34. 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）；而向西飞行时，飞机上时间比地面时间快了273纳秒。

    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各级的宏观相对速度加上其所有各级的微观相对速度，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。比如：（1）陨石进入大气层时，其宏观速度减慢了，其微观速度就相应增快，因而产生高温而燃烧。（2）冰箱由于压缩气体流出时宏观速度增大，其微观速度相应减小，因而产生低温而制冷。——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，是因为它与地球自转速度的方向相反，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。