狹義與廣義相對論淺說

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這個規定還包含著另一個物理假說，如果沒有相反的實驗證據的話，這個假說的有效性是不大會被人懷疑的，這裡已經假定，如果所有這些鐘的構造完全一樣，它們就以同樣的時率走動。說得更確切些：如果我們這樣校準靜止在一個參考物體的不同地方的兩個鍾，使其中一個鐘的指標指著某一個特定的位置的同時（按照上述意義來理解），另一個鐘的指標也指著相同的位置，那麼完全相同的“指標位置”就總是同時的（同時的意義按照上述定義來理解）。

9．同時性的相對性

到目前為止，我們的論述一直是參照我們稱之為“鐵路路基”的一個特定的參考物體來進行的，假設有一列很長的火車，以恆速v沿著圖1所標明的方向在軌道上行駛。在這列火車上旅行的人們可以很方便地把火車當作剛性參考物體（座標系）：他們參照火車來觀察一切事件。因而，在鐵路線上發生的每一個事件也在火車上某一特定的地點發生，而且完全和相對於路基所作的同時性定義一樣，我們也能夠相對於火車作出同時性的定義。但是，作為一個自然的推論，下述問題就隨之產生：

對於鐵路路基來說是同時的兩個事件（例如A、B兩處雷擊），對於火車來說是否也是同時的呢，我們將直接證明，回答必然是否定的。

當我們說A、B兩處雷擊相對於路基頁言是同時的，我們的意思是：在發生閃電的A處和B處所發出的光，在路基A→B這段距離的中點M相遇。但是事件A和B也對應於火車上的A點和B點。令M'為在行駛中的火車上A→B這段距離的中點。正當雷電閃光發生的時候，點M'自然與M重合，但是點M'以火車的速度v向圖中的右方移動。如果坐在火車上M'處的一個觀察者並不具有這個速度，那麼他就總是停留在M點，雷電閃光A和B所發出的光就同時到達他這裡，也就是說正好在他所在的地方相遇。可是實際上（相對於鐵路路基來考慮）之個觀察者正在朝著來自B的光線急速行進，同時他又是在來自A的光線的前方向前行進。因此這個觀察者將先看見自B發出的光線，後看見自A發出的光線。所以，把列車當作參考物體的觀察者就必然得出這樣的結論，即雷電閃光B先於雷電閃光A發生。這樣我們就得出以下的重要結果：

對於路基是同時的若干事件，對於火車並不是同時的，反之亦然（同時性的相對性）。每一個參考物體（座標系）都有它本身的特殊的時間；除非我們講出關於時間的陳述是相對於哪一個參考物體的，否則關於一個事件的時間的陳述就沒有意義。

在相對論創立以前，在物理學中一直存在著一個隱含的假定，即時間的陳述具有絕對的意義，亦即時間的陳述與參考物體的運動狀態無關。但是我們剛才看到，這個假定與最自然的同時性定義是不相容的；如果我們拋棄這個假定，那麼真空中光的傳播定律與相對性原理之間的牴觸（詳見第7節）就消失了。

這個牴觸是根據第6節的論述推論出來的，這些論點現在已經站不住腳了。在該節我們曾得出這樣的結論：在車廂裡的人如果相對於車廂每秒走距離w，那麼在每一秒鐘的時間裡他相對於路基也走了相同的一段距離。但是，按照以上論述，相對於車廂發生一特定事件的需要的時間，決不能認為就等於從路基（作為參考物體）上判斷的發生同一事件所需要的時間。因此我們不能硬說在車廂裡走動的人相對於鐵路線走距離w所需的時間從路基上判斷也等於一秒鐘。

此外，第6節的論述還基於另一個假定。按照嚴格的探討看來，這個假定是任意的，雖然在相對論創立以前人們一直在物理學中隱藏著這個假定。

10．距離概念的相對性

我們來考慮火車上的兩個特定的點，火車以速度v在鐵路上行駛，現在要研究這兩個點之間的距離。我們已經知道，測量一段距離，需要有一個參考物體，以便相對於這個物體量出這段距離的長度。最簡單的辦法是利用火車本身作為參考物體（座標系）．在火車上的一個觀察者測量這段間隔的方法是用他的量杆沿著一條直線（例如沿著車廂的地板）一下一下地量，從一個給定的點到另一個給定的點需要量多少下他就量多少下。那麼告訴我們這個量杆需要量多少下的那個數字就是所求的距離。

如果火車上的這段距離需要從鐵路線上來判斷，那就是另一回事了，這裡可以考慮使用下述方法。如果我們把需要求出其距離的火車上的兩個點稱為A’和B’，那麼這兩個點是以速度v沿著路基移動的。首先我們需要在路基上確