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第2部分（第2页）

在迈克尔逊噗雷实验里，c是光速，v是以太相对于地球的速度，但是比赛结果却不同：两条“光子船”总是准确地同时到达。要弄懂这个结果，要么得设想地球是完全静止在以太中，要么以太根本就不存在。

事后看来，如果我们严格遵照电磁理论，迈克尔逊和莫雷的结果并不奇怪。麦克斯韦理论是与伽利略的相对性原理明显矛盾的，因为其中的光速是不变的，完全与参考系无关。无论光弹沿什么方向，铁轨上的观测者测得的光弹速度既不是3

0．03公里9秒也不是299999．97公里／秒，而精确地是3

0公里／秒。光速在任何方向上、在任何参考系里都是完全一样的。

伽利略相对论曾被认为是对惯性系中自然定律普适性的表述，而支配电磁现象的麦克斯韦方程公然与之对抗。伽利略一牛顿的时空概念与电磁理论是不相容的，其中一个必须被抛弃。

狭义相对论

当爱因斯坦在1905年意识到这个矛盾时，他立即认定电磁理论是正确的，并作为一条基本原理提出：真空中的光速是绝对不变的，是信号传播的最高速度。与这条原理不相容的伽利略相对论不得不让位于一个新的相对论，后来被称为狭义相对论（广义相对论的建立是在十年以后）。

伽利略相对论中从一个惯性系到另一个惯性系的变换公式也就必须代之以狭义相对论的公式（在广义相对论里惯性系的实质将被改变），这就是罗伦兹（Lorentz）变换。这种变换使麦克斯韦方程保持不变，光速也成为绝对常量。

对火车射手实验，伽利略的速度和公式v—v＋v’被换成一个稍微复杂一些的、保证光速不变的公式。如果C二C’ZC，由新的公式将得出O仍等于C。这个结果似乎与读者的常识相违背，难道铁轨上的观测者不正是如伽利略变换得出的那样，测量到830米／秒和770米／秒吗？然而，实际上这里并无矛盾，因为只有对极高速度（远高于地球上常见的物体运动速度）的情况，罗伦兹变换才与伽利略变换有显著的差别。即使是对地球绕口公转运动（速度高达对公里／秒），罗伦兹变换公式带来的修正也只有万分之一。

理论的诞生

在本世纪的开端，相当多的物理学家都意识到了迈克尔逊一莫雷实验给物理学带来的危机，强调这一点无损于爱因斯坦的功绩。有些学者，例如亨德里克·罗伦兹（Hendrik　LorentZ）和亨利·彭加勒（Henri　Poincar6），对这场危机的洞察尤为深刻。罗伦兹首先提出（1904年）时间和长度都随参考系速度的变化而变化。1905年，彭加勒在他的论文“论电子的动力学”中引入了一个数学式，后来由赫曼·明可夫斯基（HermannMinkowski）于1908年发展完善，其中把时间作为第四个维度。新的相对论的确已如躁动在母腹中的婴儿。

彭加勒的论文发表后一个月，爱因斯坦的“论运动物体的电动力学”在德国的《物理学杂志》（Annalen　der　Physik）上发表。当时在伯尔尼专刮局供职的爱因斯坦看来并不知道他的前辈们的工作。狭义相对论之终于诞生，是因为爱因斯坦并不满足于只推导公式，他构造出了一个由光编织成的新时空。

光使时空联姻

我向你们阐述的时间和空间的观念是建立在实验物理基础上的，是实质性的，是牢固可靠的。从现在起，绝对的空间和绝对的时间都不复存在，只有二者的某种结合才有意义。

——曼·明可夫斯基（　1908）

在伽利略和牛顿的宇宙里，时间和空间是相互完拳种方的。空间有三个维度，就是说，需要有三个坐标来确定空间中的一个点c空间是由欧几里德几何来量度的（几何一词的原义是“大地测量”）。两点之间的最短路线是连接它们的直线，两条平行线只在无穷远处相交，三角形的内角和是180等等。这些定律在学校里被讲授着，因为它们在日常生活中高度精确地成立，两点之间的空间距离总是与测量者无关。

时间只由一个数来量度。与空间维度不同的是，它总是只朝一个方向流驶，从“过去”流向“未来”。由观察上和情理上都可确认，一个事件的原因总是在其结果之前，这种不可逆转的次序称为因果律。

时间与空间一样，对所有观测者都是相同的。既然速度没有上限，所有的钟，无论它们之间的空间距离有多远，都能被即时地调为同步，并继续保持指示出一致的时间。因此，伽利略一牛顿时空的因果结构就归结为，一个在空间同时地延展的现在时间，把过去和将来分离开来。

把时间和空间作为独立实体的观念遭到与牛顿同时代的数学家和哲学家威尔赫姆’莱布尼兹（WilhelmLeibniz）的强烈反对。他以哲学论据坚持时间和空间只能是联系于物质而存在。两个世纪后，爱因斯坦的相对论证实了莱布尼兹的观点，时间间限和空间距离都不再是固定的量，它们依赖于观测者与被观测物体之间的相对速度。伽利略一牛顿的绝对时空结构让位于一种新的四维结构，即明可夫斯基时空。

时空中的一个点是一个事件，由三个空间坐标和一个时间坐标来确定。两个事件间的间隔是不变量（即不依赖于参考系），但现在是时间间隔和空间间隔的结合，每一个都不再单独守恒。

本书将频繁使用的一种能清晰地表述时空结构的方式是光锥。想象空间中的一个点和一条由该点发射的光线，在一个没有任何物质的空间，光波的波前是一个以发射点为中心的圆球，这个球以光速随时间膨胀（图阿。仍略去空间的一维，光波就能由该图表示。随时间膨胀的光球在图中成为一个圆锥，其顶点是光所发出的位置和时刻（即一个事件），光锥描述光线发出后的经历。

图5是另一幅时空图，显示几个事件的光锥。对某一给定事件E光推由两片组成，一片属于过去，一片属于将来。所有由E发出的光线和过去发射并经过E点的光线都进入E的将来锥。

狭义相对论的基本出发点是任何粒子都不可能运动得比光更快，光速是一个绝对恒星。这就是说，l秒钟内任何粒子走过的距离不可能大于3

0公里，而光则精确地走过这个距离。在时空图上是这样来显示的，所有粒子的世界线（用以称呼时空轨迹的名词）都位于光锥内部，而作为极限的光子（光的粒子）世界线则严格地座落在光锥面上，因为光锥正是由光线来规定的。

在明可夫斯基时空里，光速是信号传递的极限速度，这使得其因果结构与牛顿时空的大不相同。对某一事件E光锥把所有的时空事件分成两种：能够被来自E的电磁信号所影响的事件（光锥内部）和不可能被影响的事件（光锥外部，或称“外界”）。狭义相对论禁止任何一条世界线从光锥内穿到外界，也禁止反向穿越（这并不排除完全处于外界区的世界线。有人假设了一种在外界区以超光速运动的粒子，称为“快于”，但是关于这种粒子的理论有许多棘手的问题，在实验室里也从来没有探测到其存在）。

总之，光线的轨迹使我们能够构造出一个时空连续体的框架。狭义相对论中没有引力，所有的光锥都是相互平行的，因此，明可夫斯基的时空连续体是刚性的，或者说是平直的。伽利略和牛顿的时空分离的观念被统一的时空观念代替了。

时间游戏

爱因斯坦相对论给因果律加进了时间弹性，一个观测者随身携带的钟测量的时间称为原时，与相对观测者运动的钟所测量的时间是不同的。尽管这种差别只是在速度接近于光速时才变得显著，这个新的时间律还是带来了令人惊讶的后果。

著名的双生子佯谬已被谈得很多了。年龄为20岁的双生于，其中一个去作探