《重读相对论》5.2 同时性问题

5.2 同时性问题

专利局的天是晴朗的天，

爱因斯坦心里头好喜欢，

一把拉住了好朋友呀，

激动的话语说不完，

呀呼嗨嗨一个呀嗨！

我想只有这首歌能形容爱因斯坦当时的心情，只见他拉着好朋友贝索，一会儿指指外面的钟楼，一会儿又指指自己的手表，激动之情溢于言表。是啊，萦绕心头多年的困惑终于烟消云散了，对爱因斯坦而言，这就是一次思想的大解放！几周以后，《论动体的电动力学》发表了，在这篇论文中，爱因斯坦没有引用任何人的理论，却不惜笔墨特意感谢了这位一直处于懵圈状态的贝索先生。

从某种意义上说，同时性原理和光速不变原理是密不可分的，因为没有同时性的约定，我们根本无法判断两件事情发生的具体时间和距离。为了研究同时性问题，我们需要重新切换一个场景，把爱因斯坦放到高速行进的列车里。

如图5-3所示，列车以速度v自左向右经过一个站台，假设车头和车尾“同时”经过站台的前后两端，在车头驶出站台的瞬间，车尾刚好驶入站台，那就说明列车和站台的长度相等。然而，车头和车尾怎么样才算是“同时”经过呢？如果我们站在站台的右端观察，当列车头驶出的时刻，我们恰好收到了车尾驶入的信号，这能够判定两个事件“同时”发生的吗？显然不能，因为车尾驶入的信号需要传播一定的时间才能到达右端，因此它只能说明车尾在之前的某个时刻早已通过了站台左侧。

要解决同时性问题，就必须消除光信号传播的时间差，因此，我们就需要站在站台中点观察，由于站台中点到前后两端的距离相等，车头车尾经过的信号即使有所延迟，那也是延迟了完全相等的一段时间。此时，让贝索先生站在站台中间的位置，如果他同时收到了车头车尾经过站台两端的信号，那就证明之前的某个时刻，车头驶出和车尾驶入这两个事件的确是“同时”发生的。从而也可以判定：列车和站台一定是等长的。

但与此同时，爱因斯坦正好坐在这部列车的中部车厢，按照同样的判断标准，他却说，两个事件不是同时发生的，这又是为什么呢？原来，列车在不停地行进，当站台中点的贝索先生“同时”收到站台前后两端的信号时，列车已经前进了一小段距离。不难想象，如果我们把时间往回播一点也会发现，当车头、车尾“同时”经过站台两端的那一刻，正好就是列车中点经过站台中点的一瞬间。当时，爱因斯坦恰巧与贝索先生擦肩而过，可惜的是，光速是有限的，在他们擦肩而过的瞬间，车头、车尾的事件刚刚发生，事件的信号还不能传递到爱因斯坦和贝索眼中。

在二人擦肩而过之后，爱因斯坦会随着列车继续前进，同时，车头车尾的信号也在以光速传播，如图5-4所示。由于爱因斯坦是迎着车头的信号前进的，所以经过一小段时间后，他会首先收到列车头传来的出站信号。

然后，车头、车尾的信号会继续向站台中点传播，再经过一小段时间，又会如图5-5所示，站台中点的贝索可以“同时”收到这两个消息。但此时，由于列车始终在前进，车尾进站的消息还不能传播到爱因斯坦所在的列车中点。

最后，车尾进站的消息自左向右继续追赶爱因斯坦，再经过一段时间后，才会如图5-6所示，车尾的信号传播到了爱因斯坦的眼中。

所以，在爱因斯坦看来，车头车尾的进出事件并不是同时发生的，当车头驶出车站时，车尾还没有驶入车站，而在车尾驶入车站时，车头早已驶出车站很久了。因此，在他看来，列车和站台的长度也并不相等，站台的长度比列车要短一些。

以上实例说明：相对于不同的惯性参考系而言，不同位置的两个事件是否同时发生，已经没有了统一的标准。因此，两个事件的时间间隔、两个位置的空间间隔也不再具有“绝对”的意义，一切的运动变化也只能是相对与某个参考系而言的。接下来，我们继续沿着爱因斯坦的思路分析：在两个相互运动的参考系中，时空会发生怎样的变化，质量和能量又具有怎样的关系。