动尺变短

简介：“动尺变短”的说法，来自于《论动体的电动力学》出现之前，而人们却把它说成是相对论带来的观念变革，本来就属于张冠李戴。经典运动学所定义的“位移”，即使是对于发生在地面上的运动而言，严格地讲都不能适用；因为运动物体所通过的径迹都是弧，而所谓“位移”却指的是弦。

只需要把物体的自然状态分为地上的和空中的两类，你就会清楚牛顿所谓的惯性，实际上是对真正惯性的严重扭曲；他的惯性定律，即使是对于地面上物体的高速运动，都不能适用，而把这种只能近似地用于描述非自然运动的所谓“惯性定律”作为典范，去指斥、批驳相对论是毫无理由的。

文中列举的“蜗牛与城铁赛跑”，已经非常明确地揭示出，由于经典运动学定义的“位移”，对于在地面上所做的低速运动都是一种近似，当然就更不能适用于描述在空间中做高速运动的现象了。

“动尺变短”只是一种假象，真实情况则是：自然界根本就不存在直线运动！经典运动学定义的“位移”，对于高速运动是绝对不能再适用的。

动尺为什么会“变短”

通常都说“动钟变慢、动尺变短”，是相对论带来的对“时间、空间”认知上的观念变革；实际上这种说法并不正确。 本文只讨论与“尺”相关的问题。 1. “动尺变短”的由来

自古以来，“空间”这个概念就来源于事物所涉及范围的广延性，“时间”这个概念则来源于事物过程的持续性；所谓的“尺”，实际上指的是用于度量范围大小（即广延性）的一种工具—— 物理学量纲式中使用的“米”，就是一个具有严格定义的、用于度量事物之“广延性”的‘标尺“。

由于空间和时间是跟事物的广延性和持续性相关的术语，亘古至今人们就把二者看作是物理事件的载体或框架，认为空间和时间是独立于物体（事物的主体）而存在的东西，也就是通常所说的绝对空间和绝对时间。

牛顿基本上延续了这种观念，认为一切事件都可以用空间坐标和时间坐标加以描述，从而建立起使用直角坐标系描述的惯性系理论体系。由于伽利略-牛顿的理论体系跟经验吻合得很好，久而久之人们就把它当成了真理。

“在两个世纪的时间里，它的实用性得到了最好的证明，所以在同一时期里，它的真理性实际上建立起来了”（1）—— 怀特海这话即可以作为代表。

19世纪，对电磁学和光学的研究都有长足的进步，其中有很多结果都跟经典运动学中这种时-空观念直接矛盾，突出表现在对于高速-长程的运动而言，运用经典运动学方程计算出来的数值，都比实际测出的数值偏小。

20世纪初，开尔文曾经指出在物理学的天空中出现了“两朵乌云”，这就是其中之一。物理学酝酿着一场革命，跟这一朵乌云直接相关的核心内容，被说成是“以太究竟存不存在”；迈克尔逊-莫雷实验的“0”结果作为导火索，揭开了20世纪初物理学观念大变革的序幕。

1889、1892年，菲兹杰拉和洛伦兹先后提出有名的洛伦兹-菲兹杰拉收缩假设，认为“在以

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太中静止的一个长度L0的物体当它相对于以太以速度v运动时，将缩短到L0（1-v/c）”（2）—— “动尺变短”理念就由此而来。

实际上关于相对论带来“动尺变短”的说法，是错误的！ 2. 相对论跟经典运动学的差异

学界都说：经典运动学所描述的，是相对论在低速情况下的近似。

实际上这种说法并没有抓住问题的要害。相对论跟经典运动学的本质差异在于“数学”，而不在物理学。明确地讲就是——

牛顿的惯性系理论描述的是在“平面”上的直线运动，而相对论所描述的则都不是直线运动；或者说相对论所描述的是在“球面”上的弧线运动。 你是否思考过经典运动学中存在的如下背谬——

“路径是直线的运动叫做直线运动，路径的长度叫做质点的路程（s）。 为了反映位置变化的实际效果，引进位移（r）这个物理量： 质点运动时，从初位置到末位置的有向线段r，叫做质点的位移。

人们用速度（V）表示运动（位置变化）的快慢程度。在匀速直线运动中，位移s与发生这段位移所用时间t的比值，叫做匀速运动的速度“（3）。

请注意：经过上述弯来绕去的“规定”，实际上是在位移～路程～路径三者之间划了一个等号，把位移（r）变成“位移s”，即是引出诸多观念混乱、乃至致使人们迄今依旧相信牛顿学说具有“真理性”的总根源。

实际上牛顿的学说是建立在高度抽象地“取极限”的近似基础上的理论，只能适用于伽利略为他准备好的、在封闭的平稳的船舱里长度有限的实验台上去验证；对解决生活在地球表面上的、人类经验中的现实运动学问题，都只能是一种近似。而且速度越大，其误差值也就会越大。

只要没有忘记地球是圆的，对于地面上的高速运动而言，“位移”这个概念就已经完全失去了意义。不妨可以让蜗牛跟高速城铁做一次赛跑，希望能够从中“悟出”所谓的“动尺变短”究竟是怎么回事——

假定城铁的速度V1=100m/S，蜗牛的速度V2=1mm/S，它们的速度比n= V1/ V2=10；在地表运

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动了t小时后，依据经典运动学通过的位移之比也应当为n=10。相对论却得出n＞10的结论；对于那些无条件地相信经典运动学为“真理”的学究们而言，瞠目结舌地惊呼“动尺变短”并不奇怪嘛！

不信你可以去实际度量一下试试，n＞10肯定是必然的—— 如果要把地表“当做”直线，这个结果就只能用“尺缩”予以解释；如果没有忘记球是圆的，并且清楚“位移”指的是弦，实际去度量的却只能是“弧”，并且承认同弦所对的弧长＞弦长，难道还会大惊小怪吗？ 英国当代科学史家F·查尔默斯在《科学究竟是什么》中写道：

“在这些领域里自称为‘科学家’的人，往往认为自己是遵循物理学的经验方法的??，幽禁在他们现代化的实验室里，透过数字仔细端详世界，不能知道他们努力遵循的方法不仅必然是无结果和没有成效的，而且也不是使物理学取得成功的那种方法”。 他虽然发现了问题，但是并不清楚其“要害”究竟在什么地方。

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小结：经典运动学和相对论的本质差异，在于前者描述的是物体在平面上做直线运动的规律，后者所描述的却是物体在球面上做弧线运动的规律；对于这两种不同形式的运动，必须使用不同的“标尺”去度量，才可以尽可能地减小误差。狭义相对论的真实意义，就在于为我们提供了以速度为基础进行“标尺”换算的最基本方法—— 根本就不是“尺”会变短。 3. 运动学史上的迷误

亚里士多德认为：静止是绝对的，物体必须受到“力或冲击”的作用才会运动，被称为“静止是绝对的、运动是相对的”。

哥白尼的《天体运行论》揭示出“运动是绝对的、静止是相对的” —— 这种理念直接跟上帝创世说相对立，布鲁诺为宣传这种观点竟被活活烧死。

牛顿的学说创立于哥白尼之后，历来人们都说这种理论建立在哥白尼“运动是绝对的、静止是相对的”基础之上，则是错误的！

实际上由牛顿力学发展而来的经典运动学，其哲学基础则完全已经从哥白尼倒退回了亚里士多德的年代。

“哥白尼在这一时期的开端给神学写了挑战书，牛顿却以关于神的第一次推动的假设结束了这个时期”（4）—— 恩格斯虽然发现了问题，却不清楚哥白尼和牛顿赖以建立理论的哲学基础是完全对立的。

所谓“运动”的主体都应该叫做“物体”，实际上物体却有空中的和地上的之分；须知：空中的物体都总是“动者恒动”，而地上的物体却总是“静者恒静” —— 对于“惯性”这个术语，绝对不允许滥用。

所有空间中“动者恒动”的物体，都不受人为干预，可以叫做自然运动；所有那些“静者恒静”的物体，要想让它运动就永远离不开“用人力??的必要性”（恩格斯语），可以叫做非自然运动—— 牛顿的那个惯性定律，描述的却是非“动者恒动”的运动；只有非惯性系描述的才是真正的惯性运动。

据此不难发现，想用牛顿创立的“惯性定律”，同时处理这两种完全不同的、真正的惯性运动，能不出现悖谬吗？

从运动的“路径”考察，空间中物体运动的路径都不是直线；请不要用“自由落体就是竖直下落”来反诘，那是你忘记了自己也在随着地球的自转而运动，才会认为空间的物体径直向你落下来。

地面上运动物体的路径也都不是直线，大概就不需要再做说明了。

小结：牛顿那个惯性定律只能适用于在实验室的平台上使用，而且描述的根本就不是真正的惯性运动；这种建立在欧氏几何学基础上的学说，只能够近似地适用于解决经验中低速-短程的运动学问题。

对于空间中或地面上的高速-长程运动，则必须使用建立在非欧几何学基础上的相对论，才是正确的—— 故而笔者才会说：

相对论和经典运动学的本质差异在数学基础、而不在物理机制之不同。

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