2.2 “同时性的相对性”存在的深刻问题

2.2.1 爱因斯坦“同时性的相对性”

1.爱因斯坦“同时性的相对性”

在经典物理学中，如果两件事情在一个参照系是同时的，那么在另外一个参照系也是同时的，也就是说“同时”是绝对的，但是爱因斯坦从相对性原理和光速不变原理得出了“同时”是相对的结论，甚至事情的先后顺序也是相对的。

我们仍援引爱因斯坦1916 年发表的《论狭义与广义相对论浅说》第一部分第9 小节同时性的相对性章节中的内容 ^[4] ：假设有一列很长的火车，以恒速 v 在轨道上行驶，对于铁路路基来说是同时发生的两个事件（例如车尾 A 、车头 B 同时被雷电击中），对于火车系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 AB 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 点和 点。令 为在行驶中的火车上 这段距离的中点。正当雷电闪光发生的时候，点 自然与 M 重合，但是点 以火车的速度 v 向右方移动。火车上的观察者正在朝着来自 的光线急速行进，同时他又是在来自 的光线的前方向前行进。因此这个观察者将先看见自 发出的光线，后看见自 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 先于雷电闪光 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（同时性的相对性）。以上就是爱因斯坦著名的“雷击火车”思想实验。如下图所示：

从上面两张图片，我们不难看出，在地面上的人看来，车头来光和车尾来光同时到达他的眼睛；但是对于火车上的人来说，由于他随着火车一起向右运动，车尾来光是“追着”他在前进，车头来光是“迎着”他在前进，根据狭义相对论光速不变的假定，火车上光的传播速度仍然为 c ，最终，车尾来光要比车头来光走更远的距离，所以，火车上的人将先看到车头来光，后看到车尾来光。由此可见，车头车尾同时被雷电击中，地面上的人看是同时的，火车上的人看却是不同时的，于是狭义相对论得出了“同时性的相对性”的论断。

2.2.2 “同时性的相对性”存在的深刻问题

援引爱因斯坦《论动体的电动力学》中关于“同时性的相对性”的总结性论述 ^[3] ：“我们不能给予同时性这概念以任何绝对的意义；两个事件，从一个坐标系看来是同时的，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。”也有的人认为：爱因斯坦是通过“雷击火车”思想实验来举例说明“同时性的相对性”，实际上这并不是爱因斯坦的“初衷”，需要重点强调的是：我们应该充分尊重爱因斯坦原著论文，爱因斯坦通过具体实例和总结性论述明确表达了其“同时性的相对性”的物理学含义，任何过度的解读和猜度都不是“同时性的相对性”的准确物理学表达。

爱因斯坦“同时性的相对性”所犯的错误涉及哲学层面的问题，物理学是一门观察和试验的科学，我们也承认观察或者光线进入眼睛是我们作出判断的前提和基础，如果没有光线进入人的眼睛，我们的确不容易判断两个事件是否是同时的，但是如果我们把观察到的现象或者光线进入人眼作为判断事件同时性的标准就犯了一个严重的错误，这与把“海市蜃楼”当成真实的存在物没有什么本质区别。我们所观察到的现象是不是客观世界的真实状况，还需要我们运用思维逻辑架构进行甄别，从而弥补“观察”这种人类的“先天性缺陷”。因为我们更应该相信“客观实在性”，而不仅仅是“观察”，“雷击火车”思想实验中，列车车头和车尾是否被雷电击中是一个客观事实，要么同时被击中（列车车头车尾处同时有电火花或电荷聚集），要么不是同时被击中，换言之，列车车头和车尾处要么聚集了大量的电荷引发了雷电，要么没有聚集大量的电荷没有引发雷电，我们应该坚信这是物理事实，这是我们认识世界的逻辑法则和底线，这一点至关重要。

在爱因斯坦“雷击火车”思想实验中，地面上的人看到车头和车尾同时被雷电击中，站在火车的人看到的却是不同时。之所以会出现这样的状况是因为两个人看到的光行进的路程不同罢了，在这个问题上狭义相对论混淆了概念，我们看到不同时不代表真的不同时，眼睛有时会“欺骗”我们，这和“海市蜃楼”类似，我们看到的未必是真实的情况，当然，这与“海市蜃楼”现象还有所不同，我们的眼睛告诉我们两个人看到的情况不一样，这不能直接得出“雷击火车”事件就变成了两个不同时发生的事件。

“雷击火车”思想实验有一定的迷惑性或者说有光速与火车速度是否有关的疑惑，使得这个思想实验让“同时性的相对性”更加扑朔迷离。为了清晰说明“同时性的相对论”存在的问题，我们可以举一个“水管思想实验”来说明。假定有一根静止在地面上的水管，在水管的中间位置有一个阀门，当阀门打开时水会同时以相同的速度向左右两个相反的方向流去，在地面上静止的处于阀门位置的人看来，水必然同时到达管子的左右两端，然而在向右运动的人看来，管子中的水却不是同时到达两端，这个人将先看到右侧的水先到达右端，后看到左侧的水到达左端，因为光走的距离不同。

我们甚至可以把这个例子举得极端一点，假如当这个运动的人刚好到达水管最右端时，管中的水也恰好到达最右端，当然左端的水也同时到达了水管的最左端。此时，运动的人瞬间就看到了水到达水管最右端这个“事件”，然而左侧的水流到达最左端这个“事件”所发出的光却需要走过整个水管的长度才能到达这个人的眼睛，在这个运动的观察者看来，水到达最左端和最右端这两个事件将是“不同时”发生的，但是水流同时到达两端却是客观的物理事实。这个例子能很好地说明“同时性相对性”存在的问题，我们受制于感官的限制才误认为不同时，还好我们有逻辑思维可以矫正这种“视觉假象”。对于双生子佯谬的问题也是一样，实际是双方看到对方都年轻了，他们看到的只不过是过去对方的光线或影像罢了，但事实上双方都是自己真实的年龄。

雷击火车事件是客观发生的物理事实，我们先分析一下雷电是怎么形成的，以方便说明雷电是否发生，何时发生，在哪里发生。根据一般的说法：雷电是一种大气中的放电现象，在积雨云形成过程中，某些云团带正电，某些云团带负电，当电荷积累到一定程度后，空气就会被击穿，产生强烈的声、光、电的一种自然现象。由此可见，火车车头车尾同时被雷电击中，是因为在某一时刻火车的车头和车尾的大气产生了放电现象，在这一时刻，在车头和车尾处有足够多的电荷聚集和放电，这是个客观的物理事实，并不以观测者是否观测到它或者说何时观测到闪电的信号来确定事件发生的先后顺序，“雷击火车”事件是个客观物理事件，不因为雷电所发出的光是否同时到达人的眼睛来确定事件发生的先后顺序，人的主观观测结果不能代表客观物理事实，我们还要深入考虑观测结果和理性逻辑之间的关系，从而判断真实的物理状况，这一点对于物理学甚至所有自然科学都至关重要。雷击火车及其世界线图景如下图所示：

从上面的世界线中，我们可以清楚地看到，在地面系看来，车头来光和车尾来光将在 时刻同时到达地面上的 M 点处，但是对于火车系而言，位于车厢中间的人将在 时刻看到车头来光， 时刻看到车尾来光，也就是火车上的人先看到车头来光，后看到车尾来光，似乎闵氏时空世界线可以非常直观而完美地解释爱因斯坦“雷击火车”思想实验，但是这种看似非常完美的图形工具，本身却违反光速不变原理，关于这个问题我们在上一小节已经进行了详细论述。在地面系，光线与地面的相对速度为1，夹角为45°，但是，在火车系，这束光相对火车的速度将不再是1，其夹角也不再是45°，也就是说，在火车系看来，光的速度将不再是 c ，这与光速不变原理明显相悖。在闵氏时空的世界线图景中，质点与光的相对速度将不再是恒定的，因此，从世界线图景中建立起来的闵氏时空固有时也是毫无意义的，世界线和闵氏时空都与光速不变原理存在矛盾。爱因斯坦还利用洛伦兹变换中的时间变换关系 来定量描述所谓的“同时性的相对性”造成的时间差异，实际也是没有任何意义的，爱因斯坦所谓的“同时性的相对性”充其量不过是一种视觉时间差异而已，况且这种建立在“光速不变原理”之上的时间变换关系公式 也并不能正确计算视觉时间差异，在下面的小节我们会系统说明关于运动物体造成的视觉时间差异和空间位置差异问题。

2.2.3 运动物体的光影效果

当物体处于高速运动状态时，的确会造成视觉时间上的差异，也会造成视觉影像上的拉伸或压缩，我们所看到的影像不管是在时间上，还是在空间上都已经不再是物体所处的真实时间与空间，我们可以运用逻辑与数学工具来矫正所看到的光与影。也就是说，我们不仅要知道自己看到了什么或者说观测到了什么？更重要的是，我们还应该知道运动物体的真实位置或者客观事实到底是怎样的？运动物体相对于观察者而言，大致可以分为远离观察者和靠近观察者两种情况，为了对运动物体的光影效果进行量化和视觉化描述，我们以最简单的一维的情形来建构数学模型。为了更加直观描述问题，下面小节中的有关图形或图示均取光速为自然单位制，也就是令光速 c =1。假设在地球上有一个静止的观测者和一个以速度 v 匀速运动并远离观测者的物体，物体的运动方向始终与观测者位于同一条直线上，假设在 t =0 时刻，该观测者和运动物体都位于坐标原点处，如下图所示：

在 t 时刻，虽然该运动物体已经到达距离原点 x 处，但是，该时刻观测者所观察到的只是运动物体在 时刻发出的光，也就是说，观测者此时观察到的只是运动物体过去的影像。图中的紫色射线表示处于匀速运动状态的物体，时间轴代表静止观测者，斜向下方向的蓝色虚线表示在 时刻运动物体所发出的指向观测者的光，该蓝色虚线与 t 轴的夹角为45 ^∘ ，原因是此处取自然单位制，令光速 c =1，需要说明是我们这里提到的光速 c 并不满足爱因斯坦所假设的光速恒定不变，事实上光速不变原理并不成立，也不是客观物理事实，关于“光速不变原理”的问题我们在后续小结还会详细论述。以上图示可以直观地展示运动物体的视觉时间 、真实时间 t 、视觉位置 、真实位置 x ，通过上图可以计算出它们之间的关系，该图也可以称为时空图。

当观测者在 t 时刻观察到运动物体的影像时，此时他所观察到的是时间 时刻物体的样子，由于运动物体发出的光线与时间轴 t 以及空间轴 x 形成等腰直角三角形，因此有 ，将光速 c =1 还原为正常单位制，可以写为： ，做适当变形有如下关系式： ，也就是说如果观测者在 t 时刻观测到运动物体，该时刻他观测到的只是 时刻物体的影像。举个例子，假如该运动物体的运动速度为7.5 万 km / s ，观察者在 t =10 s 时刻所看到的是8 s 时该物体的样子，计算过程也很简单： 。此时真实时间虽然是10 s ，但其视觉时间为8 s 。

通过时空图，我们还可以直观得出运动物体的真实位置 x 和视觉位置 ，其中真实位置 x = vt ，视觉位置 ，将 带入可以得到： ，也就是： 。还以刚才的例子进行说明，在 t =10 s 时，物体的真实位置 x = vt =7.5∗10=75，即运动物体实际距离观测者75 万公里，但是在 t =10 s 时刻，我们只能观察到该物体处于距离观测者60 万公里时的位置或者影像，计算过程为： 。

综合以上过程，当物体以速度 v 远离静止观测者且其运动方向始终与观测者位于同一条直线上，视觉时间 与真实时间 t 以及视觉位置 与真实位置 x ，满足如下关系式：

同时我们也可以进一步推导出以下结论：

其中 或者 称为时空系数，一般用 k 表示，当物体以速度 v 远离静止观测者且其运动方向始终与观测者位于同一条直线上时，时空系数 ，速度 v 越大，时空系数k 越大，视觉时间 与真实时间 t 之间的差异就越大，视觉位置 x 与真实位置 x' 之间的差异也越大。从实际视觉效果来看，当物体以速度 v 远离静止观测者时，我们将看到该物体上发生的所有动作都变慢了，就好像我们把视频调慢速率一样，例如当我们看视频时，可以把视频播放速度调慢，或者也可以把这种现象称之为时空效果的“慢放”。关于运动物体靠近观测者时的视觉时间差异和空间位置差异的定量计算问题在后续章节有系统论述，我们在此不再详细论述。

2.2.4 “同时性的相对性”面临的哲学问题

物理学是一门观察与实验的科学，但是光线进入我们的眼睛却有时间和空间的差异，如爱因斯坦“雷击火车”事件所描述的：地面上的人看到雷击车头和车尾是同时发生的；但是，在火车上的人看来，雷击车头和雷击车尾却是不同时的。于是爱因斯坦得出了“同时性的相对性”这个相对论的核心观点，但是我们看到的现象是否就是客观事实本身？答案是否定的。火车的车头处和车尾处是否被雷电击中或者说那里是否发生了雷电现象？在车头处和车尾处是否有电荷的聚集与放电，这是客观物理事实，我们必须相信这个最起码的逻辑认知，或者说我们应该相信这个世界是存在客观事实的，不管我们看到的情况是怎样的，我们更应该相信：“一定存在客观事实”这个基本的信念，尽管我们仍需要通过观察才能够对客观事实进行判断，但是观察结果不能是唯一的标准或准则，我们还需要对看到的事物进行进一步的逻辑判断和思考，否则这与我们把“海市蜃楼”当成真实存在物没有本质差异。在前面的章节，我们也举例说明了水管思想实验让大家更容易理解这个问题。包括“双生子佯谬”问题，真实的情况是孪生兄弟双方看到对方都年轻了，但只是看起来年轻了，实际上，每个人都是自己真实的年龄，他们看到的只不过是对方处于运动状态而导致的光影效果或者过去的影像罢了，双生子佯谬问题可以使用我们上面所提到的时空图和时空系数 k 进行直观和定量表达。

观察是人类最重要的认知形式，我们并不能因此而否定我们所看到的事物，幸运的是，我们还有理性的逻辑或者数学的演绎来弥补人类的这种由于“观察”本身而存在着的“先天缺陷”。

如果我们仅仅以实验观测作为评判一个理论的标准，或者说把观测到的现象作为一个理论的出发点或基石，实际都是犯了经验论哲学的错误。眼睛和光线是我们认识世界最重要的东西，然而光线进入我们的眼睛却有时间和空间的差异，对这些表象进行某种判断时，我们必须抱有足够的谨慎。就像爱因斯坦所论述的“同时性的相对性”问题，“雷击火车”事件，地面上的人看到雷击车头和车尾是同时发生的。但是，在火车上的人看来，雷击车头和雷击车尾却是不同时的。狭义相对论据此得出了“同时性的相对性”这个相对论的核心概念。实际上，这是人们过于相信自己感官，没有做进一步的逻辑思考来验证这种感官经验的可靠性，所作出的虚假判断。就像我们可能会把“海市蜃楼”当做是真实的存在。其他科学也是如此，我们应该把经验获得的东西与人类的逻辑思维架构紧密联系起来，确保其具有真正的物理意义和观测意义。就像康德哲学所描述的那样：人类能不能获得普遍必然性的知识？康德给出的答案是肯定的。我们需要把感官获得的杂多的经验对象与唯理论哲学所论述的具有普遍必然性的逻辑判断或数学演绎结合起来，只有两者结合才能获得具有普遍必然性的知识，这也是我们追求真理，获得正确科学理论的唯一方法。 uWYnUZwLCa26LugiOuvw6EhZktNtchZIQZCkEw+04YFNsKjWNv8kXdUkLR+ywAAC