物理世界奇遇记-第1部分

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《物理世界奇遇记》　简介　
　
【完整程度】：完结

【作者】：＇美＇乔治·伽莫夫　＇英＇罗素·斯坦纳德　


１　城市速度极限

这一天是公休日。汤普金斯先生，本市一家大银行的小职员，
睡到很晚才起床，吃了一顿从从容容、舒舒服服的早饭。他想把
这一天好好安排一下，这时，他最先想到的是午后去看一场电影，
于是，他打开当地的晨报，聚精会神地在娱乐栏搜索起来。但是，
看来没有一部影片能吸引他。目前那些专门描写色情和暴力的影
片，已经叫他腻味透了。除了这些，就是一般在假日给孩子们准
备的电影。这里哪怕只有一部影片有点什么真正的冒险故事，有
点什么不平常的东西，甚至就是叫人觉得有点异想天开，那也勉
强凑合了。可是，就连这样的影片也没有一个。

无意间，他的目光落在报纸屁股一段简短的报道上。原来，
本市的大学正在举办一系列介绍现代物理学问题的讲座，这一天
下午的讲座所要介绍的，是爱因斯坦的相对论。行，那儿可能还
有点内容！他常常听人家说，全世界真正懂得爱因斯坦的理论的，
只不过12人而已。说不定他恰巧能够成为第十三个哩！于是，他
决定去听听这个讲座，这可能正好是他所需要的东西。
他来到这个大学的演讲厅时，演讲已经开始了。大厅里坐满
了学生，大多是很年轻的，但是，也有不少年纪较大的听众，大
概像他自己一样，是一些普通的老百姓。他们全都全神贯注地听
着黑板旁边那个白胡子的高个儿讲话，而他也卖力地为他的听众
讲解着相对论的基本概念。
汤普金斯先生好不容易才听明白，爱因斯坦理论的整个要点，
就在于存在着一个最大的速度值——光速，这个速度是任何运动
物体都无法超越的，并且，正是这个事实产生了一些非常奇怪、
非常不寻常的后果。比如说，当运动速度接近于光速时，量尺就
会缩短，而时钟就会变慢。不过，那位教授说，由于光的速度是
300；000公里每秒，　所以在日常生活的各种事件中，就很难观察
到这些相对论性效应。在汤普金斯先生看来，这一切都是同普通
的常识相矛盾的。他竭力想在脑海中描绘出量尺的缩短和钟表上
那些古怪的表现会是什么样的，这时，他的脑袋渐渐耷拉到胸前
了。
当他重新睁开眼睛的时候，他发现他自己并不是坐在演讲厅
的长椅上。而是在市政当局为乘客等车方便而设置的长椅上坐着。
这是一座美丽的古城，沿街矗立着许多中世纪的学院式建筑物。
他揣摩他自己一定是在做梦，但是，大大出他意料之外，他周围
丝毫没有发生什么不寻常的事情。对面学院的钟楼上那个大时钟
的指针，这时正好指在5点上。
街上几乎已经没有车辆往来了，只有一辆孤零零的自行车从
上方缓慢地驶来，当它来到近前的时候，汤普金斯先生的眼睛突
然由于吃惊而瞪得滚圆。原来，自行车和车上的年轻人在运动方
向上都难以置信地缩扁了，就像是通过一个柱形透镜看到的那样。
钟楼上的时钟敲完了５下，那个骑自行车的人显然有点着急了，

更加使劲地蹬着踏板。汤普金斯先生发现骑车人的速度并没有增
大多少，然而，由于他这样努力的结果，他变得更扁了，好像是
用硬纸板剪成的扁人那样向前驶去。这时汤普金斯先生感到非常
自豪，因为他能够理解那个骑车人是怎么回事——这正是他刚刚
听来的，只不过是运动物体的收缩罢了。“在这个地方，天然的
速度极限显然是比较低的，”他下结论说，“我看不大会超过20
公里每小时，在这个城市里，人们是不需要使用高速摄像机的。”
事实上，这时候在街上行驶的一辆发出全世界最嘈杂的噪声的小
汽车，也跑不过这辆自行车，比起来它就像甲虫在爬行那样。汤
普金斯先生决定追上那个骑车人——他看来是个和善的小伙子——
问问他这一切是怎么回事。但是，怎样才能赶上他呢？这时，汤
普金斯先生发现有辆自行车停靠在学院的外墙边，他想，这大概
是属于某个去听讲座的学生的，如果他只是借用短短的一会儿，
学生是不会发现丢失的。于是，他看准旁边没有人注意他，便偷
偷骑了上去，拼命朝着前面那辆自行车赶去。他猜想他自己马上
就会缩扁，并且很为此而感到高兴，因为他不断发福的体形近来
已成为他的一桩心事了。然而，出他意料之外，不管是他自己还
是他的车子，都没有发生任何变化。相反的，他周围的景象完全
改变了：街道缩短了，商店的橱窗变得像一条条狭缝，而在人行
道上步行的人则变成他有生以来第一次见到的细高条。

“真的，”汤普金斯先生兴奋地感叹着，“我现在看出点诀
窍来了。这正是用得上‘相对性’这个词的地方。每一件相对于
我运动的物体，在我看来都缩扁了，不管蹬自行车的是我自己还
是别人！”
他骑车一向骑得很出色，现在他更是使出浑身解数去追赶那
个年轻人。但是他发现，骑在现在这辆车上，想加快速度可不是
件容易的事。尽管他已经使出吃奶的劲头去蹬车子，车子的速度
还是增加得微乎其微。他的双腿开始酸痛起来了，但他驶过路旁
两根电灯杆的速度，却比开始时快不了多少。他为加快速度所作
的一切努力，似乎什么结果也没有达到。现在他非常清楚地理解
到，他刚刚碰到的那辆出租小汽车为什么跑得并不比自行车快了，
于是，他记起那位教授所说的不可能超越光速这个极限的话来了，
不过他注意到，他越卖力气地蹬，这个城市的街道便变得越来越
短，而在他前面蹬车的那个小伙子现在看来也不是那么远了。过
了一会儿，他追上了那个年轻人，在他们肩并肩蹬着车子的那一
瞬间，他出乎意料地发现，那个小伙子和他的自行车实际上是完
全正常的。
“哦，这一定是因为我同他之间没有相对运动的缘故。”他
作出结论说，接着，他就同那个年轻人攀谈起来。
“对不起，先生，”他说，“住在一个速度极限这么低的城
市里，你不觉得不方便吗？”
“速度极限？”对方惊奇地答道，“我们这里不存在什么速
度极限。不管在什么地方，我想骑多快都行；至少，要是我有一
辆摩托车来代替这辆使不上劲的玩意儿，我就可以想骑多快就骑
多快了。”
“但是，刚才你从我面前骑过时，你的运动是非常慢的，”
汤普金斯先生说，“我特别注意到这一点。”
“哦，你特别注意了，是吗？”年轻人说，他显然有点不高
兴，“我想，你并没有注意到，从你开始同我谈话到现在，我们
已经跑过５个十字路口了。难道在你看来，这还不够快吗？”
“不过，这些街道已经变得太短了。”汤普金斯先生争辩说。
“究竟是我们骑得快，还是街道变得短，这又有什么不同呢？
我需要跑过10个岔路口才能到达邮局，如果我蹬得快一点，街道
就会变得短一点，而我也就到得早一点。瞧，我们事实上已经到
了。”年轻人一边说，一边从自行车上下来。
汤普金斯先生也停了下来，他看看邮局的时钟，时钟指着５　
点30分。“瞧，”他得意地指出，“不管怎么说，你跑过10个岔
路口，已经花了半个钟头——我第一次看到你的时候，学院的时
钟正好是５点整！”
“你真的发现已经过去半个钟头了？”对方问道。
汤普金斯先生不得不同意说，他确实觉得这仅仅是几分钟的
事。不仅如此，当他看自己的手表的时候，他看到手表也只有５
点５分。“啊！”他说，“是邮局的时钟走快了吧？”
“你可以说是它走快了，当然也可以说是你的手表走慢了。
你的手表刚才一直在相对于那两个时钟而运动着，不是吗？那么，
难道你还认为有什么别的结果吗？”他有点生气地瞧着汤普金斯
先生。“可是说到头来，这又碍你什么事呢？难道你是刚刚从月
亮上掉下来的？”说着，年轻人走进邮局去了。
经过这番交谈，汤普金斯先生意识到，没有那位老教授在身
旁为他解释这一切奇怪的事件，他是多么不幸了。那个年轻人显
然是土生土长的，他甚至还没有学会走路，就已经对这些事情司
空见惯、不以为奇了。所以，汤普金斯先生不得不靠自己去探索
这个奇异的世界。他把手表拨到邮局时钟所指的时间，并且等了
10分钟，看看手表走得准不准。结果表明，他的手表并没有毛病。
于是，他继续沿着大街骑下去，最后来到了火车站。他决定
用火车站的时钟再对一次表。出他意料之外，手表又一次慢得相
当多。
“得，这肯定又是某种相对论性效应了。”汤普金斯先生下
结论说。他决定找一个比骑车的小伙子更有学问的人，问问这到
底是怎么口事。
机会很快就来了。一个约摸４０多岁的绅士下了火车，朝车
站的出口走过来。在那里迎接他的是一个很老的老太婆，但是更
使汤普金斯先生吃惊的是，这个老太婆竟管那位绅士叫“亲爱的
爷爷”。汤普金斯先生觉得这未免太过分了，于是，他便以帮忙
搬行李为借口，同那个绅士攀谈起来。
“请原谅我打听你们的家务事，”他说，“但是，你真的是
这位好老太大的爷爷吗？你知道，我是个外地人，从来没有……”
“哦，我明白了，”绅士说，他的胡子间露出一点笑意，“
我看，你一定是把我看做流浪汉或诸如此类的人了（在这个城市
里，由于光速非常小，接近于车辆的速度，所以，一个人越常旅
行，他就显得越年轻，这样，人们就很容易把那些显得比一般人
年轻的人当作流浪汉看待了。——译者注）。其实，事情是十分
简单的。我的业务要求我经常出去旅行，这样，由于我的生活大
部分是在火车上度过的，我比起我那些住在这个城里的亲属来，
自然要老得慢多了。这次我能够及时回来，看到我这最可爱的小
孙女还活在人世，我是多么高兴啊！但是，对不起，我还得把她
送走哩。”于是，他匆匆忙忙地叫了一辆出租车把汤普金斯先生
撂下，让他又一次孤零零地去对付他那一堆问题。
火车站食堂里的两片夹肉面包大大加强了汤普金斯先生的思
考能力，他想了很多。很远，甚至于认定他已经找出那著名的相
对论原理的破绽了。
“当然啦，”他一面想，一面啜着咖啡，“运动使时间过得
慢，这就是他变得比较年轻的原因了。如果像那位教授所说，一
切运动都是相对的，那么，那个旅行者在他的亲属看来，既然显
得年轻，那么，他的亲属在他看来，也应该显得很年轻啊。不过，
这不大对头啊，那个孙女看起来并不比他年轻，她确实比他老啊。
白头发不可能是相对的。那么，这意味着什么呢？难道并不是一
切运动都是相对的？”
因此，他决定再作最后一次尝试，弄清这到底是怎么回事，
于是他转向坐在食堂里的一个穿铁路制服的单身汉。
“劳驾，先生，”他开口说，“你能不能费心给我讲一讲，
对于火车上的旅客比老住在一个地方的人老得慢这件事，谁应该
负责？”
“我对这件事负责。”那个人说，干脆极了。
“啊！”汤普金斯先生喊了起来，“怎么回事……”
“我是火车司机。”那个人回答说，似乎这就能解释一切了。
“火车司机？”汤普金斯先生重复了一遍，“其实，我从小
就一直想当个火车司机的。”“但是，这怎么能使人保持年轻呢？”
汤普金斯先生十分惊奇地问道。
“这个嘛，我也不太清楚，”火车司机说，“但事情就是这
样。我是从大学的一个老头那里听说的。他当时就坐在那儿。”
他指着靠在门边的一张桌子说。“消磨时间嘛。他告诉我他在做
什么工作，当然要比我高一头啦。他胡吹乱侃，我一个字也听不
懂。不过，他说这一切都是由于加速和减速而造成的。我还记得
一些。他说，不但速度会影响时间，加速度也是这样。每次在火
车进站和出站时都要减速和加速，那就会使乘客觉得时间在倒退。
不坐火车的人是不会感觉到这种变化的。当火车进站时，你会发
现，那些站在月台上的人并不需要紧紧抓住栏杆，也没有像火车
上的乘客那种似乎就要跌倒的样子。看来差别就在这里了……”
他突然停下不说了。
突然，一只沉重的手摇撼着汤普金斯先生的肩膀，于是他发
现自己并不是在车站的咖啡厅里，而是坐在他听教授演讲的那个
大厅的长椅上。这时，天已经黑了，大厅里空无一人。那个把他
叫醒的管门人说：“我们就要关门了，先生，要是你还想睡觉，
最好是回家睡去。”


（碧声注：图片扫描效果不好，不过大家应该能看出这位可爱的
看门人长得像谁。事实上，原图里他的胸前写着“ALBERT”）

汤普金斯先生站了起来，开始朝门口走去。



　２　教授那篇使汤普金斯先生进入梦境的相对论演讲

女士们，先生们：

还在人类智慧发展的最初阶段，人们就已经明确地把空间和
时间看做发生各种事件的舞台。这种概念一代一代地传下来，没
有什么实质性的改变；并且，从精密科学开始发展以来，它就被
用作对宇宙进行数学描述的基础。伟大的牛顿大概是第一个清楚
地阐明了古典的时空概念的人，他在他的《原理》一书中写道：

绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事物
的，它永远是相同的，不变的。绝对的、真实的数学时
间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动的，不
依赖于任何外界事物。

过去，人们极其坚定地相信这些古典的时空概念是绝对正确
的，因此，哲学家们常常把它们看做某种先验的东西，而科学家
们连想也没有想到可能有人对这些概念产生怀疑。
但是，在２０世纪刚开始的时候，人们开始了解到，要是硬
把实验物理学最精密的方法所得到的许多结果纳入古典时空概念
的框框，就会出现一些显而易见的矛盾。这个事实使当代最出色
的物理学家爱因斯坦产生了一个革命的想法，他认为，如果抛开
那些传统的借口，就根本没有任何理由把古典的时空概念看做绝
对真理，人们不仅有可能、并且也应该改变这些概念，使它们同
新的、更精密的实验相适应。事实上，既然古典的时空概念是在
人类日常生活体验的基础上建立起来的，那么，要是今天根据高
度发展的实验技术建立的精密的观察方法表明，那些旧的概念过
于粗糙，过于不精确，它们之所以能够用在日常生活中，能够用
于物理学发展的初期，仅仅是由于它们同正确概念的差异相当微
小，那么，我们就不应该大惊小怪了。同样，要是现代科学所探
索的领域不断扩展，把我们带到两者的差异变得非常巨大、以致
古典概念根本无法应用的场合，我们也不应该感到惊讶。
使古典概念从根本上遭到批判的一个最重要的实验结果，是
人们发现了真空中的光速是一个常数（等于300；000公里每秒），
并且是一切可能的物理速度的上限。这个出人意料之外的重要结
论，主要是从美国物理学家迈克耳孙和莫利的实验得出的。１９
世纪末，他们千方百计想观察地球的运动对光的传播速度的影响。
他们的脑子里还是当时流行的观点，认为光是一种在被称为“以
太”的媒质中运动的波。这样，它的表现就应该像在池塘表面上
运动的水波那样。当时人们还认为，地球也是在穿过这种以太媒
质运动的，很像是一艘在水面上运动的小船。在小船上的乘客看
来，小船激起的涟漪朝着小船运动方向向前扩展的速度，要比涟
漪向后扩展的速度慢一些，因为在前一种情况下要从涟漪原来的
速度减去小船的速度，而在后一种情况下却要把两个速度相加起
来。我们把这叫做速度相加定理，这个定理一直被看做是不证自
明的。因此，在穿过以太运动时，光的速度同样应该随着它相对
于地球运动的方向的不同而显得不尽相同。既然如此，只要测量
出光在不同方向上的速度，就应该能够测定地球在以太中的运动
速度了。
但是，迈克耳孙和莫利却发现，地球的运动对光速根本没有
任何影响，不管在哪一个方向上，光的速度都是完全相等的。这
个发现使他们本人和整个科学界都大吃一惊。这个奇怪的结果使
他们产生了一种想法：也许是非常不巧，在他们进行那个实验的
时候，地球在其环绕太阳运动的轨道上正好处在相对于以太静止
不动的状态。为了检验事情是不是这样，过了６个月，也就是当
地球在太阳的另一侧朝着相反的方向运行时，他们又重复做了那
个实验。但是，这一次也同样测不出光速有任何不同。
既然已经确定，光速的表现同水波的速度不一样，那么，剩
下来的可能性就是假定它的表现和子弹相同了。如果我们用小船
上的枪射出一颗子弹，那么，在乘客看来，这颗子弹不管是朝哪
个方向射出，它离开运动中的小船的速度都是相同的——事实上，
迈克耳孙和莫利也已经发现，从运动中的地球朝不同方向发射出
的光，它们离开地球的速度也全都相等。但是在这种情况下，站
在岸上的观察者就会发现，朝着小船前进方向射出的子弹的运动
速度，要比朝着相反方向射出的子弹更快一些：在前一种情况下，
小船的速度会同子弹的出膛速度相加在一起，而在后一种情况下，
却要从子弹的出膛速度减去小船的速度——而这同样是速度相加
定理告诉我们的。与此相应，我们也应该认为，从某个相对于我
们与运动的光源发射出的光，它的速度必定会随着同运动方向所
形成的发射角的不同而不同。
但是，实验告诉我们，实际情形也不是如此。我们就拿电中
性的π介子作为例子吧！π介子是一种非常小的亚原子粒子，它
在衰变时会发射出两个光脉冲。已经发现，不管这两个脉冲的发
射方向同原来母π介子的运动方向有什么关系，它们射出的速度
总是相同的，甚至在π介子本身以接近于光速的速度运动时也是
这样。
于是我们发现，前面提到的两种实验都没有得到预期的结果：
前一种实验表明，光速的表现同常规水波的速度不一样；而后一
种实验则表明，光速的表现也不同于常规子弹的速度。
总而言之，我们的发现是：不管观察者在做什么运动（我们
是从运动中的地球上进行观察的），也不管光源在做什么运动（
我们所观察的是从运动中的π介子发出的光），光在真空中的速
度总是具有恒定的值。
我前面提到过，光速有另外一个性质——光速是无法超越的
极限速度。这又是怎么回事呢？
“啊，”你们可能会说，“难道不可能把若干个比较小的速
度相加起来，构成一个超过光速的速度吗？”
举个例子吧！我们可以设想有一列跑得非常快的火车，就说
它的速度等于光速的３／４吧，再设想有一个人在车顶上朝火车
头跑去，他的速度也等于光速的３／４。
按照速度相加定理，这两个速度合成的总速度应该等于光速
的1．5倍，因此，那个在车顶上跑的人应该能够赶上并超过路边
信号灯所发出的光束。但是，实际情况是：既然光速固定不变是
一个实验事实，所以，在现在所说的这个例子里，合成速度就必
定小于我们上面所预期的速度值——它不能超过极限值ｃ。因此，
我们应该得出结论说，即使对于比较小的速度来说，古典的速度
相加定理也肯定是不正确的。
关于这个问题的数学处理，我不想在这里细说，但是我可以
告诉你们，在计算两个叠加运动的合成速度方面，它得到了一个
非常简单的新公式。
如果v1和v2是那两个要相加的速度，　c是光速，那么，合成
速度与原来速度的关系应该是
　（１）
从这个公式可以看出，如果原来两个速度都很小——我说很
小，是同光速相比较而言的——那么，上式分母的第二项同１相
比较，就可以略去不计，这时，你所得到的就是古典的速度相加
定理。但是，如果v1和v2都不算小，那么，你所得到的结果就总
是比这两个速度的算术和小一些。例如，在上面所说的那个人在
火车顶上奔跑的场合下，v1=（3/4）c，v2=（3/4）c，这时，用上面
公式得出的合成速度，v=（24/25）c，这仍然小于光的速度。
在一种特殊的场合下，即当原来两个速度当中有一个等于ｃ
的时候，不管另一个速度有多大，用公式（１）所得出的合成速
度都等于ｃ。由此可见。不管把多少个速度相加起来，也永远得
不到比光速更大的速度。
你大概也乐意知道，这个公式已经由实验加以证明了——人
们在实验中确实发现，两