在这一章节,我们会继续讨论爱因斯坦和庞加莱的相对论原理,因为它影响了我们的物理观点以及人类思想的其他分支。
庞加莱做出了下面的论述:“根据相对论原理,不管是对于固定的观测者,还是对于相对他做着匀速、不变方向的运动的观测者,物理现象的定律必然是一样的,所以我们没法,也不可能意识到我们是否跟随这样的运动。”
当这个观点问世后,在哲学家中造成了极大的轰动,尤其是哪些“鸡尾酒俱乐部的哲学家”,他们说,“噢,这很简单嘛,爱因斯坦的理论是说一切都是相对的!”数量令人咋舌的哲学家,不仅仅是那些鸡尾酒俱乐部的(为了嘲讽他们,姑且称他们为鸡尾酒俱乐部的哲学家),会说,“一切都是相对的是爱因斯坦的一条结论,它极大的影响了我们的观点。”此外,他们还说,“在物理中已经阐述过,现象取决于你的参照系。”我们已经听了很多次,但是很难搞清楚它是什么意思。或许最初的参照系指的是我们在相对论理论的分析中运用的坐标系。所以“事物取决于你的参照系”被认为在现代思想上产生了很大的效果。有人或许会好奇为什么,因为在这之后,事物取决于某人的视角成为了一个非常简单的观点,我们再也不需要去面对物理相对论理论的所有麻烦,就能够发现它。某人所看到的取决于他的参照系,因为他首先看到的是从前面向他走来的人,然后他再从后面观察;那些宣称自己脱胎于相对论理论的大部分哲学思想并不比“一个人从前面看与从后面看是不同的”的观点高深多少。古老的寓言故事“盲人摸象”或许就是哲学家眼中的相对论理论的另一个示例吧。
可以确定的是,相对论理论中的东西肯定是要比“一个人从后面看与从前面看是不同的”的观点要深入的。这是毫无疑问的,因为我们确实可以用它做一些预测。如果我们可以从如此简单的、单独的观察中预测出自然的行为,它真的很了不起。
有其他学校的哲学家对于相对论理论感到非常地不自在,其中断言道,我们无法确定我们的绝对速度,如果不看外面的话,他们会说,“这是显而易见的,如果不看外面,没有人可以测量他的速度。它是自洽的,不看外面,去讨论一个东西的速度是没有意义的;物理学家有这种想法,真的相当愚蠢,他们会意识到事实正是如此。如果只有我们哲学家认识到物理学家的问题是什么,我们可以立马用大脑确定,如果不看外面的话,是不可能说出一个人移动地有多快的,我们可以为物理做大量的贡献。”这些哲学家总是在我们身边,他们一直在纠结细枝末节,并尝试告诉我们一些什么,但是他们从来都没有真正地理解更深层次的问题以及它的微妙之处。
我们无法检测到绝对运动,是实验的结果,而不是单纯思考的结果,我们可以很容易论述。起初,牛顿相信它是真的,没有人可以说出他跑得有多快,如果他正在沿着一条直线做匀速运动。实际上,牛顿首次论述了相对论原理,在上一章节里的一个引用正是牛顿的论述之一。为什么在那时,或者说,在牛顿时代,哲学家们没有对“一切都是相对的”表现出如此的亢奋?因为麦克斯韦的电磁理论没有被开发,有物理定律提到,可以不看外面,测量他的速度;但是很快在实验中发现,不可以。
现在,如果不看外面,一个人无法告知他移动得有多快,是绝对的、确定的、毋庸置疑的吗?相对论的结论之一源于一个哲学思想,它说,“你只能定义你能够测量的!因为它是自洽的,如果看不到他所测量的相对的东西的话,没有人可以测量一个速度,因此很明显,绝对速度是没有意义的。物理学家应该认识到,他们只能讨论他们能够测量的东西。”但是这正是问题所在:一个人是否可以定义绝对速度与一个人是否可以在实验中,不看外面,检测到他在移动,是一样的。一个东西是否可以测量,不是由单独地思考决定的,而是只能由实验决定。给出事实,光的速度是 $186,000 mi/sec$ ,我想几乎没有一个哲学家能平静地述说,它是自洽的,如果光以 $186,000 mi/sec$ 在汽车内移动,汽车正以 $100,000 mi/sec$ 移动,那么光将同样以 $186,000 mi/sec$ 掠过地面上的观测者。对于他们来说无疑是一个震撼的事实,很多人都说这是显而易见的,当你把这个事实摆在他们面前,会发现并非如此。
最后,居然有一个哲学思想说,没有人能够检测到任何运动,除非他看外面。在物理中,它当然是不对的。没有人可以意识到一条直线上的匀速运动,是对的,但是如果整个房间都在旋转,我们肯定是知道的,因为所有人都会被甩在墙上——这里会有各种“离心”效果。地球绕着它的轴转动,不用看星星,就能被确定,比如,可以通过傅科摆。因此“一切都是相对的”并不正确;只有匀速无法被检测到,如果不看外面的话。围绕固定轴的匀速转动可以被检测到。当把这个说给一个哲学家,他很不开心,他没有真正地理解它,因为对他来说,一个人不看外面,就能确定围绕一个轴的转动是不可思议的。如果这个哲学家足够地棒,在过了一段时间之后,他或许会返回来说,“我懂了。我们真地不存在这种绝对转动,我们是相对于星星在转动。因此,必然是由星星作用在物体上的影响导致了离心力。”
现在,就我们所知,这是正确的;目前我们还没法说,如果周围没有恒星和星云的话,是否会存在离心力。我们不能做实验,移除所有的星云,然后测量我们的转动,我们只是不知道罢了。我们必须承认,哲学家或许是对的。他返回来,愉悦地说道,“这个世界最终会被证明是这样的:绝对转动并不存在,它只是相对于星云在转动。”然后我们对他说,“我的朋友,这是否是显而易见的,在一条直线上的匀速运动,相对于星云,不会在汽车内部造成任何效果?”现在这个运动不再是绝对的,而是一个相对于星云的运动,它变成了一个神秘的问题,而这个问题只能由实验解答。
相对论理论的哲学影响是什么?如果我们把自身限定于那些对于物理学家来说由相对论原理带来的新的观点和建议,我们可以做出如下的说明。第一个发现是,即使是那些观点被保持了很长一段时间,它们被准确地验证过,也有可能是错的。这是一个令人震惊的发现,当然,牛顿定律是错的,之前它们一直被认为是对的。当然,不是说实验是错的,而是它们在一个有限的速度区间内做的,非常地小,以至于相对效果并不明显。但是,不管咋说,我们现在有了一个更加谦逊的观点——一切都可能是错的!
其次,如果我们有一些“奇怪”的观点,比如,当一个人移动时,时间会变慢,等等,我们是否喜欢它们是一个不相关的问题。相关的问题是这些观点是否与实验发现地一致。换言之,这些“奇怪的观点”只需要与实验保持一致,而我们讨论钟的行为的原因是为了论述,虽然时间膨胀的概念很奇怪,但是它与我们测量时间的方式相一致。
最后,有第三条建议,它有点偏技术,但是被证明在学习其他物理定律中非常地实用,那就是去查看定律的对称性,或者,更确切地讲,去寻找定律可以变换的方法,在变换之后还能保持一样。当我们在讨论向量理论时,我们注意到运动的基础定律不会改变,在我们旋转坐标系时,而现在我们了解到它们不会改变,在我们以一种特别的方式改变时空的变量时,由洛伦兹变换给出。所以学习历经这些模式或者操作基础定律不会改变的观念被证明非常有用。