列车故事

“你说光是沿着球面传播的，为什么我看到光是向四面八方传播的呢？”老吴一开局就向我“将军”。

“这是一种错觉。为了说明问题，我要举个例子。比如你眼前有一盏灯，你遮住一只眼睛，在一瞬间看到它发出的光是在一个球面上的。”

“如果不遮住又会怎么样？”

“如果不遮住，你就会在两个不同的瞬间看到灯光，也就是在两个不同球面上看到灯光了，就会产生错觉——觉得灯光是向四面八方传播的。”

老张捂着一只眼睛对着煮茶的炉火看了一会，然后又松开手，用两只眼睛看一会，说：

“真神奇了，两者分别是很大的。可是，我和光源同一个球面，我看到的光应该象我贴着墙看墙面的感觉才对，怎么变成了面对墙看墙面的感觉呢？”

“这是因为光传播是有速度的。即使茶炉靠得你这么近，也不可能立刻传到你的眼睛，也就是说，这光落在你的后面了——它在你后面的球面上，所以你看到的是面对墙面的感觉。”

“这么说，太阳是在8分钟前的球面上了？”

“是的。”

“你说这是错觉，可是为什么我们能够感觉到真实的阳光呢？”

“真实的阳光是沿着真实的球面传播过来的啊！只是我们看不到真实的球面而已。我们看到的却是一个虚像——宇宙就象变魔术一样。”

“在人类存在的这么长的时间里，好象还没有人揭穿宇宙的魔术呀！”

“这是因为这个魔术变得天衣无缝啊。正所谓不识庐山真面目，只缘身在此山中啊！”

“我遇到几个关于光速的问题，总是难以回答，你是否可以帮帮忙？”

“请你说出来共同探讨一下。”

“本世纪初曾经发生一件疑案，A先生与B先生决定在一列运行中的火车里决斗。决斗规则：A和B分别站在车厢的两头，在两人的正中间放一盏灯，这盏灯在按下开关后，会延迟1分钟亮起。当双方看到灯亮起的刹那，就可以互相开枪射击。通过抽签，A选择了靠车尾一方。为了公平起见，在车箱中间灯的位置和某站台都装有最先进的高速录像机，并且决定决斗在灯经过站台录像机时点亮，以录像为证据。结果A打死了B，B的家属认为A作弊，向法院提出起诉，法院通过车箱里的录像证明A没有作弊，但是在看站台的录像时，却发现A作弊了，因为A比B先看到灯光。——究竟站台上的录像与车箱里的是否不同？”

“这类问题往往拿来证明相对论是正确的——光速不变，时间相对。一般人想象是这样的：在站台上处于灯的位置时观察，A是迎着灯光的方向运动，而B刚好相反，他正朝着灯光前进的方向运动。所以A比B先看到了灯亮起。”

“我也是这样想的，我觉得A比B占着更有利的条件。”

“你这样想就错了。因为站台上的录像机处在灯的位置上，当灯亮起的那一瞬间，灯到A和B的距离是相等的，光是以这一瞬间两者的距离为标准的，过了这一瞬间，A、B、灯以及站台都在沿着宇宙径向运动，也就是说，即使灯相对于A和B如何运动，两者都只能同时看到光，谁也不比谁先。”

“我还是不明白。”

“因为站台上的录像机与火车上的灯都遵守宇宙原速，也就相当于与灯同在一起。当灯亮起时，录像机处在灯的位置上，这一瞬间，录像机与灯在一起，过了这一瞬间，录像机代替了灯向车尾方向运动，就相当于灯往车尾方向运动，但是这时运动的速度已经与发出的光没有关系了，光依然按照它当初发出时的速度和距离传播，所以，站台上录像机依然是两人同时看到光，A并不比B占有优势。这才是真正的光速不变原理。”

“有个问题似乎证明时间是相对的。比如说，你坐着一艘接近光速的飞船运动，在出发的时候地面上有一束光跟你同时出发。此时，在地面上观看飞船发射的人会看到，你和那束光齐头并进，而你看那束光的速度如何？根据光速不变原理，你会看到身边这束和你同时发出的光依然以光速在瞬间远离你而去。你在飞船上感受的时间和你在地面上的亲人感受的时间是不同的——你的一瞬间相当于他们的几十分钟，因为你所感觉到的快，就是在一瞬间那束光就跑得无影无踪了，而对于地面上的人来说，他们看到那束光用了几十分钟才拉开和你的距离。可见时间并不是绝对的。”

“实际情况并不是这样。因为飞船的速度属于自然速度，它的方向是宇宙的径向，而光的速度属于球面速度，方向是沿着宇宙球面运动的，所以，飞船不可能与这束光齐头并进，地面上的人看到这束光与你看到的一样，也是在瞬间就消失得无影无踪了。”

“我在飞船上看到光束以光速传播，那么，光速看飞船又如何？”

“光束是在沿着球面传播，飞船沿着径向运动，所以，光束看飞船也是以光速运动的。”

“如果两束光同时同方向发出又如何？”

“两束同方向的光不可能同时发出，同方向同时发出的光只能是一束光。由于宇宙是个球面，同时发出的两束光不可能同方向。不同时发出的两束光不在同一个球面上。同时不同方向的两束光甚至多束光各自都沿着自己的方向在同一球面传播。”

“不同时发出的两束光之间的相对速度是多少？同时不同方向的两束光之间的相对速度又是多少？”

“由于宇宙的最高速度是光速，所以，两个问题的答案是相同的：两束光相对速度恒等于光速。”

“假设我乘坐光速的载体前进。我手中有一只枪，朝前开枪的话子弹的绝对速度是多少？朝后又会怎样？我手中有一只手电筒，朝前发亮的话会怎样？朝后又会怎样？”

“由于你已经达到宇宙最高速度，所以你的枪无论朝前还是朝后都不能打出子弹。由于自然速度无论哪个方向都是宇宙的径向，所以朝前或者朝后都是一样的。但是，你的手电筒无论向前还是向后，都能以光速发出光来。”

“这就奇了怪了！你不是说我已经达到宇宙最高速了吗？怎么手电筒还能发出光来呢？”

“因为你在沿着宇宙径向以宇宙原速运动，而你的手电筒发出的光是沿着球面方向传播的，两者方向不一样。”

“如果我的速度达到光速，那么，我的眼前将是一片黑暗吗？”

“不会的，即使你的速度达到光速，你仍然在遵守宇宙原速。你看到的光速依然不变，因为你在作径向运动，而光作球面运动。”

“如果我的速度达到光速，我的微观速度等于0，我将停止了变化，那么我就变得永恒了吗？”

“我曾经讲过，宏观速度与微观速度是互补关系，当你的速度等于宇宙原速时，意味着你已经变成能量粒子了，只有能量粒子的速度才能达到光速。能量粒子也不是永恒的，它会构成物质。”

“如果我只是接近光速呢？”

“那么你就成为宇宙射线了，只有宇宙射线才能接近光速。宇宙射线会分解成能量粒子。”

“能量粒子的速度等于光速，那么，能量粒子与光的相对速度是多少？”

“由于能量粒子在作径向运动，而光作球面方向运动，所以两者的相对速度等于光速。”

“我有个问题似乎可以证明同时性是相对的。”

“说来看看。”

“在站台正中装一个开关控制站台两头的两盏灯，当火车经过站台刚好火车的正中对着开关时点亮两盏灯，点灯者看到两盏灯是同时点亮的，我当时刚好在火车中间，我将会看到前方那盏灯先亮，所以同时性是相对的。”

“我发现很多人都认为是这样的。实际上，这也是凭主观想当然的典型。我上面已经讲了，光是沿着宇宙球面传播的，物体是沿着宇宙径向运动的。当两盏灯同时点亮的一瞬间，你与它们的球面距离是相等的，这个距离就是光传播的球面距离，过了这一瞬间，你的运动或者灯的运动都是宇宙径向运动，已经与光传播的球面距离无关，所以，你看到两盏灯还是同时点亮的。”

“你的意思是说，当光源发出光的那一瞬间就决定了观测者到光源的宇宙球面距离了，以后的运动，光源与观测者都是沿宇宙径向运动，与宇宙球面距离无关了？”

“是的。其实，随着宇宙球面的膨胀，球面距离还是不断增大的，可是，由于是按比例增大的，所以不会影响同时性。也就是说，球面膨胀不影响光速不变原理。”

“照你这样说，现在测到最远的星系有130亿光年，那么，130亿年前，这个星系与‘我们’的球面距离就有这么远吗？”

“是的。从那时开始，该星系与‘我们’都在作径向运动了，130亿年后，它发出的光传到我们这里了。”

“那里不是靠近宇宙中心吗？”

“是的。根据测算，目前宇宙年龄137亿年，130亿年是靠近宇宙中心的。” 

“宇宙中心就有这么大吗？”

    “宇宙中心只是一个点，没有大小，你的意思应该是指宇宙初始状态的大小。130亿光年是指光源在宇宙径向走过的距离，也是光源130亿年前与‘我们’的球面距离。已经接近当时最远的球面距离了，大概略小于当时半个圆周的长度，因为圆周长等于2πr，半个圆周的长度约等于130光年，折算成当时的球面半径约为130/π亿光年。同理，假如我们发现一个星系距离我们137亿光年，那么，宇宙初始的半径大概是137/π亿光年。”

“回过头来，我以前的问题应该有不同的解读啦？”

“什么问题？”

“依据光速=宇宙原速，假定有个物体A距离我有1光年，我看到物体A发出的光是其1年前发出；假定另一个物体B距离我2光年，其光束在到达我之前，先到达物体A，再到我，那么怎么理解我和物体A及物体B的时空关系呢？你当时的解答是：‘你看到的A、B物体都是与你同一个时空球面的，光的延时性造成你看到的是1年前A发出的光，以及2年前B发出的光，所以在时空关系上，根据你给出的条件：你和A、B在同一时空球面上的一条弧线BAC上；A在你和B之间，如何计算你到A、B的距离呢？反映到你眼睛的A、B是它们的虚象A’、B’，这是时空错觉。由于A、B和你的径向速度都是光速，你看到A的虚象是1年前的位置A’，B’是B在2年前的位置。如图：