"科學(xué)有時給出的結(jié)果靴迫，比神話還神奇，比魔術(shù)還魔幻盐碱。"?

? ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????——“雙生悖論”隨筆之三

一把兔、車窗變窄了

第二天，她們仨直接來到了E城三區(qū)瓮顽。

這里有幾個實驗點(diǎn)县好。她們在工作人員的帶領(lǐng)下，先來到三區(qū)的第一個實驗點(diǎn)暖混。

工作人員給她們每人發(fā)了一只長度測量儀缕贡，并對她們說：“這里的活動主要是通過你們手中的儀器，測量列車窗口寬度拣播，看這個‘窗口寬度’在運(yùn)動方向上會發(fā)生什么樣的變化晾咪。這個測量儀器與一臺相機(jī)相似，當(dāng)一個要測量的對象運(yùn)動到你的面前時贮配，只要把“鏡頭”對準(zhǔn)它禀酱，按鍵，就會立馬顯示出被測對象的準(zhǔn)確長度或高度牧嫉〖粮”

接著又說：“為了便于觀察和測量，與二區(qū)的情況一樣酣藻，這里列車運(yùn)動速度是0.75C曹洽，而你看到的速度沒有這么大，只有36公里/小時辽剧，即10米/秒送淆，而用測量儀測量到的就是0.75C。

“我可以事先告訴你們怕轿，這個列車的窗口是正方形偷崩，相對于觀測者靜止的情況下辟拷，測量它的寬與高都是1米。

“一會兒阐斜，我?guī)晌煌瑢W(xué)到列車上衫冻，讓車上的同學(xué)，用長度測量儀測一下車窗的寬度與高度谒出；另一位在路基上的同學(xué)隅俘，要預(yù)先做好準(zhǔn)備，當(dāng)列車過來到達(dá)你眼前時笤喳，立即用手中的測量儀迅速完成對列車窗口寬度與高度的測量为居。”

工作人員用路基上的小車先把伊如和小蕓向西帶到較遠(yuǎn)的地方杀狡，然后蒙畴，進(jìn)入一列高速列車，并把窗簾全都放了下來呜象。一會兒列車就由西向東非常平穩(wěn)地開了過來膳凝，她倆在車廂里，看不到窗外的景物董朝，她們一點(diǎn)也感覺不到列車在運(yùn)動，就像坐在教室里一樣干跛。

伊如和小蕓相互回憶交流了一下子姜，在物理課上老師講過這個問題，記得還引過一段伽利略的原文楼入，說這是一個慣性參照系哥捕，在這個參照系中無論做什么實驗，如不看窗外的景物嘉熊，就無法發(fā)現(xiàn)列車是在運(yùn)動還是靜止不動遥赚。

然后羔飞，她倆測量了窗口的寬度和高度琴许，正好都是1米，是一個正方形借跪。

她倆打開了窗簾孕惜，不一會兒愧薛，列車經(jīng)過了子葉的面前，子葉迅速地測量了車窗的寬度和高度衫画，高度沒有變毫炉，仍然是1米，而寬度只有0.65米了削罩。

伊如和小蕓下車后瞄勾，工作人員開車把她倆送了回來费奸。三人見面后，對比了測量的結(jié)果和觀察到的情景进陡，都感到驚訝愿阐。

她們向工作人員提出來，能否使列車的速度再大一點(diǎn)四濒，這個實驗還想再做幾次换况。工作人員馬上安排她們重做。這一次是伊如一個人上了一輛速度相當(dāng)是0.8C的列車盗蟆，她在車上測量的結(jié)果當(dāng)然仍是1米戈二，而小蕓和子葉在車下測量的窗口寬度是0.6米。

她們又做了幾次喳资，當(dāng)車速為0.6C時觉吭，窗寬為0.8米；當(dāng)車速為0.9C時仆邓，窗口顯得更窄了鲜滩，只有0.4米。這使她們想起在一區(qū)碰到的騎自行車的年輕人為什么會變窄的緣故了节值，原來一物如果相對于你高速運(yùn)動徙硅，它就會沿運(yùn)動方向發(fā)生收縮，變窄了搞疗。

那么嗓蘑，這又是為什么呢？

二匿乃、冰淇淋融慢了

工作人員又把她們帶到這一區(qū)的第二個實驗點(diǎn)桩皿。

對她們說：“這里的列車又重新進(jìn)行了設(shè)定，列車速度看上去很慢很慢幢炸，每小時15米泄隔，每秒約前進(jìn)4毫米，比蝸牛的速度快不了多少宛徊，但你用測速儀測量列車的速度竟是每秒0.75C佛嬉，你們在實驗中測量的結(jié)果，就是列車以每秒0.75C行駛時測量到的實際結(jié)果闸天。我還要發(fā)給你們每人一只外形巷燥、結(jié)構(gòu)等都一樣的可精確計時的鐘，用來測量一個過程的時長号枕。

“一會兒缰揪，我?guī)晌煌瑢W(xué)到列車上，列車開動后，她們每人都會拿到一盒這樣的冰淇淋钝腺，是這里的冷飲房專門制作草莓冰淇淋抛姑，在常溫下10分鐘內(nèi)融化。路基上的同學(xué)也會拿到這樣的一盒同樣的冰淇淋艳狐。你們除了要測量你面前的定硝，相對于你靜止的冰淇淋融化的時間外，還要測量一下相對于你運(yùn)動的冰淇淋融化的時間毫目。

“好了蔬啡，哪兩同學(xué)跟我上車去《婆埃”

伊如和子葉跟工作人員向西步行了一小段路箱蟆，就上了一輛列車」伪悖看到列車走得確實很慢空猜，一會兒，工作人員給她們每人發(fā)了一盒草莓冰淇淋恨旱，此時辈毯，車上的倆位也看到車下小蕓也拿到了一個同樣的一盒冰淇淋。

當(dāng)她們一拿到冰淇淋時搜贤，就開始計時了谆沃，10分鐘后，車上的伊如和子葉發(fā)現(xiàn)自己面前的冰淇淋融化了仪芒，但她們看到小蕓的冰淇淋并沒有融化唁影，又過了5分鐘，即15分鐘后才融化了桌硫；相反的情形也出現(xiàn)了夭咬，路基上的小蕓啃炸，發(fā)現(xiàn)她的冰淇淋10分鐘就融化了铆隘，而她看到車上的冰淇淋卻是15分鐘才融化的。

她們又重復(fù)了幾次這樣的實驗南用，車上膀钠、車下的人員進(jìn)行了交換，并且讓車速還進(jìn)行了調(diào)整裹虫。測量的結(jié)果是這樣的：當(dāng)車速是0.8C時肿嘲，車上的人看自己面前的冰淇淋是10分鐘融化的，而看到車下的冰淇淋要16分鐘才融化筑公；同樣雳窟，車下的人看到自己面前相對于自己靜止的冰淇淋是10分鐘融化的，而看到車上的冰淇淋也要16分鐘才融化匣屡，這種情況是對稱的封救。

測量的結(jié)論是這樣的：當(dāng)一只冰淇淋相對于你的運(yùn)動速度越大時拇涤，你看到它融化的時間越長。

為什么運(yùn)動著的冰淇淋融化得慢了呢誉结？

她們?nèi)苏归_了討論鹅士，并提出這樣一種有趣的假設(shè)。

如果某生物所培植一種乳桿菌惩坑，在常溫下只能存活10分鐘掉盅，把這種菌種的樣本帶到剛才實驗的具有速度為0.75C的列車上，那么車下的觀測者就會看到以舒，車上的菌種樣品壽命將是15分鐘趾痘，比她眼前的菌種壽命要長出5分鐘。

再把事情變大一點(diǎn)稀轨。

如果是孵化了一批成活時間10天的小白鼠扼脐。車下的同學(xué)就會說車上的小白鼠活了15天，而自己面前的小白鼠只活了10天奋刽。同樣瓦侮，車上的同學(xué)會說，她們的小白鼠只活了10天佣谐，而車下同學(xué)的小白鼠卻能活15天肚吏。

這就出現(xiàn)了一個有趣的問題：是不是客觀上總有一個先死的，總有一個后死的狭魂，那么究竟誰的——車上還是車下的小白鼠先死呢罚攀？

這的確是一個有趣的問題。她們請教一位年長的工作人員雌澄。

這位工作人員告訴她們：從你們提的這個問題來看斋泄，在你們的心里仍然有一個統(tǒng)一的、客觀上真實存在的時空镐牺，把發(fā)生的車上炫掐、車下的事件都放到這個時空里進(jìn)行比較，然而睬涧，這個時空并不存在募胃。車上、車下的觀測者畦浓，是在兩個不同的時空區(qū)域中痹束，她們看到的結(jié)果都是正確的。在這里讶请，車下觀察者看到的是一個世界祷嘶，車上觀察者看到的又是一個世界，這兩個世界雖然時空上對稱，但不能統(tǒng)一论巍，因為并不存在一個想象中的客觀存在的統(tǒng)一時空的世界里剿牺。

聽了這番解說，三人算是開竅了环壤，但心里仍然在揣摩著工作人員說的話晒来。

一上午，就在三區(qū)搞了這兩個活動郑现。

三湃崩、同時，并非同時

用過午餐后接箫，她們來到E城的第四區(qū)的第一個實驗點(diǎn)攒读。

這里的工作人員對她們說：“這個實驗點(diǎn)是通過車上、車下的觀察者辛友，對壘球和激光運(yùn)動的觀測薄扁，改變了我們對‘同時’這一概念的理解》侠郏”“我再發(fā)給你們每人一只鐘邓梅，這三只鐘，非但外形一樣邑滨，結(jié)構(gòu)也是一樣的日缨，而且能準(zhǔn)確顯示百分之一秒內(nèi)的時間∫纯矗”

接著匣距，工作人員就對她們介紹了下面要進(jìn)行的實驗。

他說：“我先要把你們中兩位同學(xué)帶到的列車上哎壳，一位同學(xué)留在路基上毅待。這輛實驗用的列車車速是15米/秒，由西向東行駛归榕。列車中央有一個壘球發(fā)射器尸红，只要一按發(fā)射鍵，就會向車廂兩端水平射出兩只速率一樣的壘球蹲坷，壘球的速度比車速大得多驶乾。車上邑飒、車下的同學(xué)見我一按鍵循签，計時就開始，然后疙咸，當(dāng)壘球撞到車廂前壁與后壁的時县匠，計時結(jié)束，看兩只球是不是同時到達(dá)前壁與后壁∑虻”

在工作人員的引導(dǎo)下贼穆，小蕓和子葉，來到這輛列車?yán)铩?/p>

列車開動了兰粉，小蕓坐在車廂的前壁故痊，靠東那一端；子葉坐要列車的后壁玖姑，靠西那一端愕秫。工作人員來到了列車中央，當(dāng)按下壘球發(fā)射器的發(fā)射鍵時焰络，兩只球分別向前后兩個方向射了出來戴甩，并很快就撞到了前后的壁上。兩人從看到按鍵開始計時闪彼，看到球與壁撞擊時計時結(jié)束甜孤，這個時間差，就是壘球在空中運(yùn)動的時間畏腕。兩人多次測量的結(jié)果表明缴川，兩只壘球在空中運(yùn)動的時間是一樣的，是同時到達(dá)前描馅、后壁的二跋。

又當(dāng)列車經(jīng)過路基上伊如身旁時，工作人員又按動發(fā)射鍵流昏，伊如測得的壘球也是同時到達(dá)前后扎即、壁的，與車上的同學(xué)測量的結(jié)果是一樣的况凉。

她們反復(fù)做了幾次谚鄙，實驗的結(jié)果都一樣：在列車上同時發(fā)生在不同地點(diǎn)的兩件事情（球撞擊前后壁），在列車下的觀測者看到的同樣的事件也是同時在不同的地點(diǎn)發(fā)生的刁绒。這里的同時性具有絕對的意義闷营，不隨參照系的不同而發(fā)生變化。

這一結(jié)果大家都沒有感到意外知市。在列車上傻盟，兩只壘球是運(yùn)動在一個慣性系中，它們速率相同嫂丙，通過的距離也一樣娘赴，同時到達(dá)前后壁是很好理解的。對于路基上的觀測者跟啤，如果用伽利略的速度相加公式來分析诽表，也好理解：因為列車向東運(yùn)動唉锌，東行的壘球“走”的路就長，但它的速度大（是列車的速度與發(fā)射速度相加）竿奏，就不會費(fèi)多長的時間袄简；因為列車東行，西行的壘球“走”的路就短泛啸，但它的速度新逃铩（是列車的速度與發(fā)射速度相減），因此也要用相當(dāng)?shù)臅r間候址。這就使得兩只飛行方向不同的壘球同時到達(dá)前后壁（可參閱見這組文章《之七》）汞舱。

這一項測量完成后，工作人員又對她們說：“接著宗雇，你們要進(jìn)行下一個實驗昂芜。列車的速度可以與光速相比較，測速器測得的車速是每秒1/2C赔蒲，而設(shè)置列車實際速度只有15米/秒泌神。一會兒我要把兩位同學(xué)帶到列車上，一位同學(xué)留在路基上舞虱。這節(jié)車廂長60米欢际，列車的中部有一激光發(fā)射器，一按發(fā)射鍵矾兜，就有兩束激光分別沿東损趋、西兩個方向射出。

這里的兩束激光信號椅寺，因經(jīng)過特定的設(shè)置浑槽，你們看到的速度只有30米/秒。這樣激光信號從車廂的中央跑到一端的時間是恰好是1秒返帕。

“一會兒桐玻，當(dāng)列車行駛到路基上的同學(xué)所在的位置時，路基下的那位同學(xué)荆萤，要測定兩個數(shù)值：一個是激光束從列車中央跑到西端的時間镊靴；另一個是測定激光束從列車中央跑到東端的時間。如果一次不能完成链韭，我們可以重復(fù)進(jìn)行幾次偏竟，還可以與車上的同學(xué)交換進(jìn)行測量〕ㄇ停”

工作人員說完后踊谋，用路基上的小車把小蕓和子葉往西帶到較遠(yuǎn)的一個地方，然后帶她上了一輛列車儡陨，進(jìn)入到一個實驗車廂里褪子。

不一會兒，列車平穩(wěn)勻速地行駛了起來骗村。

工作人員接著說：“列車是由西向東行駛嫌褪，小蕓同學(xué)你坐到車廂的前面（東端），子葉你坐到車廂的后面（西端）胚股。我到列車中央笼痛，一按鍵就可以看到分別向兩邊發(fā)出兩束激光。這與前面向兩邊發(fā)射壘球的情況是一樣的琅拌。好了缨伊，現(xiàn)在就練習(xí)一下這種測量〗Γ”

說完刻坊，工作人員走到車廂的中央，按鍵党晋，小蕓和子葉看到按鍵時開始計時谭胚，接著就接收到了激光束撞擊前、后壁的信號未玻，測試了幾次后灾而，她倆都準(zhǔn)確地測得，激光從中央的發(fā)射器出發(fā)跑到車廂一端的時間是1秒扳剿。她倆都毫無疑問地認(rèn)為，在車廂兩端接收前后兩個激光信號的事件是同時發(fā)生的锡搜。

接著夸盟，工作人員又說：“列車很快就要行駛到路基上那個同學(xué)身旁了，我馬上就要向東西兩個方向發(fā)射激光亚隅，你倆與剛才的測量一樣懂鸵，測量一下光束運(yùn)行的時間。路基上的同學(xué)同樣也是看到我按鍵并開始計時，然后分別測量光束到達(dá)車廂前壁與后壁的時間。”

這樣的測量進(jìn)行了數(shù)次，最后得到確定的結(jié)果是：小蕓與子葉測量激光束運(yùn)動的時間都是1秒，是同時發(fā)生的事件；伊如測量到激光束到達(dá)子葉（西壁）的時間是0.67秒，而到達(dá)小蕓（東壁）的時間是2秒，兩者有較大的時間的差琼娘，絕對不是同時發(fā)生的事件。由此得到的結(jié)論是：在列車上同時發(fā)生的事情，而在路基上的觀察者將確認(rèn)不是同時發(fā)生的俯在。

她們?nèi)齻€思考了這個問題的答案石景，覺得這也是好理解的，因為光速在那一個參考系中都是不變的筷黔。在車廂內(nèi)往史，激光束向兩端“跑”的速率都一樣，距離也一樣佛舱，當(dāng)然是同時到達(dá)前后壁椎例；在路基上的觀測者，她看到的向兩邊“跑”的兩光束请祖，其速率也都是C订歪，與列車的運(yùn)動無關(guān)，而列車的后壁是迎著光束而來肆捕，路程相對短了刷晋，用時就少；而列車的前壁是向東行慎陵，東行的光束要去追趕前壁眼虱，路程相對要長，用時就多了席纽。

總之捏悬，這都是因為光速不變才出現(xiàn)了這種同時的相對性。

四润梯、?質(zhì)量變大了

?

完成了關(guān)于同時相對性活動后过牙，工作人員把她們帶到了第四區(qū)的第二個實驗點(diǎn)。

對他們說：“這一個實驗要用到你們高中物理學(xué)中的一個重要知識點(diǎn)：牛頓第二定律纺铭，F(xiàn)=ma抒和。我?guī)湍銈冊購?fù)習(xí)一下，這里的m是我們考察的對象彤蔽，F(xiàn)是作用在m上的外力摧莽，a表示m受到了外力作用后運(yùn)動狀態(tài)的變化，這個變化的大小與方向就用a來量度顿痪。

“我給你們每人發(fā)一個像上同一樣的測速器外镊辕，還要發(fā)給你們每人一個測力器油够，它的形狀像一根小桿，當(dāng)用它推動一個物體時征懈，就可以顯示推力大惺А；再給你們每一人發(fā)一個加速度測量儀卖哎，把它的小探頭對準(zhǔn)被測量的對象鬼悠，其加速度的值就可以在儀器屏上顯示。有了力與加速度這兩個量亏娜，按上面的公式焕窝，就可以算出物體的質(zhì)量；再發(fā)給你們每人一個全同的質(zhì)量為1千克的長方形木塊维贺，這就是我們考察的對象它掂。好了，有了這些東西溯泣，你們就可以順利完成實驗了虐秋。

接著又說“為了使路基上的同學(xué)能對運(yùn)動車?yán)锏奈矬w進(jìn)行受力和加速度的測量。這里列車用測速儀測得的速度是每秒0.75C垃沦。但列車速度設(shè)置得很慢很慢客给，像第二個實驗點(diǎn)那樣，比蝸牛的速度快不了多少肢簿，每小時15米靶剑，每秒前進(jìn)4毫米，這樣你們就能順利完成任務(wù)译仗。

又說“一會兒抬虽，我?guī)晌煌瑢W(xué)到列車上，列車開動后纵菌，她們就可以在一個光滑的桌面上推動木塊阐污，根據(jù)不同測量儀器上顯示的力和加速度，計算出木塊的質(zhì)量咱圆。當(dāng)列車到達(dá)路基上同學(xué)的身旁時笛辟，路基上的同學(xué)要用她的儀器來對列車上的木塊受到的力與加速度進(jìn)行測量，看會得到什么結(jié)果序苏。好了手幢，哪兩位同學(xué)跟我上車去〕老辏”

小蕓和子葉跟工作人員向西走了一段围来，上了一輛車，車子開動后，看上去走得很慢监透。她們倆就開始做關(guān)于牛頓第二定律的實驗桶错。她們記得這是學(xué)習(xí)高一物理時的一個最重要的實驗，而且知道質(zhì)量的基本意義是物體慣性的大小胀蛮，慣性大者在同樣力的作用下運(yùn)動狀態(tài)的改變性旱蟆（a小）粪狼。

這里的測量比原來在實驗中簡單多了退腥，她們使測力桿與桌面平行，推動木塊在光滑的桌面上運(yùn)動再榄，使力的大小保持在1牛頓狡刘，看到木塊從靜止開始滑動，用加速度測量儀方便地測得木塊的加速度是1米/秒2不跟。由此根據(jù)公式算得此木塊的質(zhì)量是1千克颓帝。在列車上的小蕓和子葉做實驗時米碰，伊如在路基的一張桌面上窝革，同樣完成了她的測量，得到了與小蕓和子葉相同的結(jié)果吕座。

列車徐徐地來到了伊如的身邊虐译，她用1牛頓的力去推動小蕓、子葉實驗的那個木塊吴趴，她驚奇地發(fā)現(xiàn)漆诽，測得的加速度將小于1米/秒2，只有0.67米/秒2锣枝，這樣算得的木塊的質(zhì)量就變大了厢拭，變成了約1.5千克。

接下來撇叁，她們又通過車上供鸠、車下人員的調(diào)整，并把列車的速度調(diào)整到0.9C陨闹。車下的人測得車上木塊的質(zhì)量變成了2.2千克楞捂；當(dāng)車速再加大時，木塊的質(zhì)量還要增加趋厉。而且寨闹，她們還發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象對于車上與路基上的同學(xué)而言，是雙向的君账，對稱的：車下的同學(xué)測得車上木塊的質(zhì)量變大了繁堡；車上的同學(xué)測得車下木塊的質(zhì)量也變大了。

總之，得到的結(jié)論是：一個相對于你運(yùn)動的物體的質(zhì)量會變大椭蹄，而且隨著速度的增大而增大矮瘟。

天色漸漸地暗了下來，一天的實驗已使她們感到饑餓和疲勞塑娇，她們回到了賓館