光速不變?cè)砼c同時(shí)的相對(duì)性【圖解相對(duì)論-1】
如果你聽(tīng)說(shuō)過(guò)相對(duì)論，那么你應(yīng)該聽(tīng)說(shuō)過(guò)同時(shí)的相對(duì)性這一說(shuō)法，它是光速不變?cè)淼闹苯油普?。希望本文能夠幫你清晰地理解?/p>
??光速不變公設(shè)為何產(chǎn)生
??同時(shí)的相對(duì)性如何正確得出
1. 同時(shí)的相對(duì)性
1.1 是否發(fā)生
是否同時(shí)發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，我們先來(lái)討論是否發(fā)生這個(gè)更簡(jiǎn)單的問(wèn)題。
地面坐標(biāo)系上發(fā)生了一個(gè)事件：一顆子彈擊中靶。一輛行駛的火車上的人看這件事是否發(fā)生呢？
答案是顯然的，一定是發(fā)生的，火車上的人可能記錄的發(fā)生時(shí)間有早有晚，發(fā)生地點(diǎn)有所不同，但一顆子彈擊中靶這件事是發(fā)生了的。牛頓和愛(ài)因斯坦都這么認(rèn)為。如果你找到一個(gè)坐標(biāo)系能夠確認(rèn)這件事不發(fā)生，那么99%的可能你是錯(cuò)的，1%的可能目前這個(gè)世界上沒(méi)有人理解你的理論。接下來(lái)我們討論是否同時(shí)發(fā)生。
1.2 是否同時(shí)發(fā)生
畫(huà)面中是勻速（高速）駛來(lái)的愛(ài)因斯坦號(hào)列車。在路上設(shè)置一黃一藍(lán)兩盞路燈，恰好能夠保證在某個(gè)時(shí)刻，當(dāng)列車以速度v駛過(guò)時(shí)，藍(lán)燈與車頭重合，黃燈與車尾重合。
我還制造出了一種光子炸彈:（1）這個(gè)炸彈有容納兩個(gè)光子的兩個(gè)空位，黃色空位只能容納黃色光子，藍(lán)色空位只能容納藍(lán)色光子;（2）當(dāng)檢測(cè)到任何一種光子單獨(dú)進(jìn)入后，光子通道立即關(guān)閉;（3）只有兩種光子同時(shí)進(jìn)入，才能占滿空位。一旦被占滿，炸彈爆炸;（4）光的多普勒效應(yīng)不會(huì)影響炸彈的檢測(cè);
1.2.1 地面炸彈
我將光子炸彈放在路燈中間，同時(shí)閃爍一次路燈，各自發(fā)出一束光脈沖（為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，視為各自發(fā)出一個(gè)光子，且忽略光的多普勒效應(yīng))?？梢杂^察到炸彈爆炸。
下面分析一下炸彈爆炸：
已知發(fā)光的時(shí)間相同（這是給定條件，無(wú)論如何都不可動(dòng)搖，否則推理不成立），根據(jù)光走過(guò)的路程相同和光速相同（這兩個(gè)是需要分析一下的，但由于是靜止的坐標(biāo)系，顯然成立，牛頓和愛(ài)因斯坦們都不懷疑）得出光經(jīng)歷的時(shí)間相同，那么必然得出光到達(dá)炸彈的時(shí)間相同，也就是炸彈爆炸。
1.2.2 火車炸彈
現(xiàn)將光子炸彈放在愛(ài)因斯坦號(hào)列車中間位置。
當(dāng)列車以速度v駛過(guò)，恰好處于兩燈之間時(shí)，同時(shí)閃爍一次路燈，各自發(fā)出一束光脈沖。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，視為各自發(fā)出一個(gè)光子。(忽略光的多普勒效應(yīng))
我們先從地面分析炸彈是否爆炸，分析的思路很簡(jiǎn)單，與之前分析地面炸彈時(shí)完全一致（因?yàn)樽鴺?biāo)系還是地面），可以得出炸彈不爆炸這一結(jié)論。
由于地面觀測(cè)不到炸彈爆炸，那么火車上也必定觀測(cè)不到爆炸。帶著該結(jié)論，轉(zhuǎn)換到火車的坐標(biāo)系分析。
于是我們先寫(xiě)出牛頓和愛(ài)因斯坦都沒(méi)有異議的結(jié)論：
??a)光走的路程相同
??b)光到達(dá)的時(shí)間不相同
??c)光經(jīng)歷的時(shí)間不同步(a&b得出的推論)
下面是有爭(zhēng)議的部分（基于光經(jīng)歷的時(shí)間不同步）：
牛頓堅(jiān)持兩光發(fā)出時(shí)間相同，推導(dǎo)出光速可變。
愛(ài)因斯坦堅(jiān)持光速不變，推導(dǎo)出兩光發(fā)出時(shí)間不同。
注意，兩光發(fā)出時(shí)間相同和光速不變都是他們?yōu)榱私忉屨◤棽槐ìF(xiàn)象的假設(shè)，如果沒(méi)有物理實(shí)驗(yàn)支撐，誰(shuí)也說(shuō)服不了誰(shuí)。但是顯然今天的我們知道更多的物理實(shí)驗(yàn)支撐了光速不變，所以我們接受了相對(duì)論中的光速不變，它能更好地描述這個(gè)宇宙的運(yùn)行規(guī)律。
最后總結(jié)一下：
在地面坐標(biāo)系下認(rèn)為同時(shí)發(fā)生的事情（黃、藍(lán)光子同時(shí)發(fā)出），在相對(duì)其運(yùn)動(dòng)的火車系下并不認(rèn)為同時(shí)發(fā)生。
同時(shí)性的相對(duì)性討論的是兩個(gè)異地事件對(duì)某個(gè)慣性系而言是否同時(shí)發(fā)生，而不是能否被該系中的某個(gè)特定觀察者同時(shí)“看”到（對(duì)應(yīng)案例中的炸彈爆炸）。
同時(shí)的相對(duì)性是光速不變的直接推論，只要承認(rèn)光速不變就必須承認(rèn)同時(shí)的相對(duì)性。
炸彈是否爆炸不能作為“同時(shí)性的相對(duì)性”是否成立的決定條件！我們完全可以將炸彈放在火車系下能夠爆炸的位置，但這推不出任何矛盾，愛(ài)因斯坦和牛頓都會(huì)自圓其說(shuō)。
2. 火車-隧道問(wèn)題
一旦理解的同時(shí)的相對(duì)性，就可以理解高速火車過(guò)隧道的問(wèn)題。
??尺縮效應(yīng)：一輛高速運(yùn)動(dòng)的火車會(huì)發(fā)生尺縮效應(yīng)，因此從地面觀測(cè)會(huì)比其靜止時(shí)更短。
??在接下來(lái)的描述中，隧道管理員代表地面視角，火車司機(jī)代表運(yùn)動(dòng)的火車視角。
當(dāng)隧道管理員看到火車車頭和車尾同時(shí)處于隧道中時(shí)，同時(shí)放下隧道兩端閘門(mén)并立刻抬起。
對(duì)火車司機(jī)而言，隧道也有尺縮效應(yīng)，他應(yīng)認(rèn)為隧道比火車更短。沒(méi)有理解同時(shí)的相對(duì)性前，你可能會(huì)糾結(jié)于火車司機(jī)如何看待隧道管理員的放下閘門(mén)的動(dòng)作（不會(huì)弄壞火車嗎？），或者認(rèn)為狹義相對(duì)論自相矛盾。
但現(xiàn)在我們應(yīng)該知道，對(duì)火車司機(jī)而言，隧道管理員放下車頭和車尾閘門(mén)兩件事并非同時(shí)發(fā)生?；疖囁緳C(jī)看到的事件應(yīng)該是這樣的：
隧道口先與火車車頭重合，閘門(mén)放下抬起；
隧道運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，車尾到達(dá)隧道口，另一道閘門(mén)放下抬起。
對(duì)隧道管理員與火車司機(jī)而言，一切都是合理的。
3. 光速不變?cè)?/h1>
先看光速不變?cè)淼耐暾枋?，在接下?lái)的分析中會(huì)用光速不變代替這些描述。
光速不變?cè)硎仟M義相對(duì)論的兩個(gè)基礎(chǔ)公設(shè)之一。在狹義相對(duì)論之中，指的是無(wú)論在何種慣性參照系中觀察，光在真空中的傳播速度相對(duì)于該觀測(cè)者都是一個(gè)常數(shù)，不隨光源和觀測(cè)者所在參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而改變。
光速不變的產(chǎn)生來(lái)自于三個(gè)原理/定律之間的矛盾。
相對(duì)性原理、牛頓力學(xué)推出的結(jié)果、麥克斯韋電磁學(xué)理論(以下用A\B\C分別代替）都是非常硬核的道理，不是我等無(wú)名之輩提出的創(chuàng)新點(diǎn)。為了解決兩位大佬的矛盾，有兩種途徑，要么否定A，要么統(tǒng)一BC。否定A這件事顯然先不考慮，一統(tǒng)才是王道。
物理學(xué)家絞盡腦汁統(tǒng)一牛頓和麥克斯韋的觀點(diǎn)，最著名的是“以太”假說(shuō)。但 “麥克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)”否定了這一假說(shuō)，并證明牛頓敗了，麥克斯韋勝利。
接下來(lái)的事件就是基于相對(duì)性原理和光速不變?cè)淼莫M義相對(duì)論誕生（“麥克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)”的時(shí)間早于愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論的時(shí)間）。
在后面的文章中將會(huì)介紹洛倫茲變換和閔氏時(shí)空?qǐng)D等內(nèi)容。如果你覺(jué)得還不錯(cuò)，別忘了點(diǎn)一個(gè)大大的贊！
參考：
??維基百科.Theory of relativity
??梁燦彬.微分幾何入門(mén)與廣義相對(duì)論
??梁燦彬.從零學(xué)相對(duì)論
??PengTitus.狹義相對(duì)論導(dǎo)論
??長(zhǎng)尾科技.雷擊火車實(shí)驗(yàn)，你可能并不懂「同時(shí)的相對(duì)性」
