论是没有错误的。事实上，双子佯谬也曾经用实验验证过，结果则验证了相对论的预言——那对恋人中较为年轻的应该是从宇宙航行中返回的男孩。

解题的关键在于，男孩并非一去不返，而是先到达恒星再返回地球的。

前阶段的运动状态是相同的

如果说当时他没有转向而持续飞行的话，由于运动是相对的，所以相对于搭乘太空船的他而言，正在运转中的地球对他没有任何妨碍或冲突。因此，对男孩而言，留在地球上的女方的钟表，会比他自己的钟表走得更慢一些。虽然男孩或女孩都坚持认为自己的表走得更慢，但是由于双方的运动状态是完全同等的，所以他们的观点并没有什么矛盾之处。

后阶段的运动状态是不同的

然而，若是男孩到达恒星后又转向回来时，故事可就不一样了！

从此时起，双方的运动状态就不是同等的了。

暂且不考虑太空船出发时和抵达时加速或减速的那些时间，假设男孩在转向之前和转向之后，都以一定的速度进行直线运动的话，那么在进行直线运动的那段时间里双方的运动状态可以说是完全相同的。而且，当太空船转向时，首先得减速，直到速度为零，再转向返回地球。

这时，太空船经历的运动状态是减速、速度为零和加速，在它的运动状态发生变化的时间里，对于处于相对静止状态下的地球而言，太空船是运动的。总而言之，由于太空船处于运动状态下，所以它的时间才会减慢。这也是导致二人年龄出现差异的根本原因。

男孩更年轻的原因分析

现在来分析一下太空船运动状态的改变的过程。

水桶实验
牛顿寻找的绝对空间

为了证明绝对空间的存在，牛顿开始了绝对空间的寻找之旅。顶着众人的反对意见，牛顿坚持用实验来验证自己的理论。

曾经有很多人都对牛顿提出的绝对空间的理论持有反对意见。他们认为，空间与物体是相互依存的，如果没有了物体，那么空间也就不存在——他们认为不存在牛顿所说的绝对空间。

答案是水桶

答案正是水桶。首先，准备好一只装了水的水桶。接着，用绳子绑住水桶的把手，然后将水桶吊在一棵树的树枝上。接着，使水桶旋转。由于离心力的作用，水面便会逐渐下降。

牛顿认为，这就是由于水桶相对于绝对空间旋转而引发的结果。简而言之，物体一旦进行旋转运动或加速运动，就会出现和离心力一样的能见力；因为能见力是相对于绝对空间而进行运动的。

反对意见

针对以上的言论，反对牛顿的人士提出了以下的反对意见。水桶的旋转与否与绝对空间的存在并没有直接关联。暂且不提及水桶，就宇宙本身的旋转而言，也符合同样道理的。简单来说就是，运动也好、空间也好，都不具有相对的含义。广义相对论否定了绝对空间的存在，即使没有所谓的物质存在，时空也是依然存在的。所以说，两种说法都是错误的。

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马赫对牛顿“水桶实验”的批判 对牛顿的绝对空间的第一个建设性批评来自奥地利的物理学家和哲学家马赫。在马赫看来，牛顿水桶实验中水面下凹的现象并不能区分究竟是水相对绝对空间的转动，还是水相对于众星体的转动。因此，不能由此得出存在绝对空间的结论。相反的，把水面下凹的现象看作是水相对于众星体转动、被水桶内壁以外的物质吸引和带动造成的要更恰当。

和牛顿有关的水桶实验

牛顿的绝对时空观

牛顿在力学定律（包括惯性定律）里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言。为弥补自己理论中这一薄弱环节，他引入了一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态，如水桶实验所表明的。

“水桶实验”

将一个盛水的桶挂在一条扭得很紧的绳子上，然后放手，如图所示：