我们学到的是正确的狭义相对论吗？

一、问题的提出

当我们单独查看一辆高速运动的动车（有10个车厢，每个车厢有独立的动力系统，车厢之间用很细很脆的塑料绳衔接）头部的1号车厢时，会看到车厢会发生收缩，我们假设1号车厢的尾部会往1号车厢的头部收缩。那么问题来了，当我们查看整个动车时，这10个车厢并不会“断开式独立收缩”，而是整体收缩，那么10号车厢除了独自收缩外，还会往头部的1号车厢靠拢。如果车厢数量增加到100个，那么第100号车厢的位移，除了有自身收缩导致的位移，还会有整个动车动尺收缩导致的位移，也就是说，单独考察1节车厢的位置，和在100节车厢里考察1节车厢的位置是完全不同的。当我们对某个物体进行“动尺收缩”效应分析时，是否还需要考虑这个物体和其它物体之间是否有整体性关联？

二、相对论提出的基础：人类无法感知绝对空间

狭义相对论最初的雏形来自“空间是不确定”的哲学理念。最初，一些顶尖思想家（如马赫、庞加莱）对牛顿框架提出了哲学性质疑，因为牛顿的“绝对空间”无法被感知和测量。

举个简单的实例，在高速运动的动车上，天花板a点（对应地面A点）释放一个小球，经历1秒的时间落到a点正下方地板的a1点（对应地面B点），牛顿时空不承认小球是从B地的正上方掉落的。但是，经过动车上的人测量，小球就是从B地的正上方掉落的，他会认为，小球在1秒之前就存在于B点的正上方（这才是爱因斯坦所描述的小球在“同一时间”的释放点和落地点）。那么谁的观点是正确的？相对论认为，二者都是正确的，地面惯性系的观测不具有优先性。

三、我们只能反推“物体两端在同一时间的位置”

测量的最大难点是，任何测量者都无法同时站在火车的车头车尾，无法同时感应到车头车尾发生了什么。因此，严格意义上讲，“同时”只能人为地进行定义。就像我们闭上眼睛的时候，是无法确定房间里任何物体的位置的，我们只能通过光信号来反推物体的发光位置。但是，我们眼睛看到的地面上的物体的发光位置并不是发光物体的“原始位置”，因为地球在转动。对于爱因斯坦的“同时记录物体两端的位置”，也只能是一个反推的过程，而不是预设的。“同步的时钟”也是反推出来的，并不是“上帝视角”。

四、如何正确理解动车在“同一时间”的空间位置？

狭义相对论所描述的时间、空间和恒定的光速是高度捆绑的，不能在脱离时间和光速的情况下预设时间和空间。这就意味着狭义相对论描述的“收缩的动尺”和静止的尺子无法直接对比长度。但是，我们在分析相对论的过程中，会不自觉地预设时间和空间。很多人尽管高度熟悉了狭义相对论的数学公式，但并没有理解相对论的时空关系，他们对相对论的理解仍然是错误的。对于本文第一部分提出的问题，我们可以通过以下案例进行分析：

我们先画出A惯性系（静止）和B惯性系（从左往右运动）的坐标系在某一时间点重合。一辆动车（在B惯性系静止）在坐标X上从左往右运动，火车上的0时，尾部W撞击X轴上的0点（此时两个惯性系的0点处于重合状态）的一根电线杆，发出一个火花，此时100号车厢（位于动车的尾部）的头部A点对应X轴的a点，99号车厢的头部B对应X轴的b，以此类推。

我们先从100号车厢头部的A点进行考察，A点固然会认为自己0时就在轨道上的a点，当火车上的时间经过1秒后，动车尾部碰撞的光子到达A点，此时A点已经离开了a点，到达了A惯性系X轴上的a1点。那么A点在没有上帝视角的情况下，无法知道0点的光子在0时是从哪里发出来的，它只能通过光信号进行反推。但是，在光速不变的情况下，A点反推出的发光点并不是在A惯性系X轴上的0点，而是0点右边的01点。显然，01点到a点的距离，要小于0点到a1点的距离。A看到运动的自己在X轴上的长度变短了。

我们再从动车头部的Z来考察，当Z接收到0点发出的光子时，它反推出的W在0时的发光地，并不是A惯性系X轴上的0点，也不是A所反推出的01点，而是01点右边的某一个点。

也就是说，反推的时间不同，得到的发光点的位置也会不同。

由此可见，得出测量结果的时间不同会导致被测量物体在“同一时间”所在的空间位置不同（时间和空间在没有测量之前都是未知的）。对于本文第一部分提出的问题，由于测量1节车厢的长度和测量100节车厢长度所消耗的时间是不同的，因此，在两种情况下，我们测量出的单独1节车厢的位置也是不同的。

五、解释相对论的案例存在绝对时空残留

1.“火车隧道悖论”。不少人认为，隧道闸门在时钟读数相同（已通过光信号同步）的情况下，可以同时关住收缩的火车（火车本征长度大于隧道长度），这种观点其实是错误的。根据本文第四部分的分析，“时间和空间在没有测量之前都是未知的”，空间只能通过“反推模式”来确定（也就是火车尾部的位置是火车头部测量出来的，头部的位置是尾部测量出来的），而反推的过程需要和光子跑过的空间距离挂钩。得出测量结果的时间不同，测量到的空间也不同（即便火车尾部的位置经过反推可以出现在隧道内，并不意味着火车尾部在隧道尾部闸门显示的时间和头部闸门显示的时间相同的时候，就出现在隧道的闸门内）。而“火车隧道悖论”的“标准解释”对火车首尾的位置是预设的、固定的，并不是测量出来的（根据本文的分析，不能在没有经过光信号对比的情况下得出运动物体的位置）。“地面时钟读数相同”不是“爱因斯坦时间体系的同时”的具体体现（“标准解释”只是把“绝对时间”换成了“通过光信号校准的时钟读数”）。

正确的理解是：根据本文第二部分的分析，当动车的天花板a点撞击地面惯性系的A点时，动车上a点正下方的a1点并没有在地面的B点（此时动车的B点对应动车的b1点），当a1点接收到小球时，其正好到达地面的B点，a1点会反推出a点就在B点的正上方。也就是说，a和a1无法在地面时钟读数相同的情况下撞击到A点和B点。但是，a1点反推出的A点在1秒之前就在B点的正上方B1点（B1点如果当时撞击了火车顶部，显然撞击的并不是a点），也就是AB的长度发生了收缩。反过来，地面系的A点测量到的a点和b1点之间的距离也发生了收缩。这才体现了相对论的对称性。以上解释对“火车隧道悖论”的解释才能体现“动尺收缩”的对称性，而“标准解释”则是在“上帝视角”下分析的“动尺收缩”，本质上存在单方收缩（这种观点默认了观测者可以同时知道火车首尾的位置）。

2.高速运动的μ子能在寿命内到达地面的解释。很多科普资料认为空气中高速运动的μ子之所以能在其寿命内到达地球表面（按照经典速度计算μ子无法在其寿命内到达地面），是基于狭义相对论的“动尺收缩”和“钟慢”效应，也就是μ子不会承认自己时间流逝变慢，而是会“看到”大气会变薄，但从地面检测者的角度来看，μ子之所以能到达地面，是μ子时间流逝变慢的体现。这种解释其实并不符合相对论的“对称性原理”。我们可以假设单个的μ子的周边存在一种“μ气”。如果μ子在诞生时可以看到地球的大气变薄，也就是μ子会看到自己和地球上的观测者之间的距离变短，那么根据相对论的对称性原理，地球上的检测物也会“看到”μ子周围的“μ气”变薄，也就是地球上的观测者会看到自己和μ子之间的距离也会变短。然而，μ子主要诞生于高能宇宙射线与地球大气层顶层原子核的相互作用，地面观测者显然无法否定其诞生地。显然这种“标准解释”分别给地面观测者和运动的μ子分配了一个“定制解释”，并不符合相对论的“等效解释”。

3.卫星时钟变慢论。很多科普资料认为地球同步卫星时钟在剔除广义相对论后的“频率变慢”证明了狭义相对论“钟慢效应”的正确性。这种观点其实也是错误的。因为相对论的“钟慢效应”具有对称性。如果我们发射一颗地球同步卫星前，需要按照相对论的要求调快时钟的频率才能确保卫星时钟到达轨道后和地面时钟同步，那么从卫星轨道向地面发射一颗卫星时同样需要调快时钟才能确保时钟到达地面后和卫星时钟同步，但这种做法肯定不能达到预期的效果。

六、结语

相对论的理解比量子力学更难，如果我们满足于现有的“标准解释”，显然无法推动物理学的发展。( 陈岳杉)

http://epaper.sxkjbs.com/epaper/itemid-68129.shtml