通识物理：狭义相对论效应

牛顿所建立的经典物理时空观的前提是“时间、尺度等均与速度无关”，其属于不可变的绝对“三维时空”；但在爱因斯坦所建立的“狭义相对论”中，不仅时间和尺度会受到速度变化的影响，其展现出的时空观也是全新的、相对变化的“四维时空”。虽然在低速状态下，牛顿和爱因斯坦的体系没有什么显著的差别，但在高速状态下，两者的区别将充分体现出来。尤其是，当物体的运动速度在接近光速时，将会出现一些神奇而又有趣的相对论效应，其最典型的效应主要包括：“同时性的相对性、时间延缓效应、长度收缩效应”。

首先，我们可以假设一辆巴士车的前窗有一盏闪烁的红灯，后窗有一盏闪烁的蓝灯。当巴士车在地面上静止时，路边的人看到两盏灯会同时闪烁；但如果巴士车以接近光速的速度运动，在路边的人看来，巴士车上那两盏本来同时闪烁的灯将不再同时闪烁，而是一前一后地亮起，其理论依据是“洛伦兹变换”（式子8.3）中的时间坐标表达式t′与位置坐标x 有关；换句话说：只要两个事件发生的位置坐标x 不同，即便t 相同，其高速运动后的t′也不相同。就这样，本来同时发生（t 相同）的事情，在高速运动后就不再是同时发生的了（t′不同），这就是“同时性的相对性”。与此同时，路边站立的行人还会惊讶地发现：当巴士车高速运动后，巴士车上本来正常转动的钟表指针突然走得很慢，时间仿佛延迟了，每个乘客的行为包括灯光的闪烁也都仿佛是在做慢动作，这就是“时间延缓”效应，其理论依据仍然与“洛伦兹变换”中的时间坐标表达式有关。除此之外，路人还会发现：高速运动的巴士车和车上的一切物体都仿佛受到了强烈的挤压，所有的物体在运动方向上的长度都会急剧收缩，速度越大，收缩越明显，这就是“长度收缩”效应，其理论依据是“洛伦兹变换”中的位置坐标表达式。当巴士车车速又逐渐降低时，以上这些效应也会逐渐舒缓，并最终恢复正常。著名物理学家伽莫夫在《物理世界奇遇记》一书中就描绘了相似的场景：如图8.18 所示，当一个人骑着自行车高速运动时，路边的人发现车和人在运动方向上会变短，就像被压缩了一样；但从骑车人的视角来看，静止的自己一切正常，因缩短而变得非常奇怪的反而是路边相对高速运动的路人。当然了，我们在现实生活中是很难观察到上述“相对论效应”的，这并非“相对性效应”失效了，而是人类世界总处于低速状态。

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图8.18　伽莫夫在《物理世界奇遇记》中描述的狭义相对论效应

在这里，我们需要强调：在一些教科书或者科普读物中，通常会通过一些基于牛顿经典力学的逻辑推理和比喻来解释以上的狭义相对论效应，一些读者也会尝试用牛顿力学的知识来推导这些效应，但我们特别不推荐读者这么做。因为狭义相对论与牛顿经典力学是完全不兼容的两套基本理论，透过牛顿的眼睛来看相对论效应，就好比汪星人或喵星人在教室听老师上课，这是完全不能理解的，所谓的“推导”也完全没有意义，甚至还有误导作用。所以建议读者只表象了解狭义相对论效应的现象，不必深究。当然，如果读者对理论推导特别感兴趣，可以通过洛伦兹变换来尝试推导出狭义相对论的典型效应，我们在这里不再详述。