狭义相对论，颠覆时空观念(2)

爱因斯坦的狭义相对论彻底改变了传统空间和时间的观念，是一次巨大的理论飞跃。物理学家、科学史学家彼特·加里森提到，将爱因斯坦推上正确轨道的，除了以太理论，还有爱因斯坦当时的工作。加里森的理由是，生长于德国、在瑞士伯尔尼一家专利局工作的爱因斯坦对时间和时间协调一定有很强的体验。所有去过欧洲旅行的人都知道，那些国家，如瑞士和德国，都非常看重精准，这让在那里旅行的乘客有着非常愉快的体验，他们完全可以相信火车会按时到达。在1902年至1905年间，爱因斯坦在这家专利局工作，那时乘火车旅行已变得越来越频繁，而协调时间则成了尖端的新技术。20世纪早期，爱因斯坦很可能想到了现实世界的问题，例如该怎样协调在这一车站与下一车站之间的时间。

当然，爱因斯坦没必要为了解决现实的火车时间协调问题而发明相对论——对已经习惯了火车常常误点的美国人来说，协调时间无论怎样听上去都还有点新奇。但由协调时间引出了有趣的问题：时间协调对相对行驶的火车来说，可不是一件直截了当的事。如果我要与一个人对表，而这人正在一列行驶的火车上，那我就需要考虑信号在我们之间传递所延误的时间，因为光速是一定的，而与静止坐在我身边的一个人对表和与远处的一个人对表又是不同的。

将爱因斯坦引向狭义相对论的一个关键发现是，必须重新建立时间概念。根据爱因斯坦的理论，时间和空间不应再被孤立地来看待，虽然它们不是一回事——时间和空间显然是不同的，但你测量的量依赖于你的运动速度，狭义相对论就是这一见解的结果。虽然很离奇，但人们可以由两个假设得出爱因斯坦狭义相对论的所有新奇结果。要陈述它们，我们需要懂得惯性系（参照系的一个特定类型）的含义。首先，我们选择匀速（速度和方向） 运动的任一参照系，一个静止的就很好。惯性参照系就是指相对于第一个参照系以固定速度移动的参照系，比如一个以恒定速度从旁边跑过或驾车驶过的人。

爱因斯坦的假设是：物理定律在所有惯性系都是不变的;光速在所有惯性系都是不变的。

根据这两个假设，牛顿定律是不完善的。一旦接受了爱因斯坦的假设，我们就别无选择，只能以符合这些规则的、更新的物理定律来取代牛顿定律。随后的狭义相对论定律推出了所有你可能听说过的令人瞠目的结果，如时间膨胀、观察者对同时性的依赖、移动物体的洛伦兹收缩。当用于以相对光速很慢的速度运行的物体时，新的定律看上去与旧的经典定律非常像，但当用于高速（以光速或接近光速）运行的物体时，牛顿定律和狭义相对论的解释是有很明显的差异的。例如，在牛顿力学中，速度只是简单相加。一辆在高速路上向你迎面驶来的车，驶近你的速度就是你们两车速度之和。同样的道理，如果你在行驶的火车上，一个人从站台上向你扔一个球，那个球的速度应该是球本身的速度加上火车的速度（我以前的一个学生，维泰克·斯奇巴可以证实这一点：有人向正在靠近的列车投了一个球，车上的维泰克恰巧被球打中，他差点没被击昏过去）。