《重讀相對論》第七章 相對論物理學（下）是非曲直

7。4 是非曲直

在上次的實驗中，我們讓愛因斯坦手拿一把1光年長的剛尺水平運動，發生了一些莫名其妙的結果。而要揭示其中的奧秘，我們還需要繼續增加愛因斯坦的負擔，接下來我們就讓愛因斯坦背上一個十字架：首先，我們把兩把剛尺的0刻度線對齊，再把它們相互垂直的釘在一起，而後把它放在愛因斯坦的肩膀上，同時為了公平起見，我們讓他對面的貝索先生也揹著同樣的一個十字架。在初始階段，兩個十字架完美的重合在一起。顯然，正交在一起的兩把剛尺剛好構成了重合在一起的兩個笛卡爾座標平面，為了更好的觀察它們，我們在這個平面原點處做一條假想的中垂線，而後在這條中垂線的無窮遠處選擇一個絕佳的上帝視角。由於消除了時間差，從這點望去，兩個座標系的運動變化情況一覽無餘：

在某一個時刻，我們從上帝視角發出一個指令，在愛因斯坦肩上扛著的十字剛尺上，每一個刻度線都可以同時接收到這一指令，於是，所有刻度線在同一瞬間獲得了同樣的一個速度，愛因斯坦扛著他的座標系以光速的

N

分之一開始向右移動。顯然，從上帝視角看來，因為所有的刻度線都是同時移動的，所以愛因斯坦扛著的兩把剛尺的刻度始終是均勻的，

N

秒鐘後，上帝看到的現象如圖7-13所示：愛因斯坦移動到了1刻度線的位置，兩把剛尺所在的直線也始終都是相互垂直的。但站在原地的貝索可不這麼認為：

當愛因斯坦跑出去

N

秒鐘以後，由於光速傳播需要一定時間，貝索不會同時看到愛因斯坦剛尺上所有刻度線的同步移動，他只能看到

N

光秒之內的事件，再此範圍內，愛因斯坦所在座標系上下左右的

N

個刻度線都發生了移動，但

N

個刻度以外的部分仍然靜止。顯然，貝索的觀點和米列娃一樣，他們都認為愛因斯坦的座標系發生了空間扭曲，愛因斯坦右側的空間被壓縮了，左側的空間被伸長了。但問題的關鍵在於，愛因斯坦扛著的那個垂直的座標軸會如何變化？它的刻度仍然是均勻的嗎？它仍然會和水平的座標軸垂直嗎？顯然，貝索自己一直保持著靜止狀態，他也知道自己手中的那個垂直的剛尺是一條直線，但愛因斯坦手中的那個垂直的剛尺可就變了。如圖7-14所示：

在貝索看來，愛因斯坦肩上的垂直剛尺被折成了4段，在

N

光秒以內的部分被愛因斯坦向右拉成了一個尖角，變成了大於號的形狀。而

N

光秒之外，上下兩段仍然和靜止的剛尺保持重合。看來，愛因斯坦的垂直剛尺發生了扭曲變形。但是，愛因斯坦卻透過實驗告訴他：對不起，我這條剛尺是一根垂直的直線，貝索你手中的剛尺才被折成了4段，而且中間的一部分還向左彎曲了，變成了小於號的形狀。接下來，我們就論一論這裡的是非曲直。

首先，我們要知道如何判斷一條線是否屬於直線？如何一個角度是否垂直？顯然，因為光是沿著直線傳播的，因此判斷直線的最簡單的辦法就是從線的一端望向另一端。在這裡，我們不妨假設愛因斯坦扛著的不是一個剛尺，而是一個剛性的細管，假設整根細管是直的，那麼愛因斯坦應該能夠從這根管子中窺見遠處的天空，如果管子彎曲了，則愛因斯坦只能從中看到管壁。

那麼，愛因斯坦可以看到天空嗎？可以的！只不過，愛因斯坦運動時從管中窺見的天空和當初靜止時窺見的不再是同一片天空。關於這一點，愛因斯坦一眼就能看出來，所以他無需證明，但問題在於，貝索始終不能相信他說的話，他認為愛因斯坦在自欺欺人，畢竟兩點之間只能有一條直線，如果貝索所扛的剛尺是直線的話，愛因斯坦扛著的就不可能是筆直的細管，也不可能從中看到天空。於是，我們只能透過上帝視角來解釋一下原因了，將如圖7-15所示：

當愛因斯坦扛著的垂直管子向右運動時，當遙遠的星光傳播到管口上方時，如果光線垂直向下傳播，的確不會被愛因斯坦所看到。但是，如果光線本就是向右下方傳播的就不同了，從左上方傳來的星光在經過管口後，本就有一個水平向右的速度分量，如果這一速度分量和細管的運動速度相同，那麼愛因斯坦將在細管的底端收到這一訊號。因此，順著這條光線，愛因斯坦就會看到斜後方天空。那麼，愛因斯坦還會認為自己肩上所扛著的兩把剛尺是垂直的嗎？是的！不過，這需要另外兩個實驗來證明：

按照歐式幾何，判斷兩條直線是否垂直有兩種辦法。如圖7-16所示：第一種方法是：拿一個現有的直角尺，讓它和被測量角的頂點以及其中的一條邊重合，如果直角尺的另一條邊也可以和被測角的另一邊重合，就可以證明該角是直角。第二種方法是基於平面幾何中等腰三角形三線合一定理設計的：首先以頂點

O

為中心，在一條邊所在直線的左右兩個位置取得距離相等的兩個點

AB

，然後從另一條直線上任意取一點

C

，最後，我們測量一下

CA

和

CB

之間的距離，如果

CA

=

CB

，則證明

CO

垂直

AB

於

O

點。

接下來我們先用第一種方式判定，假設愛因斯坦手中有一個巨大的直角尺，當他把這個直角尺的直角頂點與自己的原點重合，把直角尺的一條邊和水平剛尺重合以後，他會發現：直角尺的另一條邊和垂直的剛尺完美的符合在一起。為什麼會有這種現象呢？

原因在於，我們根本就不能“同時”看到直角尺的各個頂點。假設直角尺的直角邊長度為1光秒，顯然，1光秒處的任何事件都需要傳播一秒鐘才能被愛因斯坦收到。既然愛因斯坦看到的垂直剛尺上的刻度1所在的位置是1秒鐘之前的，那麼，他看到的直角尺的頂點所在的位置當然也就應該是1秒鐘之前的。儘管此時在貝索看來，愛因斯坦立起來的這個直角尺也和原來手中的剛尺一樣，向後傾斜了同樣的角度。但在愛因斯坦看來，這兩個角度本來就是直角。看來，我們只能試一試第二種測量方式了：

為了判斷豎直的剛尺是否垂直於水平的剛尺，我們先在愛因斯坦水平剛尺的前後各1光秒處找到兩個位置點

AB

；而後我們在豎直剛尺的任意位置找一個點

C

，為了判斷

CA

和

CB

是否長度相等，我們仍然要透過反射法，在

C

處點亮一個光源，當光線傳播到

AB

兩處後，再由兩處的平面鏡反射折返，如果在

C

點能夠同時收到

AB

兩點的回波，則證明

CA

=

CB

，從而也可以證明兩條剛尺相互垂直。接下來，我們仍然透過上帝視角來觀察，如圖7-17所示：

儘管在上帝看來，兩條剛尺顯然是垂直的，但在實驗前，我們並不能確定兩束回波是否可以同時返回

C

點。現在我們開始在

C

處點亮一個光源，而後瞬間熄滅等待接收

AB

兩點的反射光波。當球面光波從

C

點發出以後，由於

AB

兩點都在前進，光波需要追趕前面的

A

點一段距離，而且會迎著

B

的方向前進，假設光線追趕到

A’

處就可以追上

A

點，追到

B’

處就可以追上

B

點。那麼在上帝看來：

光線從

C

點傳播到

A’

的時間

t

1就會大於從

C

傳播到

B’

的時間

t

2，但是，當光線從

A’B’

兩處返回

C

點時，

C

點仍在前進，因此從

B’

點反射回的光需要追趕

C

一段時間，假設這段時間為

t

3，根據平面幾何原理不難得知，這一過程所需時間

t

3和光從

C

傳播到

A’

的時間

t

1完全相同。同理，從

A’

點反射回的光是迎著

C

點前進的，這段時間

t

4應該等於從

C

到

B’

的時間

t

2，由於

t

1=

t

3且

t

2=

t

4，所以從光波發出到返回的總時間

t

=

t

1+

t

3=

t

2+

t

4。也就是說，

AB

的反射光波會同時返回C點，因此愛因斯坦同樣認為：

CA

=

CB

，

CO

⊥

AB

。自己肩上的兩條剛尺永遠保持相互垂直的關係。

實際上，為了證明兩條剛尺的垂直關係，我們還可以進行大量其他的物理實驗，但無論是哪一種實驗方式，我們得到的結果都只有一個，那就是愛因斯坦的兩條剛尺相互垂直。現在就出現了這樣一種奇妙的現象：在

N

光秒之外，愛因斯坦和貝索的鋼尺重合在一起，

N

光秒之內，愛因斯坦和貝索互相認為自己手中的剛尺是均勻的直線，並認為自己的兩條剛尺相互垂直，而對方手中的鋼尺變彎了。要知道，在平面幾何的領域中，過直線外一點，有且僅有一條垂線，過兩點之間也只有一條直線，現在這樣的場景究竟是怎麼回事？

此時，從上帝視角看來，兩條豎直鋼尺上的所有刻度線都在同步運動，因此，兩條豎直剛尺永遠保持著相互平行，在任意時刻，它們都會同時垂直於水平剛尺。雖然我們知道愛因斯坦和貝索看到的兩條鋼尺相交的結果只是一個現象，但我們要問的是，他們兩個究竟誰看到的是現象？誰看到的是本質呢？為了證明愛因斯坦的時空的確發生了扭曲，貝索想到了一個新的判斷標準……

7。5 時空畸變

當愛因斯坦扛著一個十字架奔跑起來以後，由於光訊號的延時效應，發生了非常有趣的現象：兩把豎直的剛尺明明在遠處交匯於一點，但愛因斯坦和貝索卻都認為自己手中的剛尺是垂直的，對方的時空發生了扭曲。此時，貝索忽然想到了一個新的判斷標準，既然愛因斯坦認為自己所處的時空是平直的，那麼，在愛因斯坦那裡，一秒的時間究竟是多長？一光秒的距離又是多遠呢？愛因斯坦說，這還不容易嗎？我這兩把剛尺上都有刻度，每個刻度之間的間隔都是1光秒，如果讓光線在兩個刻度之間折返一次，經歷的時間就恰好是2秒鐘了。

為了證明自己的時空是均勻的，愛因斯坦決定，從自己的座標原點處發出一個球面光波，等光波分別到達上下左右四個刻度線以後，經過反射折返回原點，如果四條反射光線都能夠同時到達

O

點，這就足以證明自己的空間是平直的了，為了計算方便，我們把這一實驗過程重新切回到上帝視角，如圖7-18所示：

ABCD

和

O

點之間的空間間隔永遠為1光秒，當光波從

O

點發出以後，形成了一個以

O

點原來的位置為核心的球面光波。

由於

ABCD

四點以及座標原點

O

都在以

v

=

c

/ N的速度向右運動，所以整個球面波的波面要追趕

ACD

三個點，需要多花一些時間，而

B

點則是迎著球面波前進的，所需時間較短，我們假設

B

點移動到

B’

位置時就接受到了球面波，則光波和

B

點所運動的總路程為1光秒，二者的速度和為

c

+

v

，因此這一過程所需時間

t

B1=

c

/（

c

+

v

） 秒。

由於座標系只是水平移動，而

CD

對稱的分佈於

O

點的上下兩側，所以光波波面追趕

CD

所需的時間是相同的，如圖7-19所示：

假設

CD

兩點分別移動到

C’D’

時，光波正好追上了它們，則在這段時間

t

C1中，

OO‘

的距離為

vt

C1，

OC’

的距離為c

t

C1，

O’C’

的距離為1光秒，根據勾股定理可知：

接下來，我們繼續分析光波追上

A

點所需的時間

t

A1，如圖7-20所示：假設

A

點到達

A’

位置時光線恰好追上了

A

點，由於光線時沿著直線追趕

A

點，因此，追擊速度為二者的速度差

c

-

v

，追擊的總路程

O’A’

仍然是1光秒的路程。所以這一過程所需時間

t

A1=

c/

（

c

-

v

）。

接下來我們討論光波返回所需的時間，如圖7-21所示：當光波從

B’

返回時，需要沿直線追趕

O’

，追趕的總路程為1光秒，總速度為

c

-

v

，因而此過程所需的時間

t

B2=

c

/（

c

-

v

）秒。因此，光線從O點發射到B點再返回的總時間為：

同樣，從

A’

返回的光線會迎著

O’

運動，這一過程的總路程為1光秒，總速度為

c

+

v

，總時間

t

A2為

c

/（

c

+

v

）秒，因此，光線發射到

A

點並返回的總時間為：

由於

t

A=

t

B，因此水平發射的光線可以同時返回。那麼垂直方向傳播的光線又會如何呢？如圖7-22所示：假設經過的一段時間

t

c2後，從

C’

和

D’

反射回的光線到達

O’’

點，那麼：

O’O’‘

的距離為

vt

c2，

O’C’’

的距離為c

t

C2，

O’C’’

的距離為1光秒，根據勾股定理可知：

因此，光波傳送到

CD

並返回的總時間

t

C和

t

D為：

透過上述分析不難得知：由於

t

A=

t

B，所以從

O

點發出的光波在水平方向上可以同時返回；又由於

t

C=

t

D，所以從

O

點發出的光波在垂直方向上也可以同時返回；然而由於

t

C≠

t

A，所以從

O

點發出的光波在水平和垂直方向上並不能同時返回。於是，愛因斯坦也不得不承認，自己所在的時空一定發生了畸變，而貝索所在的靜止參考系仍然是平直的。現在的問題在於，愛因斯坦應該如何理解這種時空的畸變？在

t

A和

t

C中，哪一個量表示時間變化，哪一個量表示空間的扭曲？要了解這一點，我們就必須回到愛因斯坦剛剛出發的那個時刻：

當愛因斯坦扛著自己的兩把剛尺出發時，貝索可以看到愛因斯坦上下左右的四個刻度線同時移動了，但是愛因斯坦看到的場景卻是：自己面前的

A

點首先開始移動，經過一小段時間後，上下的

CD

兩點同時移動，再經過一段時間才看到後方

B

點的移動。因此在愛因斯坦看來，之所以光波在

AB

之間折返的過程中耗時較長，就是因為

AB

沒有和

CD

同時運動，所以

AB

之間的測得的時間和距離都是超長的，只有

CD

之間的時空才是準確無誤的。愛因斯坦認為，

CD

兩點的距離始終未變，而且

CD

永遠垂直於

AB

，因此光在

CD

之間折返的事件一定是2秒鐘。現在，只要我們用上帝視角看到的光在

CD

之間往返的總時間

t

C除以愛因斯坦座標系內的時間2秒，就得到了愛因斯坦時鐘變慢的比例γ：

由於γ>1，所以在上帝視角和貝索看來，愛因斯坦的時

鍾變慢了。注意：過去我們曾經一直假定，相互運動的兩個參考系在垂直方向上的距離不變；透過上述分析不難發現，其實對於“垂直”，兩個參考系根本就沒有統一的標準：在運動參考系中看來垂直的方向，在靜止的參考系中看起來卻是朝運動方向傾斜了。由於這種時空畸變的作用，垂直方向上的空間距離增長了，只不過，這種增長並不表現為空間距離的增加，而是表現為運動參考系的時鐘變慢。

由於水平方向和垂直方向上的光波無法同時返回，為了保障自己的空間各向均勻，使得剛尺上的刻度間隔準確無誤，愛因斯坦必須調整一下水平剛尺，使得水平剛尺在運動方向上均勻收縮，當

OA

、

OB

之間的空間間隔縮短到一定程度，使得

AB

反射的光和

CD

返回的光恰好同時抵達

O

點時，就意味著

AB

的長度等於

CD

。而此時，無論是從貝索的角度來看，還是從上帝的角度來看，

AB

之間的距離都比實際的1光秒縮短了，縮短的比例即為原來

OA

的時間間隔與

OC

的時間間隔之比λ：

這就是狹義相對論所指出的，運動方向上空間縮短的比例。從上帝視角看來：在愛因斯坦沒有下達尺縮命令前，他所在的時空是平直的，但由於愛因斯坦無法同時收到

ABCD

的光訊號回波，他會下達尺縮命令，在收縮完成後，雖然愛因斯坦認為自己的時空平直了，但在上帝視角看來，愛因斯坦發生了尺短鐘慢的效果。而在貝索的視角看來，愛因斯坦的時空不僅發生了尺短鐘慢效應，而且愛因斯坦所處的時空發生了扭曲畸變，他的水平方向和豎直方向不再垂直了，由於這種垂直方向的變化，進一步導致了光性差效應。

那麼，既然在上帝視角看來，愛因斯坦的空間都收縮了，那麼這是否意味著貝索的時空才是真正平直的，既然是愛因斯坦下達了收縮命令，這是否又意味著愛因斯坦的收縮是一種絕對的收縮呢？並非如此！因為當愛因斯坦運動起來以後，他便不再認可貝索所給出的上帝方位，由於時空畸變的作用，愛因斯坦所認可的上帝的位置也就發生了相應的改變。如圖7-23所示：

當兩個參考系相對靜止時，為了判斷兩個事件是否同時發生，大家所認可的線段中點是一致的，垂直的方向也是一致的，在

AB

中垂線的無窮遠處找一個公平公正的

C

點作為上帝視角也很容易做到。但是，當愛因斯坦所在的參考系運動起來以後，他所在的參考系的垂直方向也就發生了改變，因此，愛因斯坦所認可的上帝方向也必將在運動方向上偏移，到達

C’

點所在的位置。

由於這一偏移的存在，從愛因斯坦所認可的的上帝視角

C’

看來，在愛因斯坦運動方向上的事件訊號經歷的路程

C’B‘

較短，而運動反方向上的事件訊號經歷的路程

C’A’

較長，因此，從

C’

點看來，

B’

處的事件發生的較早，而

A’

處的事件發生的則會稍晚一些，因此，在愛因斯坦的上帝看來，愛因斯坦的時空沒有扭曲，貝索的時空發生了扭曲變形。可見，上帝視角的存在並不能證明運動是絕對的，相反，恰恰是因為運動是相對的，因此，上帝視角自然也就成為了一種相對的存在。

7。6 物理實在

最後一個問題是，相對論效的時空畸變效應究竟是一種光學現象，還是一種物理實在？要回答這個問題，我們首先要分清光學現象和物理實在兩個概念的區別。

所謂光學現象就是指由於距離遙遠或折射、反射等光學原因導致的訊號延時、位置偏移或物體幾何形狀的透視變形，由於這種影響只能停留在視覺效果的範圍內，因此只是一種光學現象。例如，兩個距離1光秒的觀察者相對靜止，雖然他們處於同一個參考系當中，然而由於光訊號延時的影響，當他們望向對方時，都會發現對方時鐘顯示的時刻比自己要晚1秒。由於遠大近小的透視原理，他們也都會認為對方的身材比自己渺小。然而，這種效果僅僅只是一種光學現象，這種意義上的鐘慢僅僅是指對方時鐘顯示的時刻變慢了，而鐘錶走時的速度並沒有任何變化；這種意義上的尺短也僅僅反映在視覺層面，不會在聲學、力學、熱學、電學等其他物理範疇內產生任何影響。而所謂物理實在則是指，某種改變真實的發生了，其結果可以透過任何科學實驗的檢驗。例如，一枚雞蛋被石頭砸碎了，無論我們透過光學實驗還是力學實驗檢驗都會發現，這枚雞蛋都確確實實的碎裂了，不可能有任何科學實驗的檢測結果於此相悖。

根據我們前面的分析，相對論效應是由於兩個參考系對於“同時性”的理解不同所造成的。而之所以對“同時性”理解的不同，又是因為光訊號在運動的不同方向上傳播距離不同，延時效果不同所造成的。從這個意義上講，相對論效應似乎應該只是一種光學現象。但實際上，這種光訊號的延時的效應絕不僅僅和光學有關，它可以進一步影響到物理學的各個領域，因此，相對論效應成為了一種真實的物理實在。那麼，這一切又是如何發生的呢？

在前面的內容中，我們已經提到：與時間和空間相比，速度是更基本的物理量，與速度有關的慣性定律也是最基本的物理定律。因此要理解相對論效應的深層原因，我們要先從最簡單的速度開始分析：

如圖7-24所示：在某一靜止的參考系中，三個相同的物體

AOB

保持相對靜止，且

OA

的距離等於

OB

，而物體

C

則以速度

v

從

A

向

B

勻速直線運動。假設在經過時間

t

A以後，

C

恰好從

A

點走到了

O

點。那麼，在此過程中，如果我們站在

O

的立場上觀察，

C

的視覺速度又是多少呢？

由

C

的運動速度和時間可知，

AO

的距離

s

=

v

t

A。但是，由於

AO

之間存在一段距離，

C

離開

A

的訊號需要一段時間

t

C才能傳遞到

O

點，由於訊號傳播速度為光速，所以：

t

C =

s

/

c

=

v

t

A /

c

。於是在

O

看來，

A

要到達

C

所花費的總時間

t

為：

t

=

t

A -

t

C =

t

A -

v

t

A /

c

。因此，當物體

C

以實際速度v靠近

O

時，在

O

看來，

C

的視覺速度

v

AO為：

顯然，按照這一規律，當

A

靠近

O

時，在

O

看來的視覺速度要比實際速度小一些。假設在此過程中，

A

是以光速靠近

O

，那麼在

O

看來，視覺速度

v

AO =

c

/（

c-c

） ，分母為0意味著，這一視覺速度將會是無窮大。實際上，這一結論完全符合人類的直覺。

在日常生活中，我們可以看到一個籃球慢悠悠的朝我們飛來，也可以看到一顆子彈快速的向我們飛來，但我們永遠不能看到一束光快速的靠近我們。無論這束光的光源距離我們多遠，我們都不可能首先看到光源被點亮，隨後看到光波離開光源，最後看到光波入射到了我們的眼睛。只有在光波進入我們眼睛的一瞬間，我們才能發現光源被點亮，雖然在我們看來，光波進入我們的眼睛和光源被點亮是“同時”發生的，但理性會告訴我們，由於光源距離我們有一定的距離

s

，光源被點亮的那個瞬間應該發生在

s

/

c

的一段時間前！

接下來，我們讓物體

C

繼續保持速度

v

前進，從

O

點前進到

B

點，顯然，在此過程中，由於

OB

=

OA

，所以

OB

之間的距離仍為

v

t

A，

C

所經歷的時間同樣為

t

A。同樣，由於

OB

之間存在一定距離，因此在

O

看來，

C

離開自己的時間會比實際時間長一段時間

t

c，因此，在

O

看來，物體

C

移動的總時間

t

為：

t

=

t

A+

t

c =

t

A +

v

t

A /

c

，而

C

移動的視覺速度

v

OB為：

按照這一規律不難發現，當物體

C

遠離

O

時，它在

O

眼中的視覺速度要大於實際速度。假設

C

以光速離開

O

，則

C

的視覺速度

v

OB =

c

×

c

/2c =

c

/ 2。也就是說，如果我們在茫茫宇宙中發出一道光，儘管這道光的實際速度為

c

，但由於光反射進入我們的眼中需要花費同樣的時間，就會導致我們認為這束光最前端的光斑離開我們的速度恰好為光速的一半。

透過上述分析不難發現：即使是在同一個參考系中，由於光訊號延時的影響，勻速直線運動的物體的視速度也不相同：當物體靠近觀察者運動時，其視速度會大於真實速度；當物體遠離觀察者運動時，其視速度會小於真實速度。二者分別為：

視速度不同意味著物體在靠近和遠離觀察者的過程中經歷的時間不同，假設在靠近和遠離的過程中經歷同樣的一段路程

s

，那麼兩個過程的時間分別為：

顯然，在經歷同一段路程

s

的過程中，物體向觀察者靠近經歷的時間更短，而物體遠離觀察者時經歷的時間更長。那麼，物體實際運動速度和實際運動時間又是多少呢？尤其重要的是：當物體經過觀察者的那一瞬間，它的運動速度又該如何計算呢？

其實，物體的實際運動速度源於視覺速度的算術平均。由前面的分析容易得知，物體靠近和遠離觀察者的總路程為2

s

，而總時間和平均速度則分別為：

這一平均速度即是參考系中物體的實際運動速度，又是物體經過觀察者的瞬時速度。顯然，這一速度與物體靠近和遠離的方向無關，正因為如此，當兩個參考系中的時間和空間都發生變化以後，兩個參考系的相對運動速度卻可以保持不變。

現在的問題在於，視速度僅僅是由於光訊號延時所產生一種視覺現象嗎？不是的，視速度不僅會導致物體靠近和遠離觀察者的時間不同，而且會進一步導致視覺距離的不同。如圖7-25所示：假設

AO

和

OB

的距離均為

s

，而

A’O’B’

保持在同一速度

v

自左向右運動。假設我們在無窮遠處的上帝視角發現：經過一段時間

t

後，物體

O’

從

A

處到達了物體

O

處，於此同時，

A’B’

分別經過了

AB

兩處，這就意味著在上帝視角看來：

A’B’

=

AB

，並且

A’O’

=

OA

=

OB

=

O’B’

。然而，如果我們站在

O

點觀察又會發生什麼現象呢？

由已知條件：物體運動的實際速度

v=s/t

。但是，在經過了

t

的一段時間後，

A’B’

經過

AB

兩物體的訊息並不能傳遞到

O

處，在

O

看來，從物體

B’

經過自己到

O’

處經過自己的時間同樣為t，但由於物體

B’

在遠離自己，而物體遠離的視速度小於實際速度，因此，經過時間

t

以後，

B’

到達自己的位置

s

O’B’為：

由於

s

O’B’<

s

，所以當物體遠離觀察者運動時，其視覺距離要小於實際距離。同樣，雖然物體

A’

在經過

t

秒鐘也可以達到物體

O

處，但由於

A’

的視覺速度大於實際速度，因此在

O

處看來，

A’

到自己的距離

s

A’O’為：

由於

s

A’O’>

s

，所以當物體靠近觀察者運動時，其視覺距離要大於實際距離。那麼當物體

O’

經過

O

處的瞬間，從

O

處看來：物體

A’O’B’

的視覺效果將如圖7-26所示：更重要的是，雖然從上帝視角看來，

A’O’

=

O’B’

，但此時，在

O

處看來：

s

A>

s

>

s

B。且

A’B’

之間的視覺距離

s

A’B’為：

當

O

點同時觀察到

A’B’

經過

AB

的事件後，

OO’

之間的距離為：

與此同時，

O’B’

和

O’A’

之間的距離分別為：

顯然，由於

O’A’

>

O’B’

，因此在物體

O

看來，

O’

不再是

A’B’

的中點，而是沿著運動方向向前偏移了。假設

A’O’B

是一列火車，

AOB

是列車經過的站臺。那麼，當列車的頭尾

A’B’

兩處同時經過站臺的時候，在站臺的中點

O

看來，列車的

A’B’

中點就不再是

O’

點，而是恰好經過

O

點的一節車廂。反過來，如果我們站在列車

A’O’B’

的中點

O’

處觀察，也會認為站臺的中點不再是

O

點，而是

O’

點恰好經過的對應位置。

透過上述分析不難發現，對於相互運動的兩個參考系而言：不但時間是相對的，空間距離是相對的；而且垂直的概念也是相對的，中點的概念也是相對的。當光訊號延時效果產生以後，不但會造成視覺速度不同，而且會導致視覺距離不同，導致物體會靠近和遠離觀察者的時間不同。

更重要的是，假設在此過程中，兩個物體之間有相互作用力，則無論這個力的性質是萬有引力還是電磁力，無論這個力的作用是相互吸引還是相互排斥，由於靠近和遠離過程中的時間不同，兩個物體的相互作用時間也就會產生差別，進而可以對兩個物體的運動變化產生影響，而物體的運動變化又將進一步決定物體的相對論質量和能量。綜上所述，由於光訊號延時產生的一系列的物理影響，導致

相對論效應不只是一種光學現象，而會成為一種真正的物理實在

。

在本章中，我們透過數學語言探討了時空的基本性質和運動的基本規律。接下來我們將走進茫茫太空，在一場大規模軍事行動中體驗一下相對論時空變換的真實效果……