浅述“狭义相对论”的物理图景

自1905年狭义相对论问世以来，虽然质疑声不断，但早已被主流物理学家接受，成为现代物理学两大基础理论之一。

无论“维相”或“反相”，都需要以明确狭义相对论的基本物理图景为前提。故此，综合爱因斯坦本人和利·英费尔德合著《物理学的进化》，以及物理学家方励之所著《从牛顿定律到爱因斯坦相对论》这两本物理图景非常清晰之狭义相对论权威科普著作的论述，简明扼要地介绍一下“狭义相对论”的基本物理图景。

先简要复习一下高中物理：生活中，我们乘坐的列车静静停靠在站台上时，车窗外另一列车从旁边驶过，我们以窗外驶过的列车作为“参照物”，会认为自己在运动；以站台为“参照物”，会认为自己是静止的；当我们以站台为参照物，认为自己是静止的时，若以太阳作为参照物，我们正以大约每秒30千米的速度随地球做绕日公转运动。

动，还是没动？取决于我们选择哪个物体作为“参照物”。和参照物绑定的直角坐标系，可简称“参照系”；和受到合外力为零、呈静止/或匀速直线运动状态参照物绑定的参照系，简称“惯性系”。

以下，综述狭义相对论的基本物理图景：

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一．  基本假设：
1.在“列车惯性系”内，做任何物理实验，都不能分辨列车当时处在静止/或匀速直线运动状态（简称：相对性原理）。
2.在任何“列车惯性系”内，所测真空中光速都是定值C（简称：光速不变原理）。

二．  重要结论：
1.同时刻，是相对的（请注意区分：“时刻”，对应于数轴上的“点”；“时间”，对应于数轴上两个“点”之间的“线段”）。
来自理想实验图景的依据：
　　考虑一列做匀速直线运动的列车从站台驶过过程中，发生了两个闪电、击中列车车头和车尾，并在铁轨上留下了痕迹，在铁轨两个痕迹中间点上的观察者报告，自己在t时刻，“同时刻”观察到电击铁轨两点的光信号，因此认定，两个电击是此前t₀时刻，“同时刻”发生的。（不失一般性）假定，在站台时刻t₀，铁轨两个痕迹连线的中间点恰好和列车的中间点重合，由于光信号的传递需要时间，闪电发生后，列车的中间点已经不再与铁轨两个痕迹连线的中间点重合，所以，无论是站在“铁轨两个痕迹连线之中间点”的观察者，还是站在列车中间点的观察者，都会认定：站在列车中间点的观察者，一定先收到来自车头方向的光信号，后收到来自车尾方向的光信号，并不能“同时刻”收到两个电击列车头、尾的光信号，列车中间点的观察者势必认定：两个电击不是“同时刻”发生的。因此，狭义相对论认为：同时刻，是相对的。
2.动尺缩短。
来自理想实验图景的依据：
　　既然同时刻是相对的，对于列车中间点上的观察者而言，两个闪电电击事件，先电击到车头，后电击到车尾，所以，留在铁轨上两个痕迹间长度一定比列车本身长度短。在列车惯性系上的观察者看来，列车是静止的，静止状态下物体的长度以下称为“本征长度”，记作L₀；本征长度L₀比铁轨上两个痕迹间长度L要长，狭义相对论告诉我们：
　　　　　　L=L₀*√[1 -（V/C）²].
狭义相对论将之概括为：动尺缩短。
3. 动钟变慢。
来自理想实验图景的依据：
　　考虑两个沿同一X轴线方向运动的两个惯性系，各自从两个惯性系的坐标原点，沿Y轴正向、向Y=1反射面发射一束雷达波，并以雷达脉冲前沿发射到脉冲前沿返回作为各自的时间基准。假定，两个惯性系相对静止、原点重合时两个雷达钟的时钟周期完全一致；一旦这样两个惯性系经过一个沿X轴方向的暂态加速过程，彼此相对速度不再为零，那么，两个惯性系的观察者认定：自己所在惯性系之雷达钟的波束是沿垂直X方向往返的、行程短，雷达钟周期短、走得快，一切物理过程都比另一个惯性系要快；另一个惯性系的雷达钟的波束并不是沿垂直X方向往返的、行程长，雷达钟周期长、走得慢。狭义相对论概括为：动钟变慢。
　　不仅动钟变慢，运动参照系中的一切物理过程都相应变慢。狭义相对论也以此解释宇宙射线中观察到的、高速运动的μ介子，比实验室中的μ介子寿命更长这个现象。

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对于基于上述物理图景得到的狭义相对论结论，1911年4月法国物理学家朗之万就意识到狭义相对论违背了对称性原理——存在孪生子悖论（可参考拙作《狭义相对论确实错了！》）。这个明显违背对称性原理的悖论，之所以迟迟难以确定，根源在于：爱因斯坦根据光速不变原理，为“同一惯性系内应该如何对钟？”，确定了具有可操作性的物理方法；但从未就“不同惯性系间应该如何对钟？”，确定一个具有可操作性的物理方法（拙作在《狭义相对论好像真的有问题?!》中，试提了一个在两个不同惯性系之间“对钟”的物理方法，却是维相的朋友绝对不可能接受的。维相朋友提出要“扣除多普勒效应”的想法也是合理的。但是，应该按什么准则 “扣除多普勒效应”？维相的朋友却迟迟不能确定。因为，一旦按合理准则“扣除多普勒效应”，结果应该是：动钟既没有变慢，也没有变快——同样可以证伪狭义相对论）。

从对称性原理出发，考虑两个彼此错车的列车惯性系，在错车过程中，分别根据自己惯性系的同时刻标准，通过两点在对方列车上用激光器烧出烧痕，然后，两个列车中的一个经暂态加速运动转为和另一列车惯性系相对静止，比对两点间距和对方列车上烧痕间距，根据对称性原理，结果都是：本车两点间间距比对方列车上两个烧痕间间距短；那么，究竟哪个列车随运动缩短了呢？只能是：哪个都没有缩短，否则，也就自相矛盾了。

从根本上说，狭义相对论的第一假设：所有惯性系平权，使得，动钟变慢，是互相认为对方“钟慢”——只能当作是一种“错觉”，没有真实物理意义。动尺缩短，也是互相认为动尺比本征长度短——也只能当作是一种“错觉”，没有真实物理意义。如同有两个一样高的山，却会有“这山望着那山高”的错觉一样。狭义相对论正确揭示了产生多种“错觉”的根源。

高速运动之μ介子，比实验室中的μ介子寿命更长这个现象，以及“洛伦兹收缩”现象，皆需深入探求其基于物质相互作用视角的动力学根源。