互动科普

如果说，有一个方法可以让任何人都能投出时速300千米的超快球，你肯定会非常好奇，这究竟是什么方法呢？

答案是：在高速列车的车厢内投球！让我们想象一下，A在时速250千米的高铁车厢内向火车行进方向以每小时50千米的速度投球。这时，站在地面的B会看到球以每小时300千米的速度急速飞行。

也就是说，（球的）速度与（高铁的）速度可以相加或相减。意大利物理学家伽利略·伽利雷（1564～1642）最早提出了这一概念，因此也称为伽利略速度相加定理。如果仅仅从球本身的运动来看，不管是用静止不动的自动投球机以时速300千米投出的球，还是在时速250千米的高铁内以时速50千米投出的球，它们看上去都是一样的。

图1.在爱因斯坦之前学者的时空观

牛顿认为，时间的流逝方法与物体的长度在任何时候、任何地点、对任何人来说都是相同的，即时间与空间是绝对的。图中用边长相同的格子表示绝对空间，用在任何星系中都指向同一时刻的时钟指针表示绝对时间。

天才物理学家艾萨克·牛顿（1642～1727）在总结物体运动规律的基础上，引进了伽利略速度相加定律，创建了牛顿力学。

进入19世纪后，英国理论物理学家詹姆斯·麦克斯韦（1831～1879）成功将电磁学定律用一组简洁、完美的数学形式表示出来，建立了麦克斯韦方程组，并根据该方程组推论出电磁波在真空中以每秒30万千米的速度传播。光也是一种电磁波，因此光的传播速度也是每秒30万千米。不过，麦克斯韦方程组并没有说明30万千米的秒速是以什么为基准的。

之后，阿尔伯特·爱因斯坦（1879～1955）提出“电磁波原本就没有速度基准，无论用什么基准来看（对以任何速度运动的人来说），光速都是相同的”。这种观点称为光速不变原理。

不过，爱因斯坦注意到一个隐藏在伽利略速度相加定理与光速不变原理中的巨大矛盾，并经过孜孜不倦的努力成功解决了这一问题，从而创建了狭义相对论。

爱因斯坦注意到伽利略速度相加定理与光速不变原理相抵触，无法同时成立。

例如，以每秒27万公里的速度高速飞行的人（A）向前进方向发射光（秒速30万公里，右图）。根据伽利略速度相加定理，对外部的观察者（B）来说，这两个速度相加，光应该以每秒57万公里的速度前进。可是，光速不变原理则认为光的传播速度是恒定不变的，B所看到的光速也应该是每秒30万公里。   

为了解决这一矛盾，爱因斯坦以光速不变原理为基础原理，提出时间的流逝速度、物体与空间的长度（距离）会随着观察者所处的位置不同而变化。也就是说，时间与空间并不是绝对的，而是相对的，因观察者所处的位置而异。基于这一观点，爱因斯坦推导出“物体的运动速度越接近光速，空间收缩效应越明显，时间流逝得越慢”，这就是狭义相对论。

图2. 任何人看到的光速都是相同的

狭义相对论认为，时间与空间不是各自独立伸缩的，而是同时伸缩的。例如，以接近光速运动的A所认定的10厘米尺度，对于静止不动的B来说，收缩到了不足10厘米。这时，B肯定会看到A手里的秒表也变慢了。

就这样，自狭义相对论登上历史舞台后，时间与空间就因联动伸缩而被认为是一体的，开始被统称为时空。因此，可以说我们生活的世界是由3维的空间与1维的时间组成的4维时空。

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）