Question

相对论（6）为什么光速不变，时间和空间就要变化？

Answer 1

上回我们说到，大家忙着找以太，结果发现找了个寂寞，正当所有人为此发愁的时候，爱因斯坦站出来说，找不到那就是没有呗；

不如我们先大胆的假设光传播不需要介质，假设光对任何参考系的速度都是恒定的，看看会发生什么事。

结果，当爱因斯坦把光速当作一个绝对值的时候，却发现必须放弃以往的常识，绝对时间和绝对空间可能就要保不住了。

爱因斯坦首先发现，如果光速恒定不变，观察者不论处在怎样的运动状态，看到的光速都是一样的，那么他们就会对两个地点所发生事件的同时性，产生分歧。

比如，一艘宇宙飞船正在以极高的速度，匀速直线飞行，飞船里的人现在做如下实验，在飞船的头部安装一个光子探测器，在飞船尾部同等高度上也安装一个光子探测器；

现在在两个探测器的中点位置，放一个光子发射器，现在飞船里的人操作这个发射器，朝相反的方向各发射一个光子，在飞船中的人必定会看到两个探测器同时亮起，代表检测同时到光子。

飞船里的人会认为，船头和船尾探测器亮起是同时发生的。这一点勿用质疑，因为伽利略的相对性原理告诉我们，静止状态和匀速直线运动状态是等价的，无法用任何实验手段区分。

那么接下来发生的事，牛顿的理论就会和爱因斯坦的思想产生分歧，先说牛顿的理论，他就会做出这样的预测，牛顿认为空间和时间是绝对的，光速是变化的，那么对于飞船外的不同运动状态的观测者来说，它也会看到船头和船尾的探测器同时亮起。

假如，飞船是相对于地球在匀速直线飞行，你现在站在地球上相对于飞船静止，按照牛顿的理论，你也会看到两个探测器同时亮起。

为什么呢？牛顿会这样解释：虽然探测器在中点位置发射光子以后，船头在不断的远离这个光子，而船尾在不断的靠近这个光子，但是光速是变化的，朝向船头飞行的光子的速度会加上飞船前进的速度，而朝向船尾飞行的光子速度会减去飞船前进的速度。

所以光子的速度和飞船的速度相互抵消，你将看到和飞船内部的人，同样的情景，两个探测器同时亮起，且你们对两个事件在空间中发生的位置也会达成一致。

但是爱因斯坦不这样认为，按照他假设出来的光速不变，那么飞船外的人将看到不同的景象。

由于在爱因斯坦的眼里，光速不再满足伽利略的速度叠加，所以飞船外的人测量出来的两个光子的速度依然是C，和船内测量出来的光速一样，而这时船头却在远离光子，船尾却在靠近光子。

因此在飞船外的人看来，是船尾的探测器先亮起，然后是船头的探测器再亮起。在飞船内的人认为同时发生的事件，在船外的人看来，并不是同时的。

这就是因为光速恒定，而导致的同时性也是相对的。由于飞船外的人，测量到的探测器亮起的时刻和飞船内的人不同，当然也就导致了他们两个人对这两个事件发生的空间位置产生了分歧。

比如飞船内的人认为，船尾的探测器亮起的时候，以地球为参考系，这个事件发生在地球以西200公里处，而地球上的人不这样认为，由于他看到船尾探测器亮起的时刻要早，所以地球上的人会认为船尾探测器亮起的位置，在地球以西边250公里的地方。当然上面的数字都是假设的，不必较真。

这就是为什么当光速绝对的时候，时间和空间就不再是绝对的，飞船里的人对空间和时间的测量，虽然和飞船外的人不一样，但是当他们把测量值转化成光速的时候，就会发现，他们得出的光速一样。

因此爱因斯坦一直认为他发现的理论叫“绝对论”，也就是没有绝对的时间和空间，只有绝对的光速，只是后人都叫它相对论，所以爱因斯坦也勉强接受了这个称呼。

同时的相对性只是爱因斯坦调和牛顿动力学和电动力学的第一步，光速恒定下，一个惯性系下测量出来的一个事件发生的时刻和空间位置，和另外一个惯性系不同，放弃了绝对空间和绝对时间，这样电磁学就和牛顿力学没有了矛盾。

由于我们日常生活中能看到的运动，都是一些低速运动，和光速比起来九牛一毛，所以我们一般都会认为不同惯性参考系下，两点事件发生的时刻和空间位置是一样的。

也就是说，在不考虑光速的情况下，得到的结论就是牛顿力学。比如，公交车上，坐在中间的人同时看到车头和车尾的两对小情侣在吵架，但是按照爱因斯坦的说法，站在站台上的人会看到不同的景象，他会先看到车尾的情侣先吵架，然后再看到车头的情侣吵架。

这是因为公交车这个惯性系相对于我们运动造成的，不过由于公交车的速度对光速来说极低，所以在日常生活中，展台上的人和公交车里的人会认为两个事件是同事发生的。

如果公交车在以90%的光速运动，那情况就不同了。站台上的人和车内的人，会明显对两个事件的发生的时刻和空间位置，产生分歧。

所以说，我们以后在描述两个事件是同时发生的，必须表明这是对某一参考系来说的，否则就毫无意义，因为跟运动一样，同时也是相对的。

那么既然不同运动状态下的观察者，会对一个事件发生的时刻以及空间位置产生分歧，那就说明他们所经历的时间过程，以及空间也不相同，因此爱因斯坦就推断出，运动会导致时间流逝的速度和对一段空间测量的值发生变化。

这就是我们下节课的内容，光速不变原理导致的时间膨胀以及空间收缩。

我知道，你现在可能产生了这样的困惑，为什么光速变不变的问题，就会影响到时间和空间？

因为我们和外界任何事物之间发生相互作用，基本上都是靠电磁力来完成的，而电磁波就是传播电磁相互作用的媒介，现在电磁波的速度不变，那么就意味着我们的运动状态的改变，在另外一个观察者眼里就会造成你所在参考系的相互作用的时刻发生改变，因此他们就会认为你所在惯性系中所有的物体经历的时间都发生了变化。

当然也包括你身体里的电磁相互作用，也就是化学反应，以及钟表的走时，你能想到的一切都跟电磁力有关，因此当光速不变的时候，你的时间肯定在变化，既然时间都变了，我们肯定也会对空间的认识不一样。

好了，今天的内容就到这里。