【核心提示】狭义相对论是以四维平直空间中的匀速直线运动为考察对象的,适用于一切惯性系,但无法说明非惯性系中的运动现象。为了克服狭义相对论的不足,将狭义相对论推广到具有加速度的非惯性系中,爱因斯坦运用了电梯思想实验为人们打开思路。

　　作为科学史上最伟大的科学家之一,爱因斯坦一生中取得了巨大成就。在他深邃的科学思想中,思想实验所发挥的作用无可替代。

　　追光思想实验:

　　相对论思想的萌芽

　　据爱因斯坦回忆,在他16岁时,就曾在头脑中设想过一个追光实验:“如果我以速度c(真空中的光速)追随一条光线运动,那么我就应当看到,这样一条光线就好像一个在空间中震荡着而停滞不前的电磁场。”在经典物理学理论体系中,这是一个悖论现象。因为无论是牛顿的经典力学理论,还是麦克斯韦方程,都不允许这样一个在空间中震荡,却又处于停滞状态而不前行的电磁场存在。事实上,悖论现象的产生根源于牛顿的绝对时空观。爱因斯坦指出,“只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里,那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试,都是注定要失败的。”问题的解决必须抛弃经典物理学的绝对时空观,因为追光实验中的那个追随光线运动的“我”所看到的一切,应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的一样,都按照同样的自然规律进行。这个思想实验中孕育着狭义相对论的萌芽。

　　火车思想实验:

　　狭义相对论的精髓

　　理解狭义相对论的关键,是同时性的相对性。爱因斯坦正是通过火车思想实验实现这一目的的。在火车思想实验中,爱因斯坦设想,有一列很长的火车,正在以一恒定的速度v沿着一直线轨道行驶。该火车的两端分别为A和B,其中间点为M。火车从A向B方向行进(即A为车尾,B为车头)。同时假定,在某一时刻t,与火车处于相同位置的铁轨也存在三点A’、B’和M’(三点分别对应于A、B和M)。A’和B’处分别有灯L1和L2,并且L1和L2在t时刻同时打开。那么,L1和L2的光线到达火车中间点M处(假定在t时刻,M点和M’点是重合的)的时间孰先孰后,还是同时到达?

　　在这一思想实验中,处于不同参照系中的观察者,“看”到的结果是不一样的。在以铁轨为参照物的坐标系中,站在M’点处的观察者“看”到的结果是显而易见的:因为L1和L2到M’点的距离相等,光线传播速度相同,所以L1和L2的光线将同时到达M’点。但在以火车为参照物的坐标系中,人们将看到一番完全不同的景象:因为火车正在以速度v向前行驶,即当光线L1和L2发出时,火车上的A、B、M和铁轨上的A’、B’、M’三点重合,而当光线发出并向前传播时,火车的中间点M同时正在以速度v远离A’,向着B’点运动。所以,L1发出的光线到达M点的速度应该是c-v,而L2发出的光线到达M点的速度是c+v。那么,结果也就显然是从B’点的L2发出的光线将先于A’点的L1发出的光线到达M点。

　　事实上,产生这两个不同现象的原因是两个不同的参照系的设定,以铁轨为参照物的坐标系是一个静止的惯性系,而以火车为参照物的坐标系则是一个处于运动中的惯性系。该实验的最终结论为:在不同的惯性系中具有不同的同时性,即同时性的相对性。