7.6 物理实在
最后一个问题是，相对论效的时空畸变效应究竟是一种光学现象，还是一种物理实在？要回答这个问题，我们首先要分清光学现象和物理实在两个概念的区别。
所谓光学现象就是指由于距离遥远或折射、反射等光学原因导致的信号延时、位置偏移或物体几何形状的透视变形，由于这种影响只能停留在视觉效果的范围内，因此只是一种光学现象。例如，两个距离1光秒的观察者相对静止，虽然他们处于同一个参考系当中，然而由于光信号延时的影响，当他们望向对方时，都会发现对方时钟显示的时刻比自己要晚1秒。由于远大近小的透视原理，他们也都会认为对方的身材比自己渺小。然而，这种效果仅仅只是一种光学现象，这种意义上的钟慢仅仅是指对方时钟显示的时刻变慢了，而钟表走时的速度并没有任何变化；这种意义上的尺短也仅仅反映在视觉层面，不会在声学、力学、热学、电学等其他物理范畴内产生任何影响。而所谓物理实在则是指，某种改变真实的发生了，其结果可以通过任何科学实验的检验。例如，一枚鸡蛋被石头砸碎了，无论我们通过光学实验还是力学实验检验都会发现，这枚鸡蛋都确确实实的碎裂了，不可能有任何科学实验的检测结果于此相悖。
根据我们前面的分析，相对论效应是由于两个参考系对于“同时性”的理解不同所造成的。而之所以对“同时性”理解的不同，又是因为光信号在运动的不同方向上传播距离不同，延时效果不同所造成的。从这个意义上讲，相对论效应似乎应该只是一种光学现象。但实际上，这种光信号的延时的效应绝不仅仅和光学有关，它可以进一步影响到物理学的各个领域，因此，相对论效应成为了一种真实的物理实在。那么，这一切又是如何发生的呢？
在前面的内容中，我们已经提到：与时间和空间相比，速度是更基本的物理量，与速度有关的惯性定律也是最基本的物理定律。因此要理解相对论效应的深层原因，我们要先从最简单的速度开始分析：
如图7-24所示：在某一静止的参考系中，三个相同的物体AOB保持相对静止，且OA的距离等于OB，而物体C则以速度v从A向B匀速直线运动。假设在经过时间tA以后，C恰好从A点走到了O点。那么，在此过程中，如果我们站在O的立场上观察，C的视觉速度又是多少呢？
由C的运动速度和时间可知，AO的距离s = v tA。但是，由于AO之间存在一段距离，C离开A的信号需要一段时间tC才能传递到O点，由于信号传播速度为光速，所以：
tC = s / c = v tA / c。于是在O看来，A要到达C所花费的总时间t为：t = tA - tC = tA - v tA / c。因此，当物体C以实际速度v靠近O时，在O看来，C的视觉速度vAO为：
显然，按照这一规律，当A靠近O时，在O看来的视觉速度要比实际速度小一些。假设在此过程中，A是以光速靠近O，那么在O看来，视觉速度vAO = c /(c-c) ，分母为0意味着，这一视觉速度将会是无穷大。实际上，这一结论完全符合人类的直觉。
在日常生活中，我们可以看到一个篮球慢悠悠的朝我们飞来，也可以看到一颗子弹快速的向我们飞来，但我们永远不能看到一束光快速的靠近我们。无论这束光的光源距离我们多远，我们都不可能首先看到光源被点亮，随后看到光波离开光源，最后看到光波入射到了我们的眼睛。只有在光波进入我们眼睛的一瞬间，我们才能发现光源被点亮，虽然在我们看来，光波进入我们的眼睛和光源被点亮是“同时”发生的，但理性会告诉我们，由于光源距离我们有一定的距离s，光源被点亮的那个瞬间应该发生在s/c的一段时间前！
接下来，我们让物体C继续保持速度v前进，从O点前进到B点，显然，在此过程中，由于OB=OA，所以OB之间的距离仍为v tA，C所经历的时间同样为 tA。同样，由于OB之间存在一定距离，因此在O看来，C离开自己的时间会比实际时间长一段时间tc，因此，在O看来，物体C移动的总时间t为：t =tA+tc = tA + v tA / c，而C移动的视觉速度vOB为：
按照这一规律不难发现，当物体C远离O时，它在O眼中的视觉速度要大于实际速度。假设C以光速离开O，则C的视觉速度vOB = c×c /2c = c / 2。也就是说，如果我们在茫茫宇宙中发出一道光，尽管这道光的实际速度为c，但由于光反射进入我们的眼中需要花费同样的时间，就会导致我们认为这束光最前端的光斑离开我们的速度恰好为光速的一半。
通过上述分析不难发现：即使是在同一个参考系中，由于光信号延时的影响，匀速直线运动的物体的视速度也不相同：当物体靠近观察者运动时，其视速度会大于真实速度；当物体远离观察者运动时，其视速度会小于真实速度。二者分别为：
视速度不同意味着物体在靠近和远离观察者的过程中经历的时间不同，假设在靠近和远离的过程中经历同样的一段路程s，那么两个过程的时间分别为：
显然，在经历同一段路程s的过程中，物体向观察者靠近经历的时间更短，而物体远离观察者时经历的时间更长。那么，物体实际运动速度和实际运动时间又是多少呢？尤其重要的是：当物体经过观察者的那一瞬间，它的运动速度又该如何计算呢？
其实，物体的实际运动速度源于视觉速度的算术平均。由前面的分析容易得知，物体靠近和远离观察者的总路程为2s，而总时间和平均速度则分别为：
这一平均速度即是参考系中物体的实际运动速度，又是物体经过观察者的瞬时速度。显然，这一速度与物体靠近和远离的方向无关，正因为如此，当两个参考系中的时间和空间都发生变化以后，两个参考系的相对运动速度却可以保持不变。
现在的问题在于，视速度仅仅是由于光信号延时所产生一种视觉现象吗？不是的，视速度不仅会导致物体靠近和远离观察者的时间不同，而且会进一步导致视觉距离的不同。如图7-25所示：假设AO和OB的距离均为s，而A’O’B’保持在同一速度v自左向右运动。假设我们在无穷远处的上帝视角发现：经过一段时间t后，物体O’从A处到达了物体O处，于此同时，A’B’分别经过了AB两处，这就意味着在上帝视角看来：A’B’=AB，并且A’O’=OA=OB=O’B’。然而，如果我们站在O点观察又会发生什么现象呢？
由已知条件：物体运动的实际速度v=s/t。但是，在经过了t的一段时间后，A’B’经过AB两物体的消息并不能传递到O处，在O看来，从物体B’经过自己到O’处经过自己的时间同样为t，但由于物体B’在远离自己，而物体远离的视速度小于实际速度，因此，经过时间t以后，B’到达自己的位置sO’B’为：
由于sO’B’<s，所以当物体远离观察者运动时，其视觉距离要小于实际距离。同样，虽然物体A’在经过t秒钟也可以达到物体O处，但由于A’的视觉速度大于实际速度，因此在O处看来，A’到自己的距离sA’O’为：
由于sA’O’>s，所以当物体靠近观察者运动时，其视觉距离要大于实际距离。那么当物体O’经过O处的瞬间，从O处看来：物体A’O’B’的视觉效果将如图7-26所示：更重要的是，虽然从上帝视角看来，A’O’=O’B’，但此时，在O处看来：sA>s>sB。且A’B’之间的视觉距离sA’B’为：
当O点同时观察到A’B’经过AB的事件后，OO’之间的距离为：
与此同时，O’B’和O’A’之间的距离分别为：
显然，由于O’A’>O’B’，因此在物体O看来，O’不再是A’B’的中点，而是沿着运动方向向前偏移了。假设A’O’B是一列火车，AOB是列车经过的站台。那么，当列车的头尾A’B’两处同时经过站台的时候，在站台的中点O看来，列车的A’B’中点就不再是O’点，而是恰好经过O点的一节车厢。反过来，如果我们站在列车A’O’B’的中点O’处观察，也会认为站台的中点不再是O点，而是O’点恰好经过的对应位置。
通过上述分析不难发现，对于相互运动的两个参考系而言：不但时间是相对的，空间距离是相对的；而且垂直的概念也是相对的，中点的概念也是相对的。当光信号延时效果产生以后，不但会造成视觉速度不同，而且会导致视觉距离不同，导致物体会靠近和远离观察者的时间不同。
更重要的是，假设在此过程中，两个物体之间有相互作用力，则无论这个力的性质是万有引力还是电磁力，无论这个力的作用是相互吸引还是相互排斥，由于靠近和远离过程中的时间不同，两个物体的相互作用时间也就会产生差别，进而可以对两个物体的运动变化产生影响，而物体的运动变化又将进一步决定物体的相对论质量和能量。综上所述，由于光信号延时产生的一系列的物理影响，导致相对论效应不只是一种光学现象，而会成为一种真正的物理实在。
在本章中，我们通过数学语言探讨了时空的基本性质和运动的基本规律。接下来我们将走进茫茫太空，在一场大规模军事行动中体验一下相对论时空变换的真实效果……