同时性的相对性
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1 156 同时性的相对性
主题
在有狭义相对论的中学物理教材中,除了长度收缩和时间膨胀这两个主题
外,同时性的相对性也是一个重要的主题。通常,这一要点被表达为“同时性是
相对的”。
缺点
我们认为,与狭义相结论(STR)中另外两个命题相比,这个主题被给予了
太多的关注。这确实是一个很复杂的问题,但也体现不出与此相关的其他任何重
要性。
在两个不同地方发生的两个事件是否具有同时性的问题源自我们这样一种
信念,即有一种独立于位置和速度的时间,这个参数允许我们将这个世界作为一
个整体的状态清楚地排列起来。为了回答这个问题,我们需要一个操作步骤来确
定在不同位置的两个事件是否具有同时性。这个操作步骤是这样来定的:在不同
位置放有同步的钟。
退一步讲,让我们来思考另一个相似的问题:同地性(equal-positionness)
也具有相对性?用更通俗的话来说:有两个事件,对于某人来说发生在同一地点
或位置,对于另一个人来说也发生在同一地点?在这里,“某人”和“另一个人”
的意思是“在一个参考系中”和“在另一个参考系中”。对这个问题的回答是:
“不”。这个道理是如此的明显,以至于没有人会问起这个问题。
同时性的相对性实际上也并不重要。这一事实我们可以从广义相对论(GTR)
的角度看出来。在GTR中,这个问题象手指间的沙马上消失了。一般来说,要
同步两个相同的钟是不可能的。因此,同时性这一概念就失去了它的意义,除非
我们赋予同步这个词以新的含义。例如,在GPS系统中,在卫星中我们安装一
只钟。这只钟如果安装在地球表面上时,它比旁边的正常钟要慢。如果将它安装
在卫星上,这钟将与地球上的钟“同步”:两只钟每次相遇时,它们的读数总是
相同的。然而,请注意:这种同步不同于在STR背景下所说的同步。
跟长度收缩和时间膨胀一样,同时性的相对性与参考系的变换有关。无论在
相对论中还是在经典物理学中,无论对于学生还是对于有经验的物理学家,参考
系的变换经常会引起混淆[1]
。在变换参考系时,我们必须记住:变化的不是自然
界,不是这个真实的世界,而仅仅是我们描述这个世界的数学方式。有人也许会 2 稍微夸张一点地说:由参考系的变换而引起的物理量的值的变化以及由此引起的
对现象的解释方式的变化是不适当的描述方法所导致的结果。然而,遗憾的是,
我们别无其他选择。
然而,为什么同时性的相对性显示不出其重要性呢?这是因为,在一个参考
系中是同时的两个事件,在另一个参考系中是不同时的,这两者之间的关系不是
随便地相联系的。这样,时间序列的倒置不可能具有任何重要性。
历史
爱因斯坦在他的著名论文“论运动物体的电动力学”[2]
中用三个多页面的篇
幅处理了时间同时性这一问题。这是对爱因斯坦思想感兴趣的读者一开始会遇到
的问题。
爱因斯坦在写这个文章时还不能猜测到这个概念会被他本身在几年后所提
出的理论带来奇怪的命运。
1905年看来是讨论一个人类非常期待的问题的合理时间。这个问题是,两
个在不同地方发生的事件是否具有独立于参考系的同时性。从GTR的角度来看,
这是一个绝望的尝试,这个尝试保存了我们对这个世界的直觉上的误解。
建议
这个建议让我们获得了时间:至少在中学里直接删除这个内容。在相对论中,
还有另外更重要的时空背景下的结论和表述。然而,这些结论通常被表述得不大
好。
参考文献
[1] F. Herrmann: Altlasten der Physik, Relativitätstheorie und
Bezugssystemwechsel
[2] A. Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik und
Chemie, Jg. 17, 1905, S. 891-921.
F. Herrmann著
(陈敏华,2016年12月20日译毕于浙江省绍兴市柯桥区碧水金柯)