科學論道6

六、相對論的兩個原理
　　
　　 當時年輕的愛因斯坦大膽假設，認為光的速度並不需要參照物，而是一個常數，並在此基礎上建立了輝煌的相對論。我們現在知道，對於相對論的預言都很成功，相對論的應用也很普及了，比如在GPS定位時，就要考慮相對論效應，不然就會出現較大的誤差。
　　
　　 建立相對論，有兩個重要的前提，一是光速不變原理，二是相對性原理。狹義相對論是以這兩個前提假設為基礎提出來的。 1905年，愛因斯坦在德國《物理學紀事》雜志上發表《論動體的電動力學》論文，提出了狹義相對論理論，其中對兩個原理作了定義：
　　
　　 “以下的討論將以相對性原理和光速不變原理為依據。這兩條原理我們定義如下：①物理體系的狀態基以變化的定律，同這些狀態的變化是以兩個彼此作相對勻速運動的坐標系中的哪一個為參考，是無關的。②任一條光線在‘靜止的’坐標系中都以確定的速度V運動，不管這條光線是由靜止的還是由運動著的物體發射出來的。”（參考《愛因斯坦文集》第二卷，P87，商務印書館，1977）
　　
　　以上第一條是相對性原理，第二條就是光速不變原理。相對性原理比較好理解，但是光速不變原理則有些難以理解，而當兩條原理合在一起運用時，卻對人類的邏輯思維提出了極大的考驗。現在盡管相對論誕生已有一百多年，越來越多的實驗也驗證了相對論的一些預言，然而從相對論誕生的那一刻起，對相對論的質疑從來沒有停止過，而且似乎有愈演愈烈之勢。
　　
　　國際學術組織自然哲學聯盟每年都在北美召開“向當代物理學和宇宙學挑戰”的學術報告會或研討會。俄羅斯科學院等主辦的批評相對論的國際學術會已連續舉行了 6屆以上，一屆比一屆規模更大、更隆重。在國內的反對相對論活動也在熱烈的開展，2000年7月29-30日，在北京召開了愛因斯坦相對論問題學術會。 2003年，在中國召開了三個旨在否定或超越愛因斯坦相對論的學術會議，它們分別是：8月15-17日在北京召開的“北京相對論研究聯誼會首屆年會”；8 月23-24日在北京召開的“第二屆全國愛因斯坦相對論問題學術會議”；10月11-13日在西安召開的“相對論及現代物理創新國際學術會議”。2004 年以後，國內召開了數次質疑相對論的學術會議。正如美國著名《能源》和《伽利略電動力學》雜志已故主編貝克曼教授所總結的：“從加拿大到南非，從歐洲到澳大利亞，從聖彼得堡到北京……相對論在‘空前成功’了近90年後仍遭到如此廣泛的抵制”，聲勢之大、歷時之久為歷史上罕見。
　　
　　相對論遭遇如此多責難的原因，歸根結底，就在於兩條基本原理結合在一起時所產生的邏輯矛盾。光速不變原理是說，光在一靜止參考系中傳播時，光速始終恆定不變，不管光源的運動狀態是如何。後來這一原理衍生至廣義相對論中，表述為，在任何參考系中，光速都是都是恆定不變的。這一原理，實際上闡述的是光速的絕對性。即，光在真空中的傳播速度作為一種物理量，是絕對恆定的，不會因任何原因而改變。但是，光傳播有速度，顯然是一種運動，可以通過距離與時間的比值來算出速度的大小。而根據運動的相對性原理，運動都是相對的運動，也就是說，所謂的運動，是相對於某參照物而言，這樣才可能計算出速度的大小。在這裡，光的運動就遭遇了絕對性與相對性的矛盾。
　　
　　用一個思想實驗可以更好的理解這種矛盾性。假設未來在太空上演一場警匪槍戰，警察和匪徒各自駕駛自己的飛行器以接近光速飛行，警察向匪徒的飛行器發射一束激光，這束激光沒有擊中目標，擦著匪徒的飛行器窗口而過。那麼，在匪徒看來，這束激光的速度會是怎樣呢？按照絕對性原理，任何參考系中的光速都是一樣的，所以在匪徒眼裡，激光仍然是以光速從窗邊飛過。但是，根據相對性原理，激光的速度只是略微比匪徒的飛行器快一點，在匪徒的眼中，激光應該是非常緩慢的速度從窗邊飄過。就像我們坐在行駛的車輛中，看旁邊一輛正在超過自己的車輛，其速度僅比自己快一點，如果兩車速度相同，那麼兩車的乘客看對方都是靜止的。那麼，在匪徒眼中，到底激光是以怎樣的速度運動呢？顯然，在這個思想實驗中，光速運動的絕對性對人類的邏輯思維構成了嚴峻的挑戰。依據相對論，匪徒眼中的激光依然是以光速運動，但這只是一種硬性的規定，沒有更多解釋說明的余地，並不能使人信服，因此，怎樣合理的解釋這一佯謬，是相對論需要解決的一個大問題。
　　
　　 除了光速的絕對性會引發佯謬，相對性原理同樣會引發佯謬。我們以一個著名的雙生子佯謬來闡述這個問題。
　　
　　雙生子佯謬是說，有一對雙生子，哥哥駕駛飛船去太空旅行，弟弟則留在地球。根據相對論，在相對地球作高速飛行的飛船上，時間的流逝會比地球上慢，因此，假如哥哥經過一年的太空旅行回來，地球上可能已經過了十年，那麼弟弟就比哥哥大了九歲。這種情況在相對論中是允許的。但問題是，根據運動的相對性原理，哥哥同樣可以認為是地球在相對於飛船作高速運動，因此地球的時間要變慢，這樣，哥哥應該可以得出自己比弟弟要大九歲的結論。哥哥做出這樣的結論是合理的，在相對論中並沒有什麼特別的規定不允許哥哥作出這樣的判斷。但是，誰都清楚，如果哥倆相遇，只可能有一個結果，那麼誰的看法是正確的呢？另一個人的看法又為什麼不正確呢？這樣的問題，不論是愛因斯坦還是後來的學者，都沒能給出合乎邏輯的解釋。
　　
　　在愛因斯坦的理論中，兩條表面矛盾的原理被硬性規定下來，可以說，相對論的大廈就是建立在這樣一個令人難以理解，表面矛盾的基礎之上。正是基於運動的絕對性與相對性的矛盾，發展出了許許多多的佯謬，如直角杠杆佯謬、柔繩佯謬、潛水艇佯謬、艾倫菲斯特（Ehrenfest）佯謬、哥德爾 (Godel) 佯謬，還有對鐘悖論和轉盤悖論等等。每一種佯謬出來，同時也會有各種解釋性理論相伴而生，但所有的爭端，歸根結底還在兩個原理的矛盾之上，相對論在獲得巨大成功的同時，也給人們的思維造成了巨大的混亂。例如，各種相對論著述對“尺縮鐘慢效應”的解釋也是五花八門：有認為不是真實的；有認為不是物理的但是真實的； 有認為是表觀上的；有認為是數學上的； 有認為是視覺效應； 有認為是由測量決定的； 還有認為是同時性的相對性的結果…… 不一而足。那麼，相對論效應到底是怎麼回事？