聊聊狭义相对论-第23章
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这也是我们应该具备的科学素养。
好，我们继续前进。
在狭义相对论中，沿用了牛顿力学关于“刚性量杆”服从欧几里得几何的假定。
欧几里得几何是我们熟悉的几何了。但是，前面我们也已经说过了非欧几何，事实上，只要改变欧几里得几何的第五条公设，我们是可以得到与之不同、却又同样是正确的新的几何体系，像黎曼几何就是其中的一种。为什么可以这样呢？因为虽然我们的基础（公设）不同了，但我们的逻辑推理过程一样是合法的！所以，这在数学上是平权的！也就是说，不仅仅只存在一种几何学，相反可以有很多种！
但在这里，你主观地选择了欧几里得几何！况且你又还没有知道究竟哪个几何才是真正合适的！凭感觉乱抓一个，这就有点说不过去了吧？！
打个比方说，你要从这里的A地去B地办点事情。而现在，连接A地总共就有10条道路，你在未知哪条路可以通向B地的情况下，你怎么可以说正东方向的那条就是行得通的呢？
是吧？
狭义相对论在这条假设上显得有些先入为主了。
再来看另外一个。
狭义相对性原理说到了惯性系的问题，但有点黑色幽默的是——
狭义相对论却无法解决惯性运动和惯性系的起源问题！
而光速不变原理也同样地遭遇了一些尴尬。
光速不变原理说：在所有的惯性系看来，真空的光速都是一个常数c。
这有实验证据支持吗？
没有！
所有的实验都只不过证明了双程光速如爱因斯坦所言，而从来都没有证实过单程的就是这样！
也就是说，所有的实验中，包括麦克尔孙…莫雷实验，光都是一来一回的！它从A处出发，到了B地就折回来，最终还是回到A处。这是双程的！双程的光速不变！
但是对于单程的呢？单是从A地到B地的呢？从来就没有实验证明过！
在这里，爱因斯坦假设了单程的光速也是不变的！
如果，这个假设跟客观现实有出入了，那狭义相对论就将面临着极其难堪的局面。
以上三个假设要素让我们感到狭义相对论的基础确实不太坚实。而且只要一有实验证实不是这样的话，那么狭义相对论的麻烦就接踵而来了。
除此之外，超光速问题也一直在试图揭开狭义相对论的伤疤，我们就来看看。
近年来，有关超光速（faster than light，Superluminal speed）的报道屡见不鲜，不断地冲击着我们的眼球。
1991年，意大利国家电磁波研究院的研究人员将一束微波通过波导管，发现随着波导管的加长，有一部分微波以超光速穿过了导管。
奥地利维也纳技工大学也在一实验中发现不管势垒有多厚，光子穿越其时间都是固定的，这就意味着超光速的存在。
2000年7月，美籍华裔、美国新泽西州NEC研究所的王利军在《自然》（Nature）杂志上发表了更加惊人的实验结果——利用铯原子气体的反常色散现象，可以使得激光脉冲群速度达到真空光速的310倍之多！
而通过利用洲际的甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry；VLBI。这种射电干涉测量是1967年在加拿大和美国几乎同时实验成功的，而中国也在1981年11月27日至29日与西德成功进行了测量。），科学家在1977~1980年间观测到类星体3C273的射电喷流的切向速度竟然约相当于光速的10倍！而其他类似的射电源膨胀速度超过光速的例子也十分常见！
这一些惊人的实验不断地向狭义相对论发起了非难。
前面我们也已经说了，洛伦兹变换式里面的那个根式因子要求我们——所有物体的速度不得超过光速！而且，在后面的讨论中，我们也看了你要是想以光速驰骋天下的话，你必须付出代价——你的静止质量为零！就像光子那样！
但是，现在一大堆的事实摆在了面前——存在超光速！
“打倒狭义相对论！”“可以超过光速是我们每个人的权利！”“严正谴责狭义相对论的非法剥夺公民正当权利的行为！”……
口号都喊到家门口了！
看来难逃此劫了！万劫不复！
爱因斯坦永远都是那么的镇定自如，他拿开嘴里的烟斗，冷静地说——
其实，在狭义相对论里面，所要求的只不过是——信号的传递速度不可超过光速！也就是说，所有携带了信息的物质的运动速度必然不大于光速c！现在，我们必须把前面的认识再提高到这个层次，知道了吗？
事实上呀，这个世界还是有很多“超光速”的事物来的！比如一些声波的相速度就超过了光速，不过它却是没有负载信息的！而再例如一些物质波的相速度也是超过光速的，不过它也没有携带任何信息！而像上面的王利军的例子，那个激光脉冲群速度，甚至是光速的310倍，呵呵，它还是传递不了信息！所以说——
除了那个类星体的例子，上面这些所谓的超光速现象还是没有对狭义相对论构成任何威胁！因为，狭义相对论要求的是信息的传递速度绝对不可逾越光速！违者格杀勿论！其余不带信息的睁一只眼闭一只眼对待。
那，类星体的那个例子又该如何解释呢？
现在，天文学家已经比较认同了这种解释——视超光速运动。
为了可以更具有说服力地说明问题，我们跟随着天文学家的思路，实际来计算一下，看看是否行得通。
好，假设图中的O点就是一个类星体。现在，它喷出了一堆高速物质，这个喷流呢，就从O点出发，咄咄逼人地以速度v向着P点狂奔而去。而OQ呢，就是我们的视线方向，也就是说我们在地球是沿着这个角度去看类星体的。OQ和OP的夹角就设为θ吧。还有OP的长度为r，OQ长为x，而与OQ垂直的PQ长度则是y。
那么，很简单的是，在直角三角形中，有这样的结论，
x=rcosθ
y=rsinθ
那么喷流从O移动到P所花费的时间就是
t=r/v
想象一下，在O点发出的光线需要走过x的距离之后，再接着来到观测者眼中，而P点发出的光线（到达观测者）则会比O点的光线少走x那么长的距离。对吧？
好，那么在地球的你看来，喷流从O点走到P点所用的时间应该是
t’=t…x/c
因为你肯定是相信自己的眼睛的，那就是按照光进入你视野的时间差来算！O点的光线进入了你的眼睛之后，再过t’时间，P点的光线也来到了“眼前”（但实际上并不是，所以这是视时间）。
好，我们把x=rcosθ代入上式中，于是得到
t’=r/v…rcosθ/c
尝试提个r/v公因式出来，当然，这样做的目的是为了后面容易观察、处理，
t’=（r/v）（1…γcosθ），这里的γ=v/c。
而且在你看来，喷流应该是从Q点走到P点的（可以明白吗？再想想，要从你自己所看到的角度出发！），所以，喷流的视速度是
v’=y/t’=（rsinθ）/＇ （r/v）（1…γcosθ）＇=vsinθ/（1…γcosθ）
OK！接下来，我们来讨论一下，视超光速是怎样产生的。
当v远远小于c的时候，γ就相当接近于零（有点像狭义相对论中的讨论，不过，却是决然不同的两回事！），那么视速度v’就近似为vsinθ。这是接近真实结果来的。但当v和接近于c，结果就大相径庭了！只要你算一下，就会发现，视速度v’甚至可以大于光速！
这就是视超光速产生的原因了！
我们可以来具体算一算。
假设喷流在O点的光线经过100年到达Q点。而v很接近于c，喷流经过101年后到达P点。设θ等于8度，而PQ长为14光年。
Q、P到观测者的距离差异就忽略不计了，因为这点差异跟那些距离比较起来，就是“小巫见大巫”了！
呵呵，这在观测者看来，喷流仅仅用了1年就从O来到了P！ 而PQ距离只不过是14光年！算一下，结果的速度是多少？光速的14倍！
能够大肆宣称你发现了超光速了吗？
肯定是不能的！
“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”，要知道，“看”到的未必就是正确的呢！
“眼看”未必“为实”呀！
不要忘记，世界杯球场上，由于裁判跟你们的视角不同，可能有些判罚结果会相差十万八千里呢！
而视超光速的产生与什么因素有关呢？
留个作业吧。
给个提示，可以根据上面的那个视速度的表达式，看看它与速度v和角度θ有什么关系。
依此看来，那些报道都还真未能够把狭义相对论拉下历史的舞台呢！
不过，上面这些解释是不是真的就是绝对正确了呢？仁者见仁，智者见智吧。
无论如何，这都在某一种程度上冲击了狭义相对论的结论，虽然未成大气，但都带给了我们这样一个革命的气息——按照如此走向，或许，若干年后，随着人类认识、实践范围的扩大，说不定还真发现了“真正意义上的”超光速呢！
而根据中国科技信息网（Chinainfo）2007年8月16日的消息，英国《每日邮报》（Dailymail）8月15日报道说，德国科学家利用量子隧穿效应（quantum tunnelling）找到了让光突破自己的速度限制的方法。对此，德国科布伦茨大学（the University of Koblenz）的Gunter Nimtz教授说：“目前，这是我所知道的唯一违反狭义相对论的一种现象。（〃For the time being； this is the only violation of special relativity that I know of。〃）”如果这个实验得到确认的话，那将意味着狭义相对论需要被改写。
在上个世纪60年代，人们从理论上预言了一种超光速粒子的存在——快子（tachyon）。这种粒子将可以以超过光速的速度运动，而且具有其他一些奇非常怪的特性，不过至今尚未有重大的突破。要是这种粒子被证实存在的话，将会发生什么样的事情呢？留给诸位去思考吧。
在光速的问题上，谁会笑到最后呢？
是爱因斯坦吗？
看来，只有让时间来告诉我们了！
冤冤相报何时了？
自1927年的索尔维会议算起，长达28年、战场跨越欧洲和美洲大陆的爱因斯坦—玻尔论战随着爱因斯坦的离去暂且告了一个段落。双方最终谁也没有说服谁，使得对方相信自己的观点。然而，两大理论本身的对峙却没有因此而停止步伐，反倒愈演愈烈。
前面我们已经说过，狭义相对论骨子里头有着经典理论的光荣传统，之所以叫做“经典理论”，那正是用以区别于量子力学。
决定论，那是经典理论的精髓。
是的，万事万物的运转早已被铁定了下来！
我们只要知道某一系统在某一个时刻的所有数据，那么我们将可以推算过去，预知未来！
上帝不过是一个钟表匠而已！
然而，量子力学却将这样的传统扔进了历史的垃圾桶！
对量子世界而言，一切由不确定性主宰，一切由概率论来说话！
每一件事都是不太确定的！每一件事的发生都有一定的概率！
它可能有20％的机会这样发展，而有80％的机会那样发展，但是，你却预言不了它接下来究竟会发生什么样的事情！概率小并不意味着它不会发生！概率大也绝不预示着它必定会发生！
是的，只能用概率来描述！
这个世界是概率的世界！
这从根本上跟狭义相对论相悖！
然而，在微观世界的实验中，这样的法则却屡试不爽！
以致于在1986年，英国剑桥卢卡斯的莱特希尔（James Lighthill）教授（这个位置可是当年牛顿坐过的，而反物质的预言者狄拉克也担任过这个职位，前面也说了，现在由霍金掌管）公开向全社会作出了这样的道歉：“现在我们都深深意识到，我们的前辈对牛顿力学的惊人成就是那样的崇拜，这使他们把它总结成一种可预言的系统。而且说实话，我们在1960年以前也大都倾向于相信这个说法，但现在我们知道这是错误的！我们以前曾经误导了公众，向他们宣传满足牛顿运动定律的系统是决定论的，但是这在1960年后已被证明不是真的！我们都愿意在此向公众表示道歉！”
是的，爱因斯坦输了！
是的，决定论也输了！
而在因果律方面，狭义相对论也同样遭遇了滑铁卢！
爱因斯坦深深地信奉因果律，而他的理论也是满足因果律的要求的。对于爱因斯坦来说，这是显而易见、毋庸置辩的事情——在所有的惯性系看来，一件事情的起因都必须发生在其结果之前。举个例子来说，“苹果掉了下来”这是起因，而结果是“牛兄发现了万有引力定律”，那么对于所有观测者来说，都应该是这样——起因在结果之前。而不应有人看到：牛顿发现了万有定律之后，苹果掉到他的头上！
而前面我们也讨论了，光速作为最大的信号传播速度，恰恰保证了这样的秩序要求。
其实，选择因果律蕴涵着一种自戕的意味。
在经典理论中，包括牛顿力学和相对论，时间是没有箭头的——它们是决定性的，我们可以推算过去，更可以预言未来，而且经典理论对于向前和向后的时间是不可区分的！
也就是说，向前和向后的时间是一样的！是等价的！都是方程所允许的！
这就有一些不太漂亮的地方了！
我们再在“苹果掉了下来”的前面加个原因——“苹果熟透了”。
按照因果律的理解，每一个起因唯一地导致了一个结果。
但参照经典理论，向前和向后没有区别！那么，很明显，我们可以这样说——苹果掉了下来导致了牛顿发现万有引力定律；也同样可以说，苹果掉了下来，导致苹果熟透了！
因为在经典理论中，没有方向可言！向前和向后都是等价的！
但这就跟我们的生活经验有些矛盾了！
苹果掉下来怎么能说是苹果熟透了的原因呢？！
所以经典理论在这些不可逆的现象上遭遇了极大的尴尬！
由于理论本身是没有时间方向的，是前后对称的，而再去选择因果律，就会在解释一些现象上显得力不从心了。
另外，在量子力学中，却出现一些违背了因果律的事情。
比如说，当我们在某一个地方对电子进行测量后，它那弥漫于整个空间的波函数就会坍塌。然而这种坍塌却改变电子在整个宇宙空间的状态！
测量可以使所有的可能结果瞬时变成一个确定的结果！
这意味着什么呢？你在一点进行了测量，却瞬时影响到了所有的地方，不管它有多么远！
这种非局域性的坍塌将会违背因果律的铁条！本来有一些地方跟测量处是没有因果关系的，它们相距太远了，以致于用光信号也不能联系！但是，在量子力学中竟然出现了这样的事情！
（如果你在这里感到一头雾水的话，不要紧，你只要知道有这么一件事情就足够了——量子力学中存在违反因果律的事件，而不必去深究。要是你对此有兴趣的话，可以去读一下量子力学的相关书籍，可以说，量子力学也是物理学中最动人的篇章之一。）
不幸的是，这种奇妙的预言再次得到了实验证据的支持！
1982年，阿斯佩
