（22）楊鴻智《后現(xiàn)代科學(xué)》（1）

2005-11-02 19:00

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自然科學(xué)從機(jī)械論向非機(jī)械論的轉(zhuǎn)變

一  文藝復(fù)興與現(xiàn)代自然科學(xué)的誕生

歐洲文化最早的發(fā)源地是希臘和羅馬。其中尤以希臘為主。公元五世紀(jì)左右，歐洲北部野蠻民族南侵，公元410年西羅馬滅亡。134年后，東羅馬滅亡，歐洲進(jìn)入野蠻的中世紀(jì)。歐洲古代優(yōu)秀的科學(xué)文化知識(shí)保存在巴爾干半島的拜占廷帝國。公元五世紀(jì)時(shí)，西亞的阿拉伯人還屬于落后的游牧民族。公元六世紀(jì)誕生伊斯蘭教，并統(tǒng)一阿拉伯建立了一個(gè)地處西亞、北非，直至歐洲西班牙的阿拉伯大帝國。拜占廷的希臘文化遺產(chǎn)被阿拉伯人繼承保留下來。再加上中國古代文明的西傳，阿拉伯成為當(dāng)時(shí)世界的一個(gè)文化中心。從公元11世紀(jì)開始，歐洲發(fā)動(dòng)“十字軍東征”。名義上是以基督教的旗號(hào)進(jìn)行圣戰(zhàn)，奪回被伊斯蘭教占領(lǐng)的圣城耶路撒冷。其實(shí)是一場(chǎng)侵略和掠奪的戰(zhàn)爭(zhēng)。戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)行了二百年。在這漫長(zhǎng)的戰(zhàn)爭(zhēng)中，歐洲不但掠回來阿拉伯人的財(cái)富，同時(shí)也把保存在阿拉伯的古希臘文化遺產(chǎn)帶回歐洲。同時(shí)還有中國的四大發(fā)明。在此基礎(chǔ)上，歐洲開始了文化和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代自然科學(xué)也隨之誕生。歐洲也因此從封建社會(huì)進(jìn)行資本主義社會(huì)。

二  現(xiàn)代自然科學(xué)的方法特點(diǎn)

從某種意義上講，現(xiàn)代自然科學(xué)可以說是從伽利略開始，到牛頓完成的，牛頓的萬有引力定律成為近代自然科學(xué)的統(tǒng)一的基礎(chǔ)。因此常用牛頓力學(xué)，或經(jīng)典力學(xué)作為現(xiàn)代自然科學(xué)的代表?，F(xiàn)代自然科學(xué)的特點(diǎn)是機(jī)械唯物論的思維方法。即：世界是物質(zhì)的，每種物質(zhì)都有一種屬于自己的特殊的規(guī)律，這些規(guī)律都是可以認(rèn)識(shí)的。人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)的方法是分析的方法，即任何一個(gè)復(fù)雜的大的物體都可以分解成簡(jiǎn)單的小的物體。認(rèn)識(shí)了簡(jiǎn)單的小的物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再將這些規(guī)律綜合起來就可以解釋復(fù)雜的大物體的運(yùn)動(dòng)。這樣就得出了現(xiàn)代自然科學(xué)的兩條基本的原理，或稱為思想方法，第一個(gè)稱為“決定論”，即任何事物肯定有一個(gè)確定的答案。如果你還沒有得到，你只要再繼續(xù)尋找。第二個(gè)是“還原論”。即大的事物可以分解成小的事物，并可以用小的事物來說明大的事物。

三  非機(jī)械論物理學(xué)的開端 — 相對(duì)論

20世紀(jì)剛開始，愛因斯坦就以其相對(duì)論打破了牛頓機(jī)械論的一統(tǒng)天下。開創(chuàng)了非機(jī)械論自然科學(xué)的新時(shí)代。牛頓力學(xué)有一個(gè)不變的參照物，就是地球，或地球上觀察物體運(yùn)動(dòng)的人。而任何沒有地球或人直接參與的其他物質(zhì)之間的運(yùn)動(dòng)，必須轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)參照物的運(yùn)動(dòng)，這樣才能被我們?nèi)祟惱斫狻垡蛩固沟南鄬?duì)論取消了牛頓力學(xué)中這個(gè)永恒不變的參照物。不論任何物質(zhì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，都可彼此之間互為參照，直接進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)愛因斯坦還提出了光速不變和光的波粒兩重性原理。粒子運(yùn)動(dòng)是間斷的，波，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，在牛頓經(jīng)典力學(xué)中這兩種運(yùn)動(dòng)屬于完全對(duì)立的兩種形式，是不可能有同一個(gè)物質(zhì)中存在的。而愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了光的波粒兩重性，即光子運(yùn)動(dòng)既有粒子性，又有波動(dòng)性，不能確定光子只有哪一種運(yùn)動(dòng)特性。在這之后，是量子力學(xué)的發(fā)展。量子力學(xué)是研究微觀粒子的高速運(yùn)動(dòng)的。他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)牛頓經(jīng)典力學(xué)完全不適用于微觀粒子的高速運(yùn)動(dòng)。他們發(fā)明了統(tǒng)計(jì)理論和概率論。因?yàn)樵谖⒂^領(lǐng)域中的高速運(yùn)動(dòng)，無法確定物質(zhì)粒子的確定位置。只能有一個(gè)統(tǒng)計(jì)的概率。并將這個(gè)發(fā)現(xiàn)總結(jié)成一個(gè)叫做“測(cè)不準(zhǔn)原理”的理論。即對(duì)于微觀高速運(yùn)動(dòng)的基本粒子，當(dāng)你準(zhǔn)確測(cè)量其速度時(shí)，空間位置即不能確定。而當(dāng)你準(zhǔn)確測(cè)量其空間位置時(shí)，其速度又不能確定。（電子云）以上兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的重大意義在于徹底否定了近代自然科學(xué)的決定論。動(dòng)搖了人們對(duì)經(jīng)典力學(xué)的迷信和崇拜，為自然科學(xué)在20世紀(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化開辟了廣闊的前景。

因?yàn)橄鄬?duì)論和量子力學(xué)是從實(shí)證科學(xué)的出發(fā)點(diǎn)開始研究的，所以，應(yīng)該稱它們?yōu)閷?shí)證科學(xué)?？墒?，因?yàn)樗鼈冇址穸藢?shí)證科學(xué)，開創(chuàng)了非確定性的系統(tǒng)科學(xué)，所以，又可以稱它們是系統(tǒng)科學(xué)。其實(shí)，相對(duì)論和量子力學(xué)既不是實(shí)證科學(xué)，也不是系統(tǒng)科學(xué)。它們是介于實(shí)證科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)之間的過渡性科學(xué)。正因?yàn)槿绱?，后現(xiàn)代科學(xué)把愛因斯坦稱為“經(jīng)典力學(xué)的最后一人，也是后現(xiàn)代科學(xué)的第一人”。愛因斯坦打開了物質(zhì)世界一扇新的大門，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)世界有兩種不同性質(zhì)的物質(zhì)?？墒牵鳛闄C(jī)械論教育出來的研究者，他不能接受這個(gè)事實(shí)。因此，他用自己的后半生研究如何將二者統(tǒng)一的“統(tǒng)一場(chǎng)論”。當(dāng)然，這是不能成功的，因?yàn)檫@兩種物質(zhì)是根本不同的。現(xiàn)在，我們中國的實(shí)證論者仍然希望用機(jī)械論來處理包括復(fù)雜系統(tǒng)在內(nèi)的所有物質(zhì)?？上攵?，他們也不會(huì)成功的。但是，愛因斯坦的失敗具有神秘和悲壯的色彩，而我們的機(jī)械論者卻不會(huì)得到愛因斯坦那樣的光環(huán)了。雖然是同樣的事情，但是其間相距了整整100年。100年的時(shí)間都不能讓我們覺醒嗎？這樣的麻木是應(yīng)該受到懲罰的。特別是這其間已經(jīng)有貝塔朗菲的系統(tǒng)論問世。

愛因斯坦《相對(duì)論》淺說

我們會(huì)感覺愛因斯坦《相對(duì)論》離我們太遙遠(yuǎn)了。不可能理解，也沒有必要去理解。但是，如果我們真的了解了《相對(duì)論》所說的宇宙的復(fù)雜性以后，我們就可能感覺到，我們用簡(jiǎn)單的物理化學(xué)來說明生命是否有點(diǎn)太幼稚了？當(dāng)我們有了這樣的感覺的時(shí)候，我們就會(huì)知道，愛因斯坦《相對(duì)論》離我們有多么近。當(dāng)然，我們還是要承認(rèn)現(xiàn)實(shí)，因此我這里選擇了一篇為中小學(xué)生讀者寫的科普文章。了解的具體深度是不重要的，重要的是我們應(yīng)該去了解這個(gè)知識(shí)。下面請(qǐng)看文章原文。文章來源于網(wǎng)上。（具體網(wǎng)站沒有記錄）

愛因斯坦提出相對(duì)論原理已經(jīng)快一個(gè)世紀(jì)了。它的這一理論曾被當(dāng)時(shí)很多人認(rèn)為純粹是一種怪誕的異想，而現(xiàn)在早已成為現(xiàn)代物理學(xué)的奠基石。就象沒有分子和原子的概念，現(xiàn)代物理學(xué)不能存在一樣，沒有相對(duì)論，現(xiàn)代物理學(xué)也不能存在。沒有相對(duì)論，大量的物理現(xiàn)象將不可能得到解釋。粒子加速器的設(shè)計(jì)和原子反應(yīng)的計(jì)算，都是建立在相對(duì)論的基礎(chǔ)上的。相對(duì)論的建立是現(xiàn)代物理學(xué)最偉大的成就之一。

但是遺憾的是，相對(duì)論的原理除了少數(shù)專業(yè)人員，卻很少有人知道，特別是對(duì)我們的中小學(xué)生讀者，這一理論則顯得格外艱深。

我們希望我們正在刊登的這篇文章能夠簡(jiǎn)明而通俗地向少年讀者介紹有關(guān)相對(duì)論的一些基本原理。也希望讀者不要認(rèn)為相對(duì)論就是主張世界上一切物體都是相對(duì)的。相反，讀者肯定會(huì)發(fā)現(xiàn)，象任何其它正確的物理學(xué)理論一樣，相對(duì)論告訴我們，客觀真理是不以任何人的意志和趣味轉(zhuǎn)移的。當(dāng)擺脫了一切關(guān)于空間、時(shí)間和質(zhì)量的陳舊觀念之后，我們就會(huì)對(duì)世界的真正本質(zhì)有更加深入的洞察和理解。

1. 我們常見的相對(duì)現(xiàn)象：是左還是右

我們都知道，天安門城樓前面是一個(gè)大大的廣場(chǎng)，假如有人問你：天安門是位于廣場(chǎng)的哪一邊——左邊還是右邊？你很難馬上回答好這個(gè)問題。如果你面朝東方，那么，天安門是在左邊；但是，如果你面朝西方，天安門是在右邊；而如果你面朝南方或者北方，則天安門既不在左邊也不在右邊。也就是說，在回答這個(gè)問題之前，你必須明確一個(gè)相對(duì)的方向。說一條河流的右岸，這個(gè)說法是正確的。因?yàn)檫@是由河流水流的方向來決定的。同樣，我們可以說，汽車沿公路右邊行駛。因?yàn)檐囕v的來往可以表示一個(gè)相對(duì)的方向。因此，“左”和“右”是一個(gè)相對(duì)的概念。而且只有在一個(gè)特定的方向作為根據(jù)的情況下，這一對(duì)概念才有意義。 

《現(xiàn)在是白天還是黑夜》

對(duì)于這個(gè)問題的回答只能以地點(diǎn)或者位置而言。當(dāng)北京是白天時(shí)，而紐約卻是黑夜，這是毫無異議的。僅僅說白天或者黑夜就是相對(duì)的概念，因?yàn)椴恢赋鼍唧w的地點(diǎn)，你是不能回答這個(gè)問題的。相對(duì)的現(xiàn)象看來似乎是絕對(duì)的

當(dāng)我們觀察某一物體時(shí)，如果稍微改變觀察點(diǎn)，角度也就隨之產(chǎn)生相應(yīng)的改變。由于這種情況，角度法常被用于天文學(xué)。星圖表明星球之間的角距，即從地球上觀察其它星球之間的距離時(shí)的角度。無論我們處于地球上的任何位置和任何不同的觀察點(diǎn)，我們觀察到其它星球之間總是處于同樣的距離，這是由于我們與這些星球之間有著極大的、甚至是難以想像的距離。同如此巨大的距離相比，我們地球上從一點(diǎn)到另一點(diǎn)移動(dòng)的距離就顯得微不足道了，因而我們就很容易忽視它。在這種情況下，這些不同的角距就會(huì)被認(rèn)為是絕對(duì)的。如果我們將觀察點(diǎn)所處的范圍擴(kuò)大到像地球繞太陽旋轉(zhuǎn)的軌道這樣大的空間，那么從不同的觀察點(diǎn)所觀察到的結(jié)果，其變化就相當(dāng)可觀了。但是，這一變化還不是非常顯著的。如果我們把觀察點(diǎn)移到另一個(gè)星球上，比如說，移到天郎星上，情景就會(huì)徹底改變。這時(shí)所觀察的角度都將和原來的觀察角度絕然不同了。而且我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)，那些遠(yuǎn)離我們的星球之間的距離，有些比我們從地球上觀測(cè)到的它們之間的距離近了，而有些星球之間的距離則更遠(yuǎn)了。

《絕對(duì)的現(xiàn)象實(shí)際上卻是相對(duì)的》

我們常說“上”和“下”。那么，這兩個(gè)概念是絕對(duì)的還是相對(duì)的呢？不同的時(shí)代，人們對(duì)這一問題會(huì)給以不同的回答。當(dāng)人類還處在不知道我們的地球是圓的，而把他設(shè)想為一個(gè)扁平的鍋餅似的東西的時(shí)代，垂直方向被認(rèn)為是一個(gè)絕對(duì)的概念。那時(shí)人們?cè)O(shè)想，在地球表面的任何一點(diǎn)上，垂直方向總是相同的，因而也就把“上”和“下”說成是絕對(duì)的是很自然的事了。后來，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)地球是圓的，于是“垂直是絕對(duì)的”這一概念也就自行淘汰了。的確，由于地球是圓的，垂直線的方向?qū)嵸|(zhì)上是由這條垂直線通過的地球表面某一點(diǎn)的位置而定。處于地球的不同點(diǎn)，垂直方向也將不同。自然，“上”和“下”這兩個(gè)概念因此而失去任何絕對(duì)意義。

《任何一句話都有意義嗎？》

顯然不是這樣。即使我們以嚴(yán)格的語法規(guī)則將幾個(gè)詞組合起來，這種組合的結(jié)果也可能是毫無意義的。例如：“水是三角形的”這一句話根本是荒繆的。但是，不是所有的荒謬都是顯而易見的，情況往往是這樣：一種初看起來很有道理的說法，經(jīng)過仔細(xì)研究之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)是錯(cuò)誤的。

《違背“常識(shí)”》

上面談的情況今天對(duì)我們來說已是十分明顯的，根本不會(huì)有任何懷疑。盡管如此，我們由歷史得知，人類并不是很容易就認(rèn)識(shí)到“上”和“下”的相對(duì)性。如果人們對(duì)日常生活中經(jīng)歷的相對(duì)現(xiàn)象沒有明確的認(rèn)識(shí)，就很容易將某些純粹主觀的感覺，認(rèn)為是普遍真理或一般規(guī)律（關(guān)于“左”和“右”的關(guān)系就是這樣）。讓我們?cè)倩仡櫼幌職v史。反對(duì)地球是圓的這一事實(shí)的某些謬論，是從中世紀(jì)流傳下來的。那時(shí)有人提出這樣的質(zhì)疑：如果說地球是圓的，人們?cè)趺茨艿怪眢w走路呢？這種說法顯然是錯(cuò)誤的，因?yàn)樗雎粤舜怪狈较虻南鄬?duì)性，而垂直方向的相對(duì)性是基于地球是圓的這一客觀真理。如果我們認(rèn)識(shí)不到垂直方向的相對(duì)性，而把它看作是絕對(duì)的，那么，在北京的人就會(huì)認(rèn)為在紐約的人都是倒身體走路的；同樣，在紐約的人也會(huì)認(rèn)為在北京的人也是倒著身體走路的。這樣說是毫不矛盾的；因?yàn)榇怪狈较驅(qū)嶋H上并不是絕對(duì)的概念，而是相對(duì)的概念。只有我們涉及到地球表面上相距相當(dāng)遠(yuǎn)的兩點(diǎn)時(shí)，如北京和紐約兩地，我們才會(huì)感到垂直方向的相對(duì)性的真正意義。另一方面，如果我們把相隔很近的兩點(diǎn)（比如北京的兩幢房子）加以考慮的話，我們就有理由說，所有同著兩幢房子分別垂直的線是相互平行的。在這種情況下，垂直就是絕對(duì)的了。上述情況表明，在我們地球上，只有當(dāng)涉及到整個(gè)地球表面積這么大的區(qū)域時(shí)，使用絕對(duì)垂直這一概念，才會(huì)導(dǎo)致荒謬和矛盾。上述情況的討論結(jié)果又表明，我們?cè)谌粘Ｉ钪惺褂玫暮芏喔拍疃际窍鄬?duì)的。這些理論也表明，只有我們規(guī)定出具體的觀察條件，這些概念才有意義。

2. 空間是相對(duì)的

《位置的相對(duì)性》

正如我們?cè)谏弦还?jié)介紹的那樣，人們?cè)谘哉勚校偸窍矚g運(yùn)用絕對(duì)的概念，但實(shí)際上這種概念是沒有意義的。同樣的道理，宇宙空間的位置，這一概念是相對(duì)的，當(dāng)我談?wù)撘粋€(gè)物體在宇宙空間的位置時(shí)，我們的言下之意總是指該物體與另外一些物體的相對(duì)位置。如果沒有其它物體，這種說法是沒有什么意義的。例如，當(dāng)我們說：有兩顆星球在天空中重合，這個(gè)說法同樣包含著相對(duì)意義。只有具體說明這個(gè)現(xiàn)象是從地球上觀察到的，這種說法才有意義。

《物體的運(yùn)動(dòng)》

隨之而來的問題是：物體在空間的移動(dòng)。這一概念同樣也是相對(duì)的。如果我們說，某一物體移動(dòng)了，我們是特指它與其它物體的相對(duì)位置改變了。如果我們從不同的兩個(gè)位置來觀察同一物體的運(yùn)動(dòng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這一物體有著不同的運(yùn)動(dòng)方式。例如，一個(gè)人從正在飛行的飛機(jī)上拋下來一塊石頭，對(duì)這個(gè)人來說，石頭是沿著直線落向地面的，但對(duì)站在地球上的觀察者來說，則是一條拋物線。那么，這塊石頭究竟是怎么運(yùn)動(dòng)的呢？這樣的一個(gè)問題其實(shí)沒有多少實(shí)際意義。一個(gè)物體沿著拋物線運(yùn)動(dòng)的軌跡形狀同樣也是相對(duì)的。這個(gè)道理和古詩中描寫從不同角度觀看廬山一樣： “橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同”。

《定義靜止?fàn)顟B(tài)》

外力能夠影響物體的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這種外力進(jìn)行深入的觀察和研究，我們就會(huì)對(duì)這一現(xiàn)象有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。假設(shè)在我們面前，有一個(gè)不受任何外力作用的物體。由于我們的觀察點(diǎn)不同，這一物體就會(huì)以完全不同的方式運(yùn)動(dòng)。十分明顯，當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)于觀察者來說，自然是最適宜的。這樣我們就可以不考慮一個(gè)物體相對(duì)于其它物體的運(yùn)動(dòng)情況，給靜止?fàn)顟B(tài)下一個(gè)定義：一個(gè)不受任何外力作用的物體處于靜止?fàn)顟B(tài)。

《參照系與慣性系》

運(yùn)動(dòng)和靜止都是相對(duì)來說的。要說明一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)情況，必須選定另一物體作參照，這種用作參照來說明其它物體運(yùn)動(dòng)情況和位置的物體，通常叫做參照物體，也叫參照系。我們已經(jīng)知道，運(yùn)動(dòng)和靜止都是相對(duì)而言的。但是，經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為存在著“絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)”。為了得到這樣的狀態(tài)，設(shè)想使一個(gè)物體盡可能遠(yuǎn)離那些可能作用于它的其它物體，作為參照系來觀察和研究運(yùn)動(dòng)的特性。我們把這樣的一個(gè)參照系叫做“慣性系”。如果在另一參照系里觀察到的物體運(yùn)動(dòng)與我們?cè)趹T性系里觀察到的物體運(yùn)動(dòng)方式不同，那么，我們就有理由說，那個(gè)參照系本身是運(yùn)動(dòng)的。

《火車在運(yùn)動(dòng)嗎？》

假如當(dāng)一個(gè)參照系由于外力的作用而運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)參照系里物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)發(fā)生改變嗎？要回答這個(gè)問題，現(xiàn)在讓我們坐上一列作勻速直線運(yùn)動(dòng)的火車。如果你向空中拋一個(gè)球，你的手仍在遠(yuǎn)處不動(dòng)，這個(gè)球仍然會(huì)落到你的手上，并不會(huì)因?yàn)榛疖嚨倪\(yùn)動(dòng)而斜落到別處。這種情況與在靜止火車上觀察到的情況是相同的。當(dāng)火車的速度有增減時(shí)，情況就不一樣了。如果作勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體改變方向，我們也會(huì)馬上感覺到?；疖囃蝗幌蛴肄D(zhuǎn)彎，車上的人會(huì)向左傾，如果突然向左轉(zhuǎn)彎呢？車上的人就會(huì)向右傾。總之，我們可以作下面的結(jié)論：一個(gè)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系，同一個(gè)慣性系（處于靜止?fàn)顟B(tài)的參照系）相比較，我們很難發(fā)現(xiàn)在他們中的物體運(yùn)動(dòng)情形有什么不同。但是，一旦運(yùn)動(dòng)著的參照系的運(yùn)動(dòng)有所改變（加速、減速或者改變方向），這種變化立即就會(huì)對(duì)其中的物體產(chǎn)生作用。    

《靜止?fàn)顟B(tài)永遠(yuǎn)消失了》

前面我們由實(shí)踐證實(shí)了一個(gè)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系，對(duì)其中的物體并不會(huì)產(chǎn)生任何影響。這一令人驚異的事實(shí)，迫使我們必須修正我們對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)這一概念的解釋。這就是靜止?fàn)顟B(tài)與勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并無不同。因此可以認(rèn)為：相對(duì)于一個(gè)慣性系而作勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體是處于靜止?fàn)顟B(tài)的。這就告訴我們，絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)是不存在的。但另一方面，卻存在著無數(shù)各種不同的“靜止?fàn)顟B(tài)”。這就是無數(shù)相互相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的、處于“靜止?fàn)顟B(tài)”的參照系，只是其運(yùn)動(dòng)速度不同罷了。所以，靜止?fàn)顟B(tài)是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的。既然靜止?fàn)顟B(tài)是相對(duì)的，那么每當(dāng)我們觀察某一物體時(shí)，必須指出，該物體是相對(duì)于哪一物體處于勻速直線運(yùn)動(dòng)。因而我們不能把運(yùn)動(dòng)作為一個(gè)絕對(duì)的概念。對(duì)于運(yùn)動(dòng)和靜止的關(guān)系的觀察和探討，使我們明白了自然界的一條重要規(guī)律：在兩個(gè)處于相對(duì)勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系里，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相同的。這一規(guī)律通常叫做相對(duì)性原理。

《慣性定律》

運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理表明：一個(gè)不受外力作用的物體，可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，或者處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。物理學(xué)家把這種現(xiàn)象叫做慣性定律。但是在我們的日常生活中，這一定律往往被掩藏在某些現(xiàn)象背后，只是我們不能直接而明顯地認(rèn)識(shí)它。根據(jù)慣性定律，一個(gè)處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體，甚至在沒有外力作用的情況下，它應(yīng)永遠(yuǎn)保持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但是我們的觀察表明，如果一個(gè)物體不受外力的作用，它必然處于靜止的狀態(tài)。解釋這個(gè)謎的關(guān)鍵在于這樣一個(gè)事實(shí)：通常我們看到的物體，都受著某種外力的作用，這就是摩擦力。摩擦力破壞了觀察慣性定律所需要的條件，這個(gè)條件就是必須沒有任何作用于物體的外力。運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理的發(fā)現(xiàn)是人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。沒有這一原理的發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)根本不可能發(fā)展到今天的情況。

《速度也是相對(duì)的》

根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，如果并不指出某一物體是相對(duì)于某一參照系，而只是說，該物體以一定速度作勻速直線運(yùn)動(dòng)，那么這就是一個(gè)沒有意義的概念。

于是我們發(fā)現(xiàn)，速度也是一個(gè)相對(duì)的概念。如果從不同的參照系來觀察同一物體的運(yùn)動(dòng)速度，就會(huì)得出不同的結(jié)果。然而速度的每一種變化，無論是由加速、減速或者方向改變而引起的變化，從意義上卻都是絕對(duì)的，而并不因我們觀察時(shí)所處的不同參照系而有所不同。

3. 光的悲劇

《光的傳播并不是瞬時(shí)的》

我們已經(jīng)討論了運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性以及可能有無數(shù)個(gè)慣性系的存在，在這些慣性系里，物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律都是相同的。但是，還有另外一種運(yùn)動(dòng)，乍看起來同我們建立的原理是矛盾的。這就是光的傳播。光的傳播速度是每秒30萬公里，這一巨大的速度對(duì)于我們來說是難以想象的。這是因?yàn)槲覀兺ǔＪ煜さ乃俣纫裙馑傩〉枚啵麄冎g的差異非常懸殊。例如，在我們知道的與之有關(guān)的物體運(yùn)動(dòng)中，地球繞太陽旋轉(zhuǎn)的速度是很大的，但盡管如此，地球旋轉(zhuǎn)的速度也只不過是每秒30公里而已。

《光速可以改變嗎？》

光傳播的巨大速度，其本身也不是什么奇特的現(xiàn)象，但令人驚奇的是光速的永恒不變性。我們能夠人為地加大或者減低一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度，甚至可以增減槍彈的射速。我們只需要在子彈前方，放置一個(gè)沙箱，子彈穿破沙箱后，其速度就會(huì)減低。光傳播的情況就不同了。讓我們?cè)谝皇饩€通過的途中，放置一個(gè)玻璃盤子。因?yàn)楣馔ㄟ^玻璃的速度，要比在真空中傳播的速度小。按常理說，這樣一來，這束光傳播的速度就會(huì)降低，但是，光線通過玻璃以后，它又恢復(fù)每秒30萬公里的速度。子彈的速度主要由于槍內(nèi)的構(gòu)造和彈藥的特性來決定。而對(duì)于光來說，不管是什么光源，光的速度總是相同的、不變的。由此我們知道，光在真空中的傳播有其非常重要的特性，即光速不可能加大或者減小。

《運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理會(huì)被動(dòng)搖嗎？》

光在真空中的傳播特性，同運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理之間似乎產(chǎn)生了矛盾。設(shè)想有一列以每秒24萬公里飛馳的火車，我們乘上這列火車的第一節(jié)車廂，在最后一節(jié)車廂里同時(shí)打開一盞電燈。這時(shí)測(cè)量電燈光從車廂一端向另一端傳播所需要的時(shí)間，我們很容易推斷出一種“奇特”的現(xiàn)象。相對(duì)于每秒24萬公里的火車來說，光看起來僅以每秒30萬-24萬=6萬公里的速度傳播。這似乎是光必須追趕第一節(jié)車廂。如果，位置相反，我們?cè)诨疖嚨牡谝还?jié)車廂安置一盞電燈，并測(cè)量出光到達(dá)尾節(jié)車廂所需的時(shí)間，這時(shí)的速度就是24萬+30萬=54萬公里。于是在一列運(yùn)動(dòng)的火車上看起來，光傳播的方向不同，其速度也不相同。而在一列靜止的火車上，光傳播的方向不同，速度卻是相同的。子彈運(yùn)動(dòng)的情況完全不同。假如在運(yùn)動(dòng)的火車上打槍，不管子彈運(yùn)動(dòng)的方向同火車運(yùn)動(dòng)的方向相同還是相反，相對(duì)于火車子彈的速度總是不變的。事實(shí)是這樣的：子彈的速度是由槍的射速?zèng)Q定的，而光的速度卻并不會(huì)因?yàn)闊襞莸倪\(yùn)動(dòng)情況而改變。由此我們似乎可以得出這樣的結(jié)論：光的傳播速度同運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理相矛盾。相對(duì)于運(yùn)動(dòng)的或靜止的車廂，子彈的射速都是相同的。而在一列以每秒24萬公里的速度飛馳的火車上，光傳播的方向同火車運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，光的速度是在靜止火車上的1/5。而當(dāng)光傳播的方向同火車運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，光的速度是在靜止火車上的1.8倍。這同我們?cè)谏弦还?jié)所介紹的相對(duì)性原理是完全不同的。

《由實(shí)驗(yàn)做出決定》

面對(duì)這一矛盾怎么辦呢？在提出這一情況的看法和意見之前，先讓我們考慮下面的這樣一個(gè)情況：光的傳播同運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性之間的矛盾完全是來自人們的主管臆造。必須承認(rèn)，這一主觀臆造在某種情況下，還是很有說服力的。但是，如果我們僅僅相信主觀推斷，就會(huì)成為那些試圖從腦袋里生成自然規(guī)律的古代哲學(xué)家。按照這樣的方法去解釋世界，有朝一日，客觀世界將成為一個(gè)面目全非的東西。實(shí)驗(yàn)是一切物理理論的最高鑒定者。因而我們不應(yīng)把自己束縛在空泛的議論與想象之中，因而必須投入到實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐中去。實(shí)驗(yàn)將會(huì)表明，在這種情況下，光實(shí)際是如何傳播的。我們的實(shí)驗(yàn)將因?yàn)檫@樣的事實(shí)變得比較方便：我們自己生活的地球就是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體。地球繞著太陽轉(zhuǎn)，它的運(yùn)動(dòng)不是直線的，因而相對(duì)于任何慣性系，它不可能處于恒久的靜止?fàn)顟B(tài)。與一個(gè)參照系相對(duì)而言，地球在二月是靜止不動(dòng)的。但到了七月，地球又肯定是處于運(yùn)動(dòng)之中了。這是因?yàn)榈厍蚶@太陽旋轉(zhuǎn)的方向改變了。實(shí)際上，我們?cè)诘厍蛏涎芯抗獾膫鞑ィ窃谝粋€(gè)以每秒30公里的速度運(yùn)動(dòng)著的物體上進(jìn)行的，這一條件對(duì)我們的研究起著不可忽視的影響。前面我們討論過光在一列運(yùn)動(dòng)中的火車上傳播的情形。那么我們的地球是否和這一運(yùn)動(dòng)中的火車一樣呢？我們?cè)O(shè)想，那列火車作勻速直線運(yùn)動(dòng)，而地球卻是沿著圓形軌道運(yùn)動(dòng)的。盡管如此，我們還是可以把地球看作是做勻速直線運(yùn)動(dòng)。從觀察的的觀點(diǎn)考慮，這其中存在誤差，但這一誤差是極其微小的，甚至小得很難觀測(cè)出來。既然我們把地球比作火車，我們自然會(huì)想到：光在地球上的傳播情形應(yīng)該和光在火車上的傳播情形相同，即光沿不同的方向傳播，其速度不同。

《相對(duì)論被證實(shí)》

1881年，美國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家A·麥克爾遜作了關(guān)于上述問題的實(shí)驗(yàn)。A·麥克爾遜以高度的準(zhǔn)確性測(cè)量了光沿著不同方向傳播的速度數(shù)值。為了探測(cè)預(yù)想中的微小差別，A·麥克爾遜使用了非常精確的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，他的實(shí)驗(yàn)精確性很高，他測(cè)量出來的速度差別比預(yù)想中的差別要小得多。A·麥克爾遜的實(shí)驗(yàn)，以后在不同的條件下又作過多次。他的實(shí)驗(yàn)得到了出乎預(yù)料的結(jié)果。在一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的參照系里，光的傳播情形同我們?cè)谇懊嫱葡氲那∏∠喾?。A·麥克爾遜發(fā)現(xiàn)，在地球上，光向任何方向傳播，其速度都是相同的、不變的。在這一意義上，光的傳播使我們聯(lián)想到子彈的飛行。前面我們?cè)?jīng)設(shè)想，在一列運(yùn)動(dòng)中的火車上，子彈運(yùn)動(dòng)同火車的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。同車廂相對(duì)而言，子彈向任何方向運(yùn)動(dòng)，其前進(jìn)速度是相同的。于是，A·麥克爾遜的實(shí)驗(yàn)證明：同我們的推想恰恰相反，光的傳播同運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理并不矛盾，而是完全符合運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理。這也就是說，我們?cè)谇懊妗斑\(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理會(huì)被動(dòng)搖嗎”一節(jié)中所作的推理是完全錯(cuò)誤的。

《為什么犯錯(cuò)誤？》

我們已經(jīng)擺脫了光傳播的規(guī)律同相對(duì)性原理之間令人不快的矛盾。當(dāng)然，這種矛盾是由于我們錯(cuò)誤的推想而造成的，而不是真正存在著矛盾。為什么會(huì)犯這樣的錯(cuò)誤呢？從1881年到1905年，幾乎經(jīng)歷了四分之一世紀(jì)，物理學(xué)家們?yōu)榱诉@個(gè)問題絞盡腦汁。但是他們對(duì)這一問題的一切解釋，都不可避免的導(dǎo)致理論與實(shí)踐之間的新的矛盾。在相繼出現(xiàn)的各種解釋中，一切無視A·麥克爾遜實(shí)驗(yàn)所取得的意想不到的結(jié)果，而堅(jiān)持與其持相反觀點(diǎn)的，都將歸于失敗現(xiàn)在，不妨讓我們總結(jié)一下。A·麥克爾遜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理不僅適用于一般物體的運(yùn)動(dòng)，而且也適用于光的傳播，因而也適用于一切自然現(xiàn)象。我們已經(jīng)注意到，速度的相對(duì)性直接源于運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性這一理論。相對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的不同參照系的物體，其運(yùn)動(dòng)速度不同。但是，每秒30萬公里的光速，在任何參照系里都是相同的，因此光速是絕對(duì)的，而不是相對(duì)的。

4. 時(shí)間是相對(duì)的

《確實(shí)存在矛盾嗎？》

乍看起來，似乎我們?cè)谟懻撘粋€(gè)純粹邏輯上的矛盾。光沿任何方向傳播而速度不變，充分證實(shí)了相對(duì)論的正確性，而同時(shí)，光速本身則是相對(duì)的。讓我們回顧一下中世紀(jì)人們是如何對(duì)待地球是圓的這一事實(shí)。因?yàn)橹惺兰o(jì)的人們認(rèn)為，如果地球是圓的，一切物體都會(huì)從地球表面“滾落”下去。對(duì)于他們來說，地球是圓的這一概念是同地心引力相矛盾的。但是我們完全知道，這里根本不存在任何矛盾。道理很簡(jiǎn)單，因?yàn)椤吧稀焙汀跋隆边@兩個(gè)概念是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的。光的傳播同樣如此。要在運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性和絕對(duì)性之間的尋找邏輯上的矛盾是徒然的，也是毫無意義的。當(dāng)我們提出另外一些假定，矛盾就出現(xiàn)了。這就象中世紀(jì)的人們認(rèn)為“上”和“下”是絕對(duì)的概念，而拒絕承認(rèn)地球是圓的一樣。他們這種荒誕的概念源于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏。那時(shí)，人們很少有長(zhǎng)途旅行的可能。他們只能了解地球表面很小區(qū)域的一些情況。顯然，同樣的情況也可出現(xiàn)在我們面前：由于我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，只是我們把一些相對(duì)的現(xiàn)象，誤認(rèn)為是絕對(duì)的。這些現(xiàn)象是什么呢？為了發(fā)現(xiàn)我們的錯(cuò)誤，今后我們只能接受有實(shí)驗(yàn)證實(shí)而確定的那些正確的假想。

《在一列火車上》

設(shè)想有一列長(zhǎng)540萬公里的火車，以每秒24萬公里的速度作勻速直線運(yùn)動(dòng)。假定于某一規(guī)定時(shí)刻，打開火車中部的一盞燈。再設(shè)想，當(dāng)燈光達(dá)到火車首尾的兩個(gè)車廂時(shí)，車廂的門都立即自動(dòng)打開。這時(shí)火車上的人將看到什么現(xiàn)象呢？在回答這個(gè)問題時(shí)，我們只承認(rèn)由實(shí)驗(yàn)而得到的數(shù)據(jù)。在火車中間的人將看到下列現(xiàn)象：根據(jù)麥克爾遜的實(shí)驗(yàn)，由于相對(duì)火車而言，光向任何方向傳播的速度是相同的，即每秒30萬公里。那么光在9秒后同時(shí)到達(dá)首尾兩個(gè)車廂。首尾車廂的門也同時(shí)打開。相對(duì)月臺(tái)而言，光也以每秒30萬公里的速度傳播。但是，尾節(jié)車廂是迎著燈光運(yùn)行的。所以燈光是在2700000/（300000+240000）=5秒后與尾車廂相遇。而對(duì)首節(jié)車廂來說，燈光是在追著它傳播的。所以燈光需在45秒之后才能到達(dá)首節(jié)車廂。對(duì)于月臺(tái)的人來說，首尾兩節(jié)車廂的門似乎是在不同的時(shí)刻打開的，即尾節(jié)車廂的門先打開，而首節(jié)車廂的門則是在40秒之后才打開。于是，對(duì)于在火車上的人來說，首尾兩節(jié)車廂的門的打開是完全同時(shí)的，而對(duì)月臺(tái)上的人來說，首尾兩門的打開卻相隔40秒。人們?cè)趯?duì)這一現(xiàn)象的感覺和理解過程中產(chǎn)生了困難。以常識(shí)為依據(jù)來否定這一新的現(xiàn)象，當(dāng)然是很自然的事。而麥克爾遜的實(shí)驗(yàn)獲得的出乎意料的成果，為物理學(xué)家們提供了新的事實(shí)，并促使他們不顧“常識(shí)”的干擾，去進(jìn)一步觀測(cè)和探討諸如兩個(gè)事物的同時(shí)性這類明顯而平凡的概念。

《時(shí)間和空間有相同的命運(yùn)》

以前人們認(rèn)為，從任何角度來看，兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象必然是同時(shí)的。然而實(shí)驗(yàn)證明這是錯(cuò)誤的。因?yàn)檫@個(gè)結(jié)論只適用于相對(duì)靜止的參照系。假定有人問我們，兩個(gè)現(xiàn)象是否真正同時(shí)發(fā)生，而不涉及任何處于某種狀態(tài)的參照系。遺憾的是，這樣的問題就象并不涉及任何觀察點(diǎn)而問兩顆行星是否真正處于一條直線上一樣毫無意義。事實(shí)是這樣的：同時(shí)性不僅決定于兩個(gè)現(xiàn)象，而且決定于觀察這兩個(gè)現(xiàn)象時(shí)所處的參照系。就象兩顆星球是否處于同一直線上，不僅決定于它們的方位，而且決定于觀察它們的點(diǎn)。在相對(duì)論創(chuàng)立之前，絕對(duì)的時(shí)空觀在物理學(xué)中占著統(tǒng)治地位。在時(shí)間方面，絕對(duì)的時(shí)空觀認(rèn)為：時(shí)間的量度與參照系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，也就是存在著與參照系無關(guān)的絕對(duì)時(shí)間。在空間方面，認(rèn)為空間的量度同參照系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，也就是存在著同參照系無關(guān)的絕對(duì)空間。但是，我們發(fā)現(xiàn)，時(shí)間和空間一樣也是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的。所時(shí)，“在同一時(shí)間”這一概念，正與“在同一地點(diǎn)”一樣，都是沒有意義的概念。這就是說，必須對(duì)一個(gè)特定的參照系來論述時(shí)間或者空間。如上所述，對(duì)于在火車上的人來說，同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于月臺(tái)上的人來說，就不是同時(shí)的，除非我們講的時(shí)間是相對(duì)于某一個(gè)參照系，否則，關(guān)于一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間的說法，就是沒有意義的。

《科學(xué)勝利了》

時(shí)間是相對(duì)的這一發(fā)現(xiàn)，從根本上改變了人們關(guān)于自然界的觀念。這一發(fā)現(xiàn)是人類理智戰(zhàn)勝千百年習(xí)慣傳統(tǒng)觀念的偉大勝利，只有象地球是圓的這樣的的偉大發(fā)現(xiàn)才能與之相比。它是人類思想上罕見的革命性的變化。時(shí)間的相對(duì)性這一發(fā)現(xiàn)，是二十世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家愛因斯坦于1905年為人類科學(xué)做出的偉大貢獻(xiàn)。1905年，德國的《物理學(xué)雜志》相繼發(fā)表了這位年輕作者的五篇論文。這些論文，給整個(gè)物理學(xué)帶來了一場(chǎng)翻天覆地的革命，并導(dǎo)致了現(xiàn)代物理學(xué)的建立。這時(shí)，愛因斯坦還只是一個(gè)26歲的青年。愛因斯坦的偉大發(fā)現(xiàn)，使它進(jìn)入人類思想巨人的行列，成為象哥白尼、牛頓一樣的人類科學(xué)史上的偉大的開路先鋒。時(shí)間的相對(duì)性理論與其一系列有關(guān)推論，通常被稱為狹義相對(duì)論。這一理論不應(yīng)同運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理相混淆。

《速度有其極限》

第二次世界大戰(zhàn)前，飛機(jī)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于聲速。今天，超音速飛機(jī)早已出現(xiàn)。無線電波以光的速度傳播。那么，我們能否創(chuàng)造出“超光速”電訊設(shè)施來傳遞信息呢？這是根本不可能的。假如能夠以無限大的速度傳遞信息，那么我們就能夠建立這樣的一種理論：任何兩個(gè)時(shí)間的同時(shí)性是絕對(duì)的。如果關(guān)于第一事件的無限快的信息同關(guān)于第二個(gè)事件的信息同時(shí)到達(dá)，我們可以說，這兩個(gè)事件發(fā)生在同一時(shí)刻。這樣，兩個(gè)事件的同時(shí)性這一概念，就獲得了絕對(duì)的特點(diǎn)，而不管與這一結(jié)論有關(guān)的參照系的運(yùn)動(dòng)情況如何。但是，實(shí)驗(yàn)證明時(shí)間的絕對(duì)性是不可能的。由此，我們得出結(jié)論：信息的傳遞不可能是瞬時(shí)的。從空間一點(diǎn)傳到另一點(diǎn)的信息傳遞速度，不可能大于某一極值，該極值即為速度的極限。這一速度極限等于光速。存在于宇宙的這一最高速的發(fā)現(xiàn)，是人類才智的最大勝利之一，也是人類實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ淖畲髣倮弧Ｏ鄬?duì)論表明，最高速度的存在決定于物質(zhì)的內(nèi)在本質(zhì)。假定說，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可使我們得到比光速更大的速度，這就象下面的說法一樣荒唐可笑：在地球表面兩萬公里以外的地方并不存在任何點(diǎn)，但是，如果有人竟希望有朝一日，當(dāng)?shù)厍蛏系匦伟l(fā)生變遷的時(shí)候，在更遙遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)地球上的新點(diǎn)，這顯然是十分荒唐可笑的。正由于光速的最大速度，因而才使光速在自然界中發(fā)揮如此特別的作用。光速或者可以超過其它一切現(xiàn)象的傳播速度，或者至少同其他現(xiàn)象的速度相同。假如太陽一分為二，形成兩個(gè)星球，那么地球的運(yùn)動(dòng)自然也會(huì)發(fā)生變化。十九世紀(jì)的物理學(xué)家們由于不了解自然界里存在一個(gè)最高速度，他們很自然會(huì)設(shè)想：一旦太陽分裂成兩個(gè)，地球的運(yùn)動(dòng)立刻會(huì)發(fā)生變化。但實(shí)際是，光從分裂后的太陽傳到地球上尚需8分鐘之久。這就是說，在太陽分裂8分鐘之后，地球的運(yùn)轉(zhuǎn)才會(huì)開始發(fā)生變化。在這一時(shí)刻之前，地球仍繼續(xù)按原來的方式運(yùn)行。在太陽發(fā)生分裂后8分鐘內(nèi)，與太陽有關(guān)或發(fā)生在太陽上的任何現(xiàn)象，將不會(huì)對(duì)地球本身或者地球的運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。信息傳遞的最高速度，當(dāng)然不會(huì)排除建立兩個(gè)現(xiàn)象的同時(shí)性的可能性。我們必須做到的，就是注意觀察信息的時(shí)間滯差。這就是通常的做法。建立同時(shí)性的方法，同這一觀念的相對(duì)性是一致的。的確，為了減小時(shí)間的差別，我們必須將以光速傳遞的信息發(fā)生在兩個(gè)地點(diǎn)之間的距離進(jìn)行分割。

5. 反復(fù)無常的鐘表和標(biāo)尺

《我們?cè)俅巫匣疖嚒?/font>