德的时空观开始的。
当时曾有过一场激烈的争论。赞成哥白尼学说的人主张
地球在运动，维护亚里士多德-托勒密体系的人则主张地静
说。地静派有一条反对地动说的强硬理由：如果地球是在高
速地运动，为什么在地面上的人一点也感觉不出来呢？这的
确是不能回避的一个问题。
1632年，伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白
尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维阿蒂”（图
4-1）对上述问题给了一个彻底的回答。他说：“把你和一些
朋友关在一条大船甲板下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴
蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼。然后，
挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船
停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，
鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐中，你把任何东西
·33·
扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向
用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相
等。当你仔细地观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，
只要运动是匀速，也不忽左忽右地摆动，你将发现。所有上述
现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，
船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，
你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾
也不会比跳向船头来得远。虽然你跳到空中时，脚下的船底板
向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴
时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也
并不需要用更多的力。水滴将象先前一样，滴进下面的罐子，
一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时，船已行驶了许多柞
(1)。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部
图
4-1 萨尔维阿蒂的大船
(1)柞为大指尖到小指尖伸开之长，通常为九英寸，它是古代的一种长度单位。
·34·
来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。
最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行。它们也决不会向船尾
集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离开了船的运
动，为赶上船的运动而显出累的样子。”
来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。
最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行。它们也决不会向船尾
集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离开了船的运
动，为赶上船的运动而显出累的样子。”
用现代的语言来说，萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯
性参考系。就是说，以不同的匀速运动着而又不忽左忽右摆
动的船都是惯性参考系。在一个惯性系中能看到的种种现
象，在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到。亦
即，所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪
个惯性参考系是处于绝对静止状态，哪一个又是绝对运动的。
伽利略相对性原理不仅从根本上否定了地静派对地动说
的非难，而且也否定了绝对空间观念（至少在惯性运动范围
内）。所以，在从经典力学到相对论的过渡中，许多经典力学
的观念都要加以改变，唯独伽利略相对性原理却不仅不需要
加以任何修正，而且成了狭义相对论的两条基本原理之
一
(1)。
(1)
在许多教科书中，把伽利略相对性原理称为力学相对性原理，把狭义相
对论中的相对性原理称为狭义相对论相对性原理。区别是：前者认为
对一切惯性参考系观测力学现象是等价的。后者则作了推广，认为对一
切惯性参考系观测任何物理现象都是等价的。其实，这种区分方法并不
完全符合历史事实，“萨尔维阿蒂”明确说的是“任何一个现象”，并非只
有力学现象。
·35·
狭义相对论的两条原理
1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论的奠基性论文《论
运动物体的电动力学》。关于狭义相对论的基本原理，他写
道：
“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，
这两条原理我们规定如下：
1. 物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变
化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标
系中的哪一个并无关系。
2. 任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度
c
运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来
的。”
其中第一条就是相对性原理，第二条是光速不变性。整
个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。
爱因斯坦的哲学观念是自然界应当是和谐而简单的。的
确，他的理论常有一种引人注目的特色：出于简单而归于深
奥。狭义相对论就是具有这种特色的一个体系。狭义相对论
的两条基本原理似乎是并不难接受的“简单事实”，然而它们
的推论却根本改变了牛顿以来物理学的根基。
下面我们就来开始这种推论。
·36·
“同时”是相对的
“同时”是相对的
所谓两个事件是同时的，意思是说，两件事的空间位置可
以不同，但发生的时间是一样的。举一个例，每当广播电台在
播送对钟信号的时候，在不同地点的许多人都要对一下自己
的钟或表。我们可以说，不同地点的人对钟动作是同时的。仔
细分析，这个说法并不严格。因为电台发射的信号要经过一
定的时间才能传到收音机那里。距离越大，传播时间越长，不
同地点收到信号的时间，实际上并不完全一样。当然，由于电
波速度很大，这种对钟方法产生的差别相当小，在日常生活中
这种不严格性不会带来任何麻烦。
不过，当我们在讨论原则性问题时，哪怕再小的不严格性
也是不允许的。严格地说，只有当两个钟与电台的距离相等
时，它们才会同时收到信号。
如图
4-2，两个钟分别放在
A和
B两点。它们与广播电
台的距离都等于
L。如果电台在
t＝0时发出信号，则在
t＝L/c时信号将同时到达
A和
B。或看说，信号到达
A和
到达
B这两件事是同时发生的。通过这种手续，我们利用电
台可以把同一惯性系中所有各点上的钟全部对准。这样，就
在这个惯性系中有了共同的时间标准。
现在，我们站在另一个惯性参考系
K' 上，它以速度
v相
·37·
图
4-2 在同一惯性系中，利用电台的信号可以把
A、B两地的钟对准
对于K向左运动（图
4-3）。在他看来，电台和
A、B三者都以速度
v向右运动。这时，电台到
A及B两钟的距离仍然相等，假定为
L'。
因为光速是不变的，相对于
K'，信号的速度还是
c。然而由于
A
具有向右的速度v，所以，在
K'看来，A和射向A的信号之间的
相对速度是c ＋
v(1)。同样的道理B和射向
B的信号之间的相
对速度是c -v。因此，假如电台发信号的时间是
t'＝0，则
A和B收到信号的时间分别是
t'A =
L' ，
t'B =
L' 。
cv+cv
.
显然
t'A≠t'B。也就是说，在
K'看来，信号到
A和到
B这两
(1)
这里我们又一次遇到光速极限问题，速度
c＋
v显然是超过光速的，
但它并不同光速极限相矛盾。光速不变性是说光相对于观察者的速度
不变。而这里的
c＋
v则是观察者看到的一束光与另一物体之间的相
对速度，后者是可以超过光速的。
·38·
图
4-3 在以速度
v运动的惯性系
K' 看来，电台
信号到达
A，B两地不是同时发生的
件事不是同时发生的。这就证明了“同时”是相对的，它决定
于选用哪一个参考系。当参考系变化时，不同时的事可能变
成同时，同时的事件也可能变成不同时。
谁先动手
按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事
情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为
10米的列
车，A在车后部，B在车前部。当列车以
0.6c的高速度通过
一个站台的时候，突然站台上的人看到
A先向
B开枪，过了
12.5毫微秒，B又向
A发射。因而站台上的人作证：这场枪
战是由
A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们
·39·
说，是
B先开枪，过了
10毫微秒，
A才动手。事件是由
B发动
的。
图
4-4 谁先动手
到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件
中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，
B先
A后，而
在车站参考系中则是
A先
B后。
因果关系
读了上面的例子，有的读者一定会发生疑问。如果事件
的先后次序是相对的，那么会不会在某个参考系中能看到一
个人的死亡早于他的诞生，一列火车的到达早于它的出发呢？
更一般地说，原因总是发生在结果之前，如果事件的次序能颠
·40·
倒，那不就出现结果在前原因在后的混乱了吗？
倒，那不就出现结果在前原因在后的混乱了吗？
图
4-5）。横轴
代表空间坐标
x，纵轴代表时间坐标
t。如果一个事件在图上
的位置是原点（即
x＝t＝0事件），则由它发射（或到达它）
的光的世界线是两条
45°的斜线（如果取光速
c＝1）。这两
条线把整个平面分成四个锥状区域。利用等于或小于光速的
信号可以把原点事件
O与区域Ⅰ和Ⅱ中的任何事件联系起
来，而不可能把原点事件
O与区域
III和
IV中的任何事件联
系起来。
由于光的速度是极限速度，事件
O与区域
III及
IV中的
任何事件不可能用任何信号联系起来。不能用任何信号联系
起的两个事件是不可能互为因
果的。因而，对这些事件来说，
谁先谁后的相对性并不涉及因
果关系。相反，
O与区域
I及
II中的任何事件均可能用信号
联系，即可能存在因果关系。因
此，这些事件的先后不应当有
相对性，否则将与因果关系相
矛盾。
区域
II相对于事件
O来
说，是绝对的过去，区域
I对于
它来说，则是绝对的将来。这种先后是不能由选择参考系加以
改变的，是绝对的。所以，狭义相对论能适应因果关系的要求。
·41·
图
4-5 光锥图，O事件与
III、
IV两区域中的任何事件不可
能有因果关系，它与
I、II中
的事件则可能有因果关系
在牛顿的物理学中，我们并不清楚两个事件具有因果关
系的必要条件是什么。爱因斯坦物理学则表明，两个事件具
有因果关系的必要条件是两者可以用等于或小于光速的信号
联系起来。再看一看上节讨论过的
A和
B的枪战，由于
A和
B并不满足这个必要条件（在十几个毫微秒时间内，光信号走
不到十米远），所以，A和
B开枪动作的先后是相对的。
在这里我们再一次看到光速
c的重要性。正是光速不变
性保证了因果关系的成立，保证我们不会看到任何倒因为果
的现象。
至此，我们可以用下面的表简单总结一下迄今已经讨论
过的从经典力学到相对论的种种变化。其中“绝对的”意思是
不随参考系的变化而变化，“相对的”则表示与参考系的选择
有关。
经典力学狭义相对论
光速相对的绝对的
同时绝对的相对的
不可能有物理联系
的两事件的次序
绝对的相对的
可能有物理联系的
两事件的次序
绝对的绝对的
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