狭义相对论的核心——爱因斯坦如何用大脑凭想象做实验？

在物理学中，一个基本的概念是“事件”。两个质点的碰撞就是一个事件，它有发生的时空位置。一个原子发出光也是一个事件。一个石子儿打碎行驶轿车的挡风玻璃、闪电击中一架飞机的螺旋桨，都有确定的时空位置，它们都是事件。事件总是用它们的时空位置标记的，就像在时空中钉上一枚钢钉一样。

对于发生在时空中的一件事，可用四维时空坐标系中的6个点表示。对于这些点在空间中的一条路径，我们称之为四维时空中的一条世界线。一个典型的事件是，某一时刻，本文的作者正坐在他的书桌前；一个典型的世界线的例子是，这个作者在他的书桌前持续坐了几个小时。

爱因斯坦经常在脑子里问问题，他在脑子里凭自己的想象做实验——这叫做想象实验(gedanken experiment)。爱因斯坦有一个特别善于联想的大脑，他设想自己以接近光的速度运动，他在自行车上绑了火箭，然后发射出去。在我们这些站在地球上的人看来，他几乎像一束光那样快，但在他自己看来，就不是这么回事了，无论他飞得有多快，他测得的光速都是大约为30万千米/秒。

但是，我们这些看着他以接近光速运动的人会吃惊地发现，他的手表变慢了——他手表滴答的节奏比我们的慢。但爱因斯坦自己看着他的手表却说，他的手表一切正常，不快也不慢。同样的事情也发生在了他的心脏和脑子里。在我们地球上的人看来，他的心跳变慢了……。总之，他观察到的和我们看到的不一样。但这并不是幻觉——这一切都实实在在地发生着。

在飞行的爱因斯坦看来，他的手表连同他带去的-切都再正常不过了，而我们则看到他的一切都变慢了。存在看似不同的两种现象，这是在地球上缓慢运动的世界里从来没有见到过的。而现在，它们却通过爱因斯坦非凡的思想呈现在了我们的面前。

在他的想象实验中，爱因斯坦的思维集中在了三样东西上:事件、事件的间隔、相对运动。让我们也像他一样思考一下这些东西吧。什么是事件?正如文章开头所说，对物理学家来说，它是时空坐标系中的一个点，用来代表一件发生的事。爱因斯坦聚焦于“事件”，把它们视为承载全部物理学的螺丝钉。而事件的时空间隔，即两个事件在空间上和时间上的距离，对描述和记录物理实验十分重要。

你也可以做一些类似的包含事件的想象实验。例如，观察到发射一个光脉冲是一个事件，接收到这个光脉冲则是另一个事件，你现在就要测出这两个事件的时间间隔。然后，想象你的一个朋友也在记录这两个事件，他也要测量这两个事件的时间间隔。但如果他是从一辆极高速度行驶的车辆上观察和测量的话，他的测量结果就会和你不一样，他的结果要比你的短些。究竟发生了什么?为何两个观察者测量同样的两个事件，却得到不同的测量结果呢?

麦克斯韦告诉我们，光在真空中的速度在不同观察者看来完全一样，与他们间的相对运动无关。也就是说，如果上面两个做相对运动的观察者测出的距离不一样，那么在他们看来，闪光从一处传到另一处所用的时间也就不一样了，因为同样的光速需在不同时间内才会传播不同的距离。这个结果也许令人难以置信，但那只是因为我们从没有那么快地运动过，所以没遇到过这样的事。

很早以前，伽利略就已经意识到，如果两个事件不是同时发生的，那么对于两个做相对运动的观察者而言，这两个事件的空间距离是不同的。他还意识到，只有相对运动才有意义。但是在爱因斯坦之前，从没有人想到过，这两个事件的时间间隔也会不同。对于两个做相对运动的观察者而言，同样的两个事件间可以有不同的时间间隔，这一思想就是狭义相对论的核心。

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