1.30速度守恒定律

    侯工

    1971年，两位科学家利用5台铯原子钟做实验来测试相对论。他们将四台原子钟放到一架飞机里，地面上留一台作为标准钟，随后让飞机在赤道附近环球飞行，往东飞一周，再往西飞一周，将两次飞行的4个原子钟和地面原子钟的时间差异记录下来。

    这次实验得到的数据如下表：




    平均实际值：向东飞行一圈，飞机上的时间比地面慢了59纳秒（10^-9秒）左右；而向西飞行时，飞机上时间比地面时间快了273纳秒左右。

    可以发现，飞机在向东和向西绕地球一圈后原子钟的差异还是很明显的。

    这是什么原因？

    有人认为根据广义相对论，是因为飞机上重力发生了改变，但是，飞机上向东和向西的重力是一样的，为什么两者快慢不一样？

    有人认为根据狭义相对论，是因为飞机速度比地面上的快，但是，相对论说的是相对速度。飞机向东向西与地面的相对速度是一样的，为什么两者不一样呢？

    其实，真正的原因是速度守恒。

    一般人们只关注物体的宏观速度，如银河系的速度，太阳系的速度，地球的速度……觉得飞机比汽车快，汽车比自行车快，所以觉得速度是变化的而且各有不同，怎么可以守恒呢？

    但是，物体除了宏观速度外，还有微观速度，如物体内分子的速度，分子内原子的速度，原子内电子的速度……将不同物体各自所有的宏观速度加上其所有的微观速度，其总和是相等的，都等于各自的本速，也就是等于宇宙运动的速度。如果有一个物体的速度不等于本速，就会被宇宙抛弃掉。根据物质守恒定律，宇宙不会抛弃任何一个粒子，所以所有物体的本速是相等的，这种现象称为速度守恒定律。

    根据速度守恒定律，物体的宏观速度与微观速度是可以互相转化的（1.7《论速度》）。这样我们就可以解释上面飞机上的原子钟快慢的问题了。

    向东飞行的原子钟之所以比地面的慢，是因为向东的要加上地球自转的速度，其宏观速度比地面的快了，其微观速度就会减慢，原子钟反映的就是微观速度，所以向东飞行的原子钟比地面的慢。

    向西飞行的原子钟之所以比地面的快，虽然也要加上地球自转的速度，但是它与地面速度方向相反，因而其相对速度是负数，即其宏观速度比地面的慢了，其微观速度就会增快，原子钟反映出来就是向西飞行的原子钟比地面的快。

    至于各个向东和向西的钟为什么数值不一样，那是因为仪器本身的误差。之所以要带4台原子钟，是为了说明时钟仪器的误差不等于时间的差别。那些忽悠大师往往将时钟仪器的误差当成时间的差别，将飞机上原子钟慢了，说成是飞机上的时间变慢了。好在这次又有快又有慢，而且4台钟也不一样，他们才无话可说。如果只带一台钟，只向东飞一次，那就是相对论的伟大成功了。