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4.同时性的相对性

经典力学体系中，不需要考虑观测者的观测效应，也不需要任何观测信号，所以也不存在信号延迟问题.这表明经典力学所考虑的是在理想状态下的物理本质关系.在现实生活中，任何物理事件的本质都需要通过对物理现象的观察来反映，这样就必然引入观测者，而观测者本身不能将自己置于整个三维空间中，所以必须借助观测信号来进行观测，由此又必须引入观测信号.这种引入了观测这和观测信号的物理规律，与理想状态下的物理本质规律是不会完全相同的，需要进行一定的关系推演，才能够通过观测者所观测到的物理现象推知符合经典理论的物理本质.“在相对论的第一篇论文发表之前很久，爱因斯坦就已经认识到‘相对性原理’和‘麦克斯韦电磁理论’是应该坚持的基本原理，他也已认识到这将导致电磁理论与参考系无关，以及由此引起的光速与参考系无关的结论，即所谓‘光速不变性’.也就是说，爱因斯坦已经抓住了‘相对论’的基础.那么他为什么一直没有建立起‘相对论’呢？……他回忆……当时……正被一个问题卡住.这个问题就是‘光速不变性’似乎与力学中的速度叠加法则相矛盾.”^[1]“在经过了一年时间的研究以后，爱因斯坦终于领悟到，问题正出在人们最不容易怀疑的一个基本思想观念上，即同时性的问题上.”^[2]“同时的相对性正是爱因斯坦建立狭义相对论时空观的突破点.在经典力学中时间是绝对的，因而同时也是绝对的：在一个惯性系中同时发生的两事件，在所有惯性系中都是同时的.”^[3]

爱因斯坦在<<狭义相对论的意义>>中写道:为了完成时间的定义，可以使用真空中光速恒定的原理.假定在K系各处放置同样的时计，相对于K保持静止，并按下列安排校准.当某一时计Um指向时刻Tm时，从这只时计发出光线，在真空中通过距离Rmn到时计Un；当光线遇着时计Un的时刻，使时计Un对准到时刻Tn=Tm+Rmn/c.光速恒定原理于是断定这样校准时计不会引起矛盾.设有一个牛顿力学方程在其中有效的坐标系.为了使我们的陈述比较严谨，并且便于将这坐标同以后要引进来的别的坐标系在字面上加以区别，我们叫他“静系”.

如果一个质点相对于这个坐标系是静止的，那末它相对于后者的位置就能够用刚性的量杆按照欧几里得几何的方法来定出，并且能用笛卡儿坐标系来表示.

如果我们要描述一个质点的运动，我们就以时间的函数来给出它的坐标值.现在我们必须记住，这样的数学描述，只有在我们十分清楚的懂得“时间”在这里指的是什么之后才有物理意义.我们应当考虑到：凡是时间在里面起作用的我们的一切判断，总是关于同时的事件的判断.比如我说，“那列火车7点钟到达这里”，这大概是说“我的表的指针指导7同火车的到达是同时的事件.”①

可能有人认为，用“我的表的短针的位置”来代替“时间”，也许有可能克服由于定义“时间”而带来的一切困难.事实上，如果问题只是在于为这只表所在的地点来定义一种时间，那末这样的一种定义就已经足够了；但是，如果问题是要把发生在不同地点的一系列事件在时间上联系起来，或者说——其结果依然一样——要定义出那些在远离这只表的地点所发生的事件的时间，那末这样的定义就不够了.

当然，我们对于用如下的办法来测定事件的时间也许会感到满意，那就是让观察者同表一起处于坐标的原点上，而当每一个表明时间发生的光信号通过空虚空间达到观察者时，他就把时针位置同光到达的时间对应起来.但是这种对应关系有一个缺点，正如我们从经验中所已知道的那样，他同这个带有表的观察者所在的位置有关.通过下面的考虑，我们得到一种比较切合实际得多的测定法.

如果在空间的A点放一钟，那末对于贴近A处的事件的时间，A处的一个观察者能够由找出同这些事件同时出现的时针的位置来加以确定.如果又在空间的B点放一只钟——我们还要加一句，“这是一只同放在A处的那只完全一样的钟.”——那末，通过在B处的观察者，也能够求出贴近B处的事件的时间，但是是没有进一步的规定，也能够求出贴近B处的事件的时间，但是要没有进一步的规定，就不可能把A处的事件同B处的事件在时间上进行比较；到此为止，我们只定义了“A时间”和“B时间”，但是并没有定义对于A和B公共的“时间”.只有我们通过定义，把光从A到B所需要的“时间”规定等于它从B到A所需要的“时间”，我们才能够定义A和B的公共“时间”.设在“A时间”tA从A发出一道光线射向B，它在“B时间”t_B又从B被反射向A，而在“A时间”t`A回到A处.如果t<sub>B</sub>—t<sub>A</sub>=t`_A—t_B，那末这两只钟按照定义是同步的.

我们假定，这个同时性的定义是没有矛盾的，并且对于无论多少个点也适用，于是下面两个关系是普遍有效的：

1.  如果在B处的钟同在A处的钟，那末在A处的钟也就同B处的钟同步.

2.  如果在A处的钟既同B处的钟，有同C处的钟同步的，那末，B处的两只钟也是相互同步的.

这样，我们借助于某些（假想的）物理经验，对于静止不同地放的各只钟，规定了什么叫做它们是同步的，从而显然也就获得恶劣“同时”和“时间”的定义.一个事件的“时间”，就是在这事件发生地点静止的一只钟同该事件同时的一种指示，而这只钟是同某一只特定的静止的钟同步的，而且对于一切的时间测定，也都是同这只特定的钟同步的.

根据经验，我们还把下列量值2AB/(t`A—tA)=V，当作一个普适常数（光在空虚空间中的速度）.要点是，我们用静止在静止坐标系中的钟来定义时间；由于它从属于静止的坐标系，我们把这样定义的时间叫做“静系时间”.

注：①这里，我们不去讨论那种隐伏在（近乎）同一地点发生的两个事件的同时性这一概念里的不精确性，这种不精确性同样必须用一种抽象法把他们消除.——原注

爱因斯坦认为地方时才是度量物体运动的唯一真实的时间，而洛伦兹却在1915年再版的《电子论》中承认了自己的错误：“是我坚持变量t只能考虑为真实时间的思想和我坚持地方时t必须只能考虑为一个数学辅助量的思想的结果.”认为地方时只不过是数学的假定或是一种数学辅助量，不具有真实的物理意义.1922年12月14日爱因斯坦在日本东京演说《我是如何创造相对论的》：“时间这个概念本来是不能给一个绝对的定义的，”《爱因斯坦文集》：“由此得知，两个隔开的事件的同时性不是一个不变的概念，刚体的大小和时钟的快慢都同它们的运动状态有关.”两个隔开的事件我们不知道是不是完全隔开的，如果完全独立到没有任何关系联系时我们讨论已无任何意义和怎么的都行，因为我们根本无法知道或不知道是不是同时或不同时和谁也不知道究竟谁不准.测量与被测量肯定是属于一个系统，不存在两个完全隔开的事件，两个隔开的事件不属于相对关系，如果属于一个相对系统这时又违背了相对性原理，既然相对就必然存在相互联系，隔开也还是属于一个系统.爱因斯坦的相对却是两个毫无关联的组成的一个体系，既然是一个体系那么就必然存在一个相同的物理条件，它们之间也就应该存在必然联系，相对也好绝对也好但都是存在对应联系关系的.所谓的相对性是把它们之间的时间与运动的关系实质分割成孤立毫不相关而造成的，否则就不会发生相对时间事件了.

爱因斯坦为我们选择了最好的校钟法：“我们必须在这两个钟的距离的中点处摄取这两个钟的电视图，在这个中点上观察它们.如果信号是同时发出的，它们也同时到达中点处.假使从中点上所观察到的两个好钟一直指示着相同的时间，那么它们便能很适宜于来指示距离很远的两点上的时间.”【4】我们可以很清楚地看到这种方法是以光速各向同性为前提的.爱因斯坦在1905年《论动体的电动力学》一文中建立狭义相对论时，提出了同时的相对性.爱因斯坦在思想世界中经过一番想象推论之后指出：“我们不能给予同时性这概念以任何绝对的意义；两个事件，从一个坐标系看是同时的，而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来，它们就不能再被认为是同时的事件了.”【5】爱因斯坦于1916年在《狭义与广义相对论浅说》一书中对同时的相对性所作详细阐述的原文和配图【6：假设有一列很长的火车，以恒速v沿着如图标明的方向在轨道上行驶.在这列火车上旅行的人们可以很方便地把火车当作刚性参考物体（坐标系）；他们参照火车来观察一切事件.因而，在铁路线上发生的每一个事件也在火车上某一特定地点发生.而且完全和相对路基所作的同时性定义一样，我们也能相对火车作出同时性的定义.但是，作为一个自然的推论，下述问题就自然产生（参见图一）：

对于铁路路基来说同时的两个事件（例如A、B两处雷击），对于火车来说是否也是同时的呢？我们将直接证明，回答必然是否定的.

当我们说A、B两处雷击相对于路基而言是同时的，我们的意思是：在发生闪电的A处和B处所发出的光，在路基A→B这段距离的中点m相遇.但是事件A和B也对应于火车上的A点和B点.令M为在行驶中的火车上A→B这段距离的中点.正当雷电闪光发生的时候（从路基上判断），点M自然与点m重合，但是点M以火车的速度v向图中的右方移动.如果坐在火车上M处的一个观察者并不具有这个速度，那么他就总是停留在m点，雷电闪光A和B所发出的光就同时到达他这里，也就是说正好在他所在的地方相遇.可是实际上（相对于铁路路基来考虑）这个观察者正在朝着来自B的光线急速前进，同时他又在来自A的光线前方向前行进.因此这个观察者将先看见自B发出的光线，后看见自A发出的光线.所以，把列车当作参考物体的观察者就必然得出这样的结论，即雷电闪光B先于雷电闪光A发生.这样我们就得出以下的重要结果：对于路基是同时的若干事件，对于火车并不是同时的，反之亦然（同时的相对性）.每一个参考物体（坐标系）都有他本身的特殊的时间；除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体的，否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义.

相对论量子场论和粒子物理的结合，不断推进对微观物质的认识并运用到宇宙学上可以看出，庞加莱是留了一手.庞加莱提出庞加莱猜想的1904年时，他只类似说应把惯性相对性原理作为点外空间球或德西特时空球自然界的一个基本原理，要求不仅力学规律，而且真空电磁学的规律，在惯性系的变换下也不变.到1905年庞加莱把相对性原理从具有伽利略不变性，再扩展为具有庞加莱不变性的有限而无界的宇宙模型，这类似郭汉英先生称的涉及“真空零点能之类的佯谬”.爱因斯坦假定称它为“点内空间”球或反德西特时空球，那么可以看出，同年爱因斯坦在洛伦兹等人工作的基础上，利用光信号来确定同时性，否定牛顿的绝对时间和绝对空间提出时空观革命的狭义相对论，是配合普朗克、庞加莱抛出的“大量子论”.爱因斯坦认为：“只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里，那么任何想要满意地澄清这个悖论的尝试，都注定要失败.如果我们要描述一个质点的运动，我们就以时间的函数来给出它的坐标值.现在我们必须记住，这样的数学描述只有在我们十分清楚地懂得‘时间’在这里指的是什么以后才会有物理意义.我们应当考虑到，凡是时间在里面起作用的我们的一切判断，都是关于同时的事件的判断.比如我们说：那列火车七点钟到达这里，这就是说，我的表指到7与火车到达是同时事件.”

参考文献：

[1]刘辽、赵峥、田贵花、张靖仪著《黑洞与时间的性质》（北京大学出版社，2008年12月第1版，第228页）

[2]朱鋐雄著《物理学思想概论》（清华大学出版社，2009年5月第1版，第163页）

[3]刘辽、费保俊、张允中编著《狭义相对论》（科学出版社，2008年7月第二版，第27页）

【4】A·爱因斯坦著《物理学的进化》（上海科学技术出版社，1962年3月第1版，132页）

【5】A.爱因斯坦著《爱因斯坦文集》第二卷89页，商务引书馆1977.7

【6】A.爱因斯坦著《狭义与广义相对论浅说》，21页，上海科学技术出版社1964.8.