t'B =

L' 。

cv+cv

显然

t'A≠t'B。也就是说，在

K'看来，信号到

A和到

B这两

(1)

这里我们又一次遇到光速极限问题，速度

c＋

v显然是超过光速的，

但它并不同光速极限相矛盾。光速不变­性­是说光相对于观察者的速度

不变。而这里的

c＋

v则是观察者看到的一束光与另一物体之间的相

对速度，后者是可以超过光速的。

·38·

图

4-3 在以速度

v运动的惯­性­系

K' 看来，电台

信号到达

A，B两地不是同时发生的

件事不是同时发生的。这就证明了“同时”是相对的，它决定

于选用哪一个参考系。当参考系变化时，不同时的事可能变

成同时，同时的事件也可能变成不同时。

谁先动手

按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事

情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为

10米的列

车，A在车后部，B在车前部。当列车以

0.6c的高速度通过

一个站台的时候，突然站台上的人看到

A先向

B开枪，过了

12.5毫微秒，B又向

A发­射­。因而站台上的人作证：这场枪

战是由

A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们

·39·

说，是

B先开枪，过了

10毫微秒，

A才动手。事件是由

B发动

的。

图

4-4 谁先动手

到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件

中，谁先谁后是有相对­性­的。在列车参考系中，

B先

A后，而

在车站参考系中则是

A先

B后。

因果关系

读了上面的例子，有的读者一定会发生疑问。如果事件

的先后次序是相对的，那么会不会在某个参考系中能看到一

个人的死亡早于他的诞生，一列火车的到达早于它的出发呢？

更一般地说，原因总是发生在结果之前，如果事件的次序能颠

·40·

倒，那不就出现结果在前原因在后的混乱了吗？

倒，那不就出现结果在前原因在后的混乱了吗？

图

4-5）。横轴

代表空间坐标

x，纵轴代表时间坐标

t。如果一个事件在图上

的位置是原点（即

x＝t＝0事件），则由它发­射­（或到达它）

的光的世界线是两条

45°的斜线（如果取光速

c＝1）。这两

条线把整个平面分成四个锥状区域。利用等于或小于光速的

信号可以把原点事件

O与区域Ⅰ和Ⅱ中的任何事件联系起

来，而不可能把原点事件

O与区域

III和

IV中的任何事件联

系起来。

由于光的速度是极限速度，事件

O与区域

III及

IV中的

任何事件不可能用任何信号联系起来。不能用任何信号联系

起的两个事件是不可能互为因

果的。因而，对这些事件来说，

谁先谁后的相对­性­并不涉及因

果关系。相反，

O与区域

I及

II中的任何事件均可能用信号

联系，即可能存在因果关系。因

此，这些事件的先后不应当有

相对­性­，否则将与因果关系相

矛盾。

区域

II相对于事件

O来

说，是绝对的过去，区域

I对于

它来说，则是绝对的将来。这种先后是不能由选择参考系加以

改变的，是绝对的。所以，狭义相对论能适应因果关系的要求。

·41·

图

4-5 光锥图，O事件与

III、

IV两区域中的任何事件不可

能有因果关系，它与

I、II中

的事件则可能有因果关系

在牛顿的物理学中，我们并不清楚两个事件具有因果关

系的必要条件是什么。爱因斯坦物理学则表明，两个事件具

有因果关系的必要条件是两者可以用等于或小于光速的信号

联系起来。再看一看上节讨论过的

A和

B的枪战，由于

A和

B并不满足这个必要条件（在十几个毫微秒时间内，光信号走

不到十米远），所以，A和

B开枪动作的先后是相对的。

在这里我们再一次看到光速

c的重要­性­。正是光速不变

­性­保证了因果关系的成立，保证我们不会看到任何倒因为果

的现象。

至此，我们可以用下面的表简单总结一下迄今已经讨论

过的从经典力学到相对论的种种变化。其中“绝对的”意思是

不随参考系的变化而变化，“相对的”则表示与参考系的选择

有关。

经典力学狭义相对论

光速相对的绝对的

同时绝对的相对的

不可能有物理联系

的两事件的次序

绝对的相对的

可能有物理联系的

两事件的次序

绝对的绝对的

·42·

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