逻辑悖论随笔 狭义相对论是如何创立的？ ――谈“追光悖论” 时间能够倒流吗？当某项运动反转时，如果一个人往回走，或一辆车往回开时，看起来似乎时间已经倒流，但生活中大多数事情是不能逆转的。一辆车倒着开的画面看起来并非不可能，司机有可能在倒车。然而，在一个画面里，潜进水中的人先是从水中出来，再回到跳板上，这种情况立即使人们看出影片放倒了。同样，一个破 碎的鸡蛋在桌面上又收拢在一起，然后跳回到人的手中，也明显是把影片放倒了。这些事情在真实生活中是绝不会发生的。时间好比一支箭，它总是指向一个相同的方向。即使一首歌反转播放时，音符也是一个一个随着时间向前推移。时间无情地流逝，从过去向着未来，绝不会从未来向着过去。 大量的科学幻想故事都表现过到过去或未来去旅行。其中有一个经典故事说的是：布朗教授作为一个时间旅行者，进入他自己的过去，看见自己还是一个婴儿。他想，如果我杀死这个婴儿，那么，他就不会长大而成为布朗教授。我会突然消失吗？显然，从逻辑上说，假如他杀死这个婴儿，那他就会既存在又不存在。如果这个长大成为布朗教授的婴儿已被杀死，那么布朗教授又从何而来呢？ 既然向着过去旅行产生了如此荒唐的谬论，那么，一个人向着未来旅行又会怎样呢？爱因斯坦的相对论给出了一种完全不同的方法到未来去旅行。按照狭义相对论，一个物体相对于静止的观察者而言，它运动越快，它的时间就过得越慢。例如，有一个宇宙飞船以接近光速在飞行，那么飞船上的时间就要比地球上慢得多。在飞船上，宇航员丝毫不会感到有任何异常。他的时钟看来在正常地走着，他的心脏会以正常的速率跳动。可是，如果地球上的观察者有什么办法能看到他们的话，他们看上去将运动得如此缓慢，就好像待在那里不动一样。 20世纪初，在科学处于革命的形势下，物理学革命的先锋和主将阿尔伯特？爱因斯坦于1905年在德国的《物理学杂志》上发表了一篇具有划时代意义的论文―――《论动体的电动力学》，从根本上突破了关于时间和空间的传统观念，提出了一种有别于经典物理学的新理论，这就是“狭义相对论”。1915年，他又创立了“狭义相对论”的发展形式，即“广义相对论”。爱因斯坦的科学建树开辟了物理学发展的新纪元。 爱因斯坦所取得的科学成就似乎有些神奇色彩，以至人们觉得它不可想像，甚至令人难以置信。可是，科学发展史证明：爱因斯坦的科学成就是划时代的，是已经被现代科学实践证明了的科学真理。 为什么爱因斯坦能够取得如此惊人的科学成就呢？依笔者之见，在相对论的形成和创立过程中，悖论在其中起了不可忽视的作用。其中，“追光悖论”的发现和研究促使爱因斯坦提出狭义相对论；“双生子悖论”的发现和解决则为爱因斯坦提出和研究广义相对论提供了科学答案。 众所周知，狭义相对论是建立在狭义相对性原理和光速不变原理之上的。那么，这两个原理是如何发现的呢？两者又是如何统一起来的呢？爱因斯坦晚年在其《自述片断》中说：“在阿劳这一年里，我想到了这样一个问题：倘使一个人以光速跟着光波跑，那么他就处于一个不随时间而改变的波场之中。但看来不会有这种事情！这是同狭义相对论有关的第一个朴素的理想实验。”这就是说，爱因斯坦在阿劳中学读书的时候，狭义相对论的思想萌芽就在他的脑海里滋生了。但是，从爱因斯坦的研究过程来看，发现并创立狭义相对论似乎并不存在什么逻辑的道路，很可能与直觉有关。 其实，从阿劳中学想到的“追光悖论”到在伯尔尼专利局的最终突破，爱因斯坦为创立狭义相对论花了整整10年时间。他说：“这个悖论我在16岁时就已经无意中想到了：如果我以速度C（真空中的光速）追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好像在空间里振荡着而停滞不前的电磁场，但无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。” “追光悖论”的发现，不仅表明理论与实践之间存在矛盾，而且这个悖论还体现了从一个理论观点到另一个理论观点之间的矛盾。经过“十年沉思”，爱因斯坦对“追光悖论”有了明晰的认识，他说：上述悖论现在就可以表述如下。从一个惯性系转移到另一个惯性系时，按照经典物理学所用的关于事件在空间坐标和时间上的联系规则，下面两条假定：1.光速不变，2.光速不变定律同惯性系的选取无关，它们是彼此不相容的。 实际上，“追光悖论”反映了间断的质点力学和连续的电磁场不一致的理论矛盾。这种不一致性集中地表现在牛顿力学所依据的伽利略相对性原理和麦克斯韦理论所得出的光速不变原理之上。我们知道，从伽利略变换中一定能推导出绝对静止的坐标系，要求有绝对空间和绝对时间，并不存在极限速度。然而，光速不变则意味着光速是不可超越的极限速度。这种理论矛盾深深地困扰着爱因斯坦，他曾经尝试在传统观念的模型框架内解决这种矛盾，但努力的结果使他失望。 然而，这种失望并不是绝望。反过来，这种失望又转化为爱因斯坦在科学研究道路上的动力，进一步促使他以怀疑和批判的眼光看待和分析物理学的传统概念和理论。他发现：只要把同时性的绝对性作为一个公理，并且不知不觉地留在潜意识里，就休想令人满意地澄清并解决“追光悖论”；与之相反，清楚地认识到狭义相对性原理和光速不变原理的抵触是表面的，并且把它们同时作为公理，实际上就意味着“追光悖论”的解决。 1905年，是爱因斯坦最幸运的一年。当他领悟到同时性的相对性这一关键问题时，终于茅塞顿开：立足于同时性的相对性，就可以把光速不变原理和相对性原理协调一致。换句话说，光速不变原理对于一切惯性系都能成立，从一个惯性系转移到另一个贯性系的变换不是伽利略变换，而是洛伦兹变换。如果事件的坐标和时间的换算是按照一种新的关系即“洛伦兹变换”来进行的，那么，光速不变原理和相对性原理就不会彼此矛盾而是相容的。 思想上考虑成熟以后，爱因斯坦仅仅用了五个星期左右的时间就写出了《论动体的电动力学》一文，一举创立了狭义相对论，从而，在运动学的基础上把牛顿力学和电磁学统一起来了。 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/0eda7f3fe518964bcf847caf.html