有时候你会听到人们用“一切都是相对的”来阐释爱因斯坦的相对论。这个说法当然是错的:如果一切都是相对的,那就没有哪样事物可以用来作为相对的对象了。事实上,相对论讲的是,有些事物我们以为是绝对的,其实它是相对的,比如空间,甚至还有时间;相反,有些事物我们以为是相对的,结果它是绝对的,比如光速。
牛顿的空间与时间是绝对的!
1905年,爱因斯坦发表了他的相对论论文,引得世人称奇。约三百年来,艾萨克·牛顿爵士的世界观一直占据着主流,基本人人对空间、时间和物质的认知都建立在这之上。他的观点是这样的:空间和时间是绝对的、固定的、不变的。举例来说,这意味着空间可以被视为一座永恒的“舞台”,所有的物质都在“登台表演”,即各种粒子在空间中运动、相互作用。也就是说,空间与物质截然不同,是独立于物质之外存在的。
更基本的是时间的绝对性。牛顿认为时间流逝的速度永远是一样的(即速度为“1秒/秒”),无论在哪儿都是一样的,和体验时间的主体无关。最重要的是,人们可以谈论在不同地方同时发生的事件。两个不同的事件可以发生在不同的地方,但“同时”发生。
今天的人直觉上都认为是这么回事,17世纪的人也一样。毕竟,我们都觉得,“地球的另一边现在正在发生什么?”是一个合理的问题,尽管可能需要付出一番努力才能找到答案。不幸的是,宇宙的实际运作方式并非如此。严格来说,这个问题甚至没有任何意义!唯一的原因是,我们很难注意到这个事实,因为与地球上的其他事物相比,光的速度快得令人难以置信——在一秒钟内,一束光可以绕地球7.5圈!
对我们而言,速度似乎是相对的——但对光来说竟然并非如此!
具体是怎么回事?首先,人们发现,光的速度对所有观察者都是恒定的。事实上,这一点和我们过去普遍的认知非常不同!在我们的日常生活中,速度是相对的。想象一下你坐在一辆在高速公路上飞驰的轿车中。从你的视角来看,另一辆速度稍快的车超车时就像十分费力地缓慢驶过。而对于在公路边看到这一幕的人来说,那辆车其实跑得非常快。因此,第二辆车表面上的速度其实取决于观察者。
同样,也正是因为这个,标枪运动员在投出标枪前要助跑,以便取得一些动量。从她的角度看,标枪离开她的手时速度与通常的投掷速度没有什么不同。而在裁判员看来,标枪的速度等于投掷速度外加运动员的助跑速度。又因为评判标枪抛出距离的人是裁判,所以运动员自然要为了他让标枪的速度最大化了。
对光来说这些全都不同!
为了此处探讨的话题,我们假设运动员并非在跑动时投出了标枪,而是打开了手电(奥林匹克运动会上要是比赛这个可真够无聊的,但你暂且忍耐一下吧)。那么手电射出的光的速度对裁判员和运动员来说一样吗?尽管他们一个人在草地上奔跑,一个站在旁边,但假如他们有仪器,能测量手电发出的光粒子(称为光子)的速度,他们会测出完全一样的值:约300000公里/秒。
怎么会这样?是不是他们中有谁搞错了?投掷标枪和发出光子不是一样的吗?当然是了,如果后者是从手电射出来的,那么人确实可以通过带着手电快速奔跑来提高光子的速度,不是吗?