《爱因斯坦和同时性的相对性》
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中图分类号：O412 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0112-02
爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》一书中,描写了一个“同时性的相对性”思想实验,通过这一实验作者想表明,时间上的同时性具有相对性,只相对于特定的坐标系才成立.这一结论的实质就是时间的相对性原理,无疑是正确的,但实验过程仍有一些值得商榷的地方.在网上也能搜到许多关于该思想实验的文章,但这些文章的分析往往不够到位,在此尝试做个简单的分析,帮助大家更好地理解时间的相对性.
在讨论之前,需要了解思想实验的全过程,先将该书的相关部分摘录如下：假设有一列很长的火车,以恒速V沿着图1所标明的方向在轨道上行驶.在这列火车上旅行的人们可以很方便地把火车当作刚性参考物体（坐标系）,他们参照火车来观察一切事件.因而,在铁路线上发生的每一个事件也在火车上某一特定的地点发生.而且完全和相对于路基所作的同时性定义一样,我们也能够相对于火车作出同时性的定义.但是,作为一个自然的推论,下述问题就随之产生：
图1
对于铁路路基来说是同时的两个事件（例如A、B两处雷击）,对于火车来说是否也是同时的呢?我们将直接证明,回答必然是否定的.
当我们说A、B两处雷击相对于路基而言是同时的,我们的意思是：在发生闪电的A处和B处所发出的光,在路基A->B这段距离的中点M相遇.但是事件A和B也对应于火車上的A点和B点.令M'为行驶中火车上A->B这段距离的中点.正当雷电闪光发生的时候（从路基上判断）,点M'正好与点M重合,但是点M'以火车的速度V向图中右方移动.如果坐在火车上M'处的一个观察者并不具有这个速度,那么他就总是停留在M点,雷电闪光A和B所发出的光就会同时到达他这里,也就是说正好在他所在的地方相遇.可实际上（相对于铁路路基来考虑）这个观察者正朝着来自B的光线急速行进,同时他又是在来自A的光线的前方向前行进.因此这个观察者将先看见自B点发出的光线,后看见自A点发出的光线.所以,把列车当作参考物体的观察者必然得出这样的结论,即雷电闪光B先于雷电闪光A发生.这样我们就得出以下重要结果：
对于路基是同时的若干事件,对于火车并不是同时的,反之亦然（同时性的相对性）.每一个参考物体（坐标系）都有它本身的特殊时间；除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一参考物体的,否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义（摘自《狭义与广义相对论浅说》狭义相对论部分第9节）.
先明确作者此处探讨的同时性是相对论范畴的问题,不是哲学意义上的“同时性”,那么此处的同时性必然要符合相对论规则.思想实验采用的方法是在A->B的中点M以及M'观察A、B两点同时发出的闪光.由于光速太快,它们到达M'时,如果有时间差,也很难被实验器材探测到,因此这个实验只能停留在“思想实验”阶段,实际很难完成.现在把观察A、B两点闪光,替换成听A、B两点的声音,火车上M'点的观察者,随火车向B点运动,肯定是先听到B点发出的声音,然后再听到A点的,声音在海平面标准大气条件下的速度是340米/秒,折合成1224公里/小时,现代的高速铁路时速约300公里/小时,其速度已经和声音的速度在接近的数量级,而且都远比光速小,这个实验就不用停留在“思想”阶段,测试结果能明显地被人感知,并被仪器测量和记录下来.那是不是表明相对论效应在低速物体上就可以体现出来,而且还体现得更加明显?大家都知道,低速物体的相对论效应太小,是无法被探测到的,只有接近光速的运动物体,才能表现出明显的相对论效应.然而这个思想实验,速度越小,时间差效应越明显.显然用M'点观察A、B两点闪光时间差的方法,证明出来的结论与相对性原理毫无关系,自然也不会是相对论意义上的“同时性”.
思想实验之所以出现上述结果,主要是由二方面原因造成的.为了表述方便,我们将火车设为惯性坐标系K',路基设为惯性坐标系K,火车上与A、B相对应的点,设为A'点和B'点.
第一,时间参考点设置不正确.这里要明确实验中有两个时间（时刻）,一个是闪光发出的时间,一个是发出的闪光传到中点、也就是闪光接收的时间.闪光发出时,A点就是A'点,B点就是B'点,它们是重合的,因此M'点是路基上A->B这段距离的中点,也是行驶中火车上A->B（即A'->B'）这段距离的中点.但当闪光到达时,A'点与A点,B'点与B点已不再重合,此时M'点仍旧是A'->B'的中点,但已不再是A->B的中点.连中点都不是,如何要求闪光同时到达呢? 判断M'点是否为A->B的中点,应当以闪光接收时刻作为时间参考点,不能以闪光发出时刻作为时间参考点.试想,先在火车上刻下路基上A->B的中点M',等过了一段时间,火车跑出去了一段距离之后,再从M'点观察A、B两点的同时性,是不是和中国古代成语“刻舟求剑”是类似的道理呢?
第二,思想实验的参考坐标系没有统一到K'上.在这个思想实验中,“M'点先看到B点的闪光,再看到A点的”,M'点虽然属于坐标系K',但从K'坐标系中只是拿出了这样一个运动点,时间和距离的取值都是K坐标系中的读数,与K'无关.物理量都没有转换到K'（列车）中,如何能表明“把列车当作参考物体”的同时性呢?甚至仔细深究M'点,已经隐含了K'坐标系到K坐标系的转换,因为用闪光到达时刻做一个快照,M'点就转化成了坐标系K中的一个静止点,这样就和K'坐标系没有任何关系了.从这个角度看,闪光到达时,随便从K坐标系上抓出一个并不是A->B中点的M'点,表示光没有同时传到该点,这是必然的,不能得出任何与相对性原理有关的结论.
那么对于同时性的相对性思想实验,正确的理解应该是怎样的呢?我们可以把问题归结为：同时发生的闪光,在K坐标系中同时到达中点,求解K'坐标系中是否也同时到达中点.这就要站在K'坐标系的立场,也就是从列车的角度来观察,看看A'、B'的光是否同时到达A'->B'的中点M',并使用K'坐标系中的时间来度量.
结论，上文是适合爱因斯坦和相对性和同时性论文写作的大学硕士及关于爱因斯坦本科毕业论文，相关爱因斯坦开题报告范文和学术职称论文参考文献.
爱因斯坦引用文献:
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