所谓的“同时”也是相对的:相对论世界里的同时是怎样的?
试想有一列高速运动的火车,火车的中间有一个随时可以亮起的光源,火车的中央和站台分别有一位观察者。当火车经过站台的时候,车内的光源向两边发射出两道光线,那么他们观察到的情况会是相同的吗?
对于火车上的人来说,他相对于火车静止,因此两束光线同时到达车头和车尾。但对于站台上的人来说,由于光速恒定且火车向前行驶,光线到达车头的距离大于到达车尾的距离,所以在站台上的人看来,光线是先到达车尾再到达车头。
也就是说在火车上发生的同一件事情,对于火车上的人来说是同时发生的,但在车外的人看来是有先后顺序的,这就是狭义相对论的同时相对性,即在一个参考系中同时发生的两件事,在另一个参考系看来不是同时发生的或者说同时也是相对的。
根据狭义相对论,物体在运动方向上的长度会被压缩,即尺缩效应,而这种效应会产生一个悖论,一列高速运动的火车,经过一个与火车长度相同的隧道时,火车和隧道的长度还是相同的吗?
要解答这个问题,我们需要考虑火车司机和隧道管理员两种角色观察到的情况。当火车高速驶入隧道时,在火车司机的参考系看来火车是静止的,而隧道则是向着火车高速运动而来,隧道的长度应该收缩变短。但从隧道管理员的参考系来看,隧道是静止的,火车是高速运动的,火车的长度应该收缩变短。
综上所述,隧道管理员的观点是火车的长度更短,而火车司机的观点是隧道的长度更短。为了验证自己的观点,火车司机和隧道管理员分别设计了一个实验。隧道管理员的实验是在隧道两头放置两个闸门A和B,当火车完全进入隧道后,把隧道前后的闸门关一下再瞬间打开。由于他的观点是火车比隧道短,所以闸门不会出触碰到火车。
火车司机的实验是在火车两头装有烟花,当火车车头刚出隧道时,火车两头同时发射烟花。由于他的观点是隧道的长度更短,所以烟花都应该会发射到隧道外,结果是他们的实验都成功了,但这两个实验的结论是相互矛盾的。
事实上,这两个实验在理论上都是可以成功的,不过都是在各自参考系下的成功。比如隧道管理员的实验,在他看来自己同时关闭了闸门A和B,但由于同时的相对性,在火车司机看来,隧道管理员并没有同时关闭两个闸门。
因为在他眼中隧道是向左高速运动的,所以他觉得隧道前方的闸门B先关闭,此时的火车还没有完全进入隧道,等火车完全进入隧道后,隧道后方的闸门A才关闭。因为闸门只关闭了一瞬间,所以先关闭的闸门B已经打开了,因此火车可以顺利通过。
这个实验结果就证明不了火车更短,同样对于火车司机的实验在火车司机看来,自己是同时发射了烟花C和D,但由于同时的相对性,在隧道管理员看来,火车司机并没有同时发射烟花C和D。在他眼中火车是向右高速运动的,因此他觉得后方的烟花C先发射,然后火车继续向前行驶了一段时间后,前方的烟花D才发射,因此这个实验也证明不了隧道更短。
综上所述,我们只能得出这样的结论,绝对的同时性并不存在,也不存在一个特定的参考系,使得我们可以宣布在这个参考系里这两件事情完全同时发生。但所有这些参考系下得到的这些结果都是准确有效的。因此真正的绝对时间是不存在的,我们各自感知的事件并不相同,时间是相对的。
最后我们再来考虑一个问题,从狭义相对论的这两个方程来看,当物体运动的速度越大,其在运动方向上的长度越小,物体的质量越大。但是当运动速度趋近于光速时,物体的质量将变得无限大,长度将趋近于零。
因此狭义相对论认为,任何物体的运动速度不能超过光速,但是我们从另一个方面去思考,如果物体的运动速度超过了光速,右侧的根号里将会变为一个负数,而将负数开根号就会得到一个虚数。
因此从这个意义上来说,如果虚数存在物理意义,在狭义相对论中虚数的物理意义就是超光速。
作者:纵览