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物理世界的本质 菲茨杰拉德收缩
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我们最好从下面的事实开始：假定你有一根以极高速运动的木棒，开始时木棒的指向与其运动方向垂直。现在把它转个直角，这样木棒就指向运动方向了，木棒便会收缩，木棒沿着运动方向的长度比横过运动方向时要短些。
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这个收缩，便是著名的菲茨杰拉德收缩，在所有通常的情形下是极其微小的。这一收缩完全与棒的材料无关，而仅仅与其速度有关。例如，如果速度达到每秒钟19英里[1]——地球绕日的速度，那么长度的收缩便达到二亿分之一，或者说地球直径收缩了2.5英寸[2]。
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这已由各种不同的大量实验所证实。最早也最闻名的实验是首次由迈克尔逊·莫雷于1887年所做的实验，该实验由莫雷和密勒在1905年更准确地重复过，在最近一两年中又有多个研究者开展了重复实验。我不打算再叙述这些实验了，它们只是说明如何便利地给你的木棒以太的速度的方法，就是把它放到高度围绕太阳运动的地球上来。在此我也不想讨论这些实验所提供的证据是怎样的完备，更重要的是，你们应该认识到，这一收缩确实能够从我们目前有关实体木棒的知识中预测出来。
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你们也许要诧异，一根运动着的木棒仅仅由于其指向不同而能够改变尺寸，你们或者以为其大小并未改变。但诸君所想的是哪根木棒呢？请回忆我的两张桌子。假使你想到连续的物质，出于它是占据空间的物质的性质之故而在空间里延伸，那么看起来其尺寸的变化好像没有说得通的理由，但科学的木棒是一群高速冲撞而又山水相隔的带电粒子，令人惊异的是，这群带电粒子似乎倾向于保持任意有限尺度。但是，因为微粒子保持着一定的平均间隔，因而整个的体积实际上还是保持稳定的。它们相互间施加电场力，它们所充满的体积依赖于它们之间的吸引力和它们的无规则运动，驱使它们远离的力之间的平衡。当木棒发生运动时，这些电场力也会变化。运动中的电场力由电流构成，而电流会产生一个与静止电场所产生的力不同形式的力，即磁力。进而，电荷运动所产生的力沿着运动方向和横跨着运动方向，强度自然不同。
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将木棒与包含其内的所有细微的电荷置于运动状态，我们便在粒子之间引入了新的磁力。显然，原来的平衡被打破了，粒子间的平均间隔必然会发生改变直至达成新的平衡，因此粒子群的延伸——棒的长度改变了。
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关于菲茨杰拉德收缩，实在没什么神秘。在旧方法里面，由于木棒的实体性被描绘成占据空间的连续的物质，这种收缩是木棒非自然的性质。但是，对于由电磁力保持微妙的平衡、把任何想钻进来的东西都赶开而占据着空间的一群粒子的棒，这种收缩则是一个完全自然的性质。或者可以这样去看它：你们期望木棒保持着它的原来长度，自然要预先假定木棒受到公平的对待而没有受到任何新的压力，但是处于运动中的木棒则要受一个新的磁力的作用，这种磁力并非来自不当的外部干涉，而是其自身的电结构的必然结果，在这个磁力的作用下收缩出现了。或者你们会认为，如果木棒足够坚硬，它或许能够抵抗这一压力，非也！菲茨杰拉德收缩对于钢棍与橡皮棍都是相同的：硬度与压力与其结构关联在一起，即如果一方增大了，而其他一方也同样增大。我们必须从头脑中抛弃这一观念，即木棒不能保持一个固定的长度是由于木棒的缺陷。仅在同一个想象的没有这种电结构因而完全不是物质的“某种东西”相比较，它才是一种“缺陷”。菲茨杰拉德收缩不是一个缺陷，而是物质的固有属性，如同惯性一样。
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在此，我们从物质的电结构得到一个定性的推论，应把有关的计算交给数学家得到定量的结果。这一问题大约在1900年就被洛伦茨和拉摩尔解决了，他们计算了因电荷运动的变化而产生的新的力破坏平衡之后，重新恢复平衡所要求的粒子之间平均间隔的变化。计算结果给出了精确的菲茨杰拉德收缩的量值，即上述实验中业已推断得到的量，由此，我们两条腿都稳稳地站住了。有些人因为它们具备良好的实验结果而认为结果可靠，其他的人则由于菲茨杰拉德收缩是自麦克斯韦之后所普遍接受的电磁理论体系的必然结果，这一认识而更容易说服。实验与理论两者有时都会出错，所以二者都需要。
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物理世界的本质 收缩的结果
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虽然尚未完全引导大家转到相对论，然而单是这个结果，也应使大家对于古典物理学感觉不安了。当物理学家打算测量一个长度时——如果不测量这个长度，他的实验就不能更进一步：他取一把测量尺，并把它转到需要的方向。在他这样做的时候，虽然用了各种预防方法，测量尺的长度都会改变——这样的事从未发生；但是除非地球偶然静止，变化就必定发生。测量尺恒定是一个基石，物理学的全部都是建立在这一基石之上的，然而那个基石已经破碎了。大家可以想象，这种假定对物理学家的背叛还不是多么严重，长度变化不会很厉害，或者他们也应注意到。让我们拭目以待。
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让我们考察某些菲茨杰拉德收缩的结果。首先来看一个幻想的例子，想象你们是在一个快速运动的星球上，例如运动速度为每秒16.1万英里的星球上。该速度下收缩达到二分之一。任何固体，当其从横过运动的方向转到运动方向时，都收缩其原长度的一半。两城间的地面旅行，在正午是100英里，到了下午6点钟当星球回转一个直角时，就缩短成了50英里。其居民恰似奇境中的爱丽丝，城市间的距离伸缩有如一架望远镜。
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我不知道每秒运行16.1万英里的星球，但是我能指出空间中离我们很远每秒运行1000英里的螺旋状的星云。星云可能包括一个星球，而且（说得不太专业）如果我把一些智慧生物安置其上，希望我的话没有太过冒犯。每秒钟1000英里速度下的收缩对日常事务而言无足挂齿，但对科学测量或者工程精度而言，这一收缩就必须考虑了。物理学上最基本的一个做法就是用可在任何方向运动的尺子来测量长度。想象一下这颗星球上的物理学家，当他们知道他们假定测量尺长度恒定是一个错误时，他们将会怎样得错愕！回看曾经做过的一切实验，采用不同时刻下测量尺的方位加以修正，然后重新考察根据修正过的数据所导出的物理学定律的推论和体系，将是一件何等艰难的事！我们自己的物理学家们应该感谢的是，他们不是身处在那个奔驰的星云上，而是处在如同地球一样的一个徐徐运动的星球上面！
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但请稍待，我们确定自己处在一徐徐运动的星球吗？我能够想象那星云上的天文学家们，他们正观察着遥远空间一个意义不大的星球，这个星球伴随着一个也没有多大意义的名为“地球”的星球，他们观察到地球也是以1000英里/秒的巨大速度运动着。这是因为，如果我们看到他们以1000英里/秒的速度远离我们，于他们而言，我们也是以1000英里/秒的速度远离他们。那个星云上的物理学家惊讶道：“每秒钟1000英里！地球上的可怜的物理学家是多么不幸呵！菲茨杰拉德收缩要全面考虑的，他们所有尺子的测量都是非常错误的。假使他们忽视了这一修正的话，那他们要推论出怎样奇异的自然规律的体系！”
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没有办法来判断孰是孰非——我们双方所观察到的1000英里/秒的相对速度到底该归属何方。在天文学上说来，地球是其一员的银河看来并不比星云更为重要、更位居中心，我们更为接近静止状态的假定并没有什么严肃的根据，不过是自我夸耀而已。
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“但是，”你们要说，“如果这些长度有意义的变化在地球上出现的话，应该能用我们的测量探测到的。”这使我找到兴奋点了。我们不能够用任何测量手段探测到它们，它们的出现乃至消逝都是完全留意不到的，让我尝试说明这是如何发生的。
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我们可以说这间屋子是以每秒161000英里的速度垂直向上运动，那是我的说法，你们可以证明那是错误的。我把手臂从水平方向转到垂直方向，那它的长度就缩短为原来的一半了。你们不相信我吧？那么拿一把码尺来测量吧。开始时沿地平线，测量的结果是30英寸，现在在垂直方向测量，结果是15英寸。你们不得不承认，当码尺转向垂直方向时，比例尺的1英寸缩短成半英寸的事实。
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“但是我们能够看见，你的手臂并未变短，我们还能相信自己的眼睛吗？”
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当然不能，除非你们记得早晨起来时，你的视网膜把它在垂直方向时的原本的大小缩短到一半的事情，你们才不能相信你们的眼睛，结果就是现在你们把垂直距离放大到水平距离的两倍。
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你们反问：“很好，我就不起床了。我就躺在床上，看着你在一座倾斜的镜子里面你做的动作好了，那么我的视网膜是完全正确的，但我知道还是看不见收缩。”
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但一个运动着的镜子是不能给一个正在发生的事物不扭曲的映像的，光的反射角由于镜子的运动而改变，正如棒球的反射角，如果垫子在运动，也要被改变一样。假使你们依据光学的通常规律，求出以每秒钟16.1万英里速度运动的一面镜子的效果，你将发现它引出一个恰如把我的手臂收缩隐藏一样的扭曲。
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所设计的每一个试验结果都相同，你们不能够反驳我的说法，当然，我也不能证明它。同样地，我也可以选择和申辩任何其他的速度。乍看起来这好像与我先前告诉你们的——即迈克尔逊·莫雷和其他的实验曾经证明和测量过的收缩相冲突，但确实没有什么矛盾。它们都是一些徒然无益的实验，正如你在一面倾斜的镜子里面，看我的手臂的实验是一个徒然无用的实验一样。对地球运动的某些光学或者电学结果的寻求，如同运动的镜子所产生的映像扭曲一样，除非收缩发生了、恰巧补足正确的收缩量时，才能观察到这些扭曲，而并未被观察到这些扭曲，因此收缩补足确实发生了，二者必居其一，地球在空间中运行的速度可能碰巧为零。间隔6个月后又重复进行了实验，因为地球的运动在这两种情形下不可能都是零，所以这种可能性被排除了，由此说明收缩存在，也证实了收缩对速度的依存规律。但是由于地球的真实速度（与太阳有关的轨道速度不同的速度）未知，因此在任一情形下，实际的收缩量也是未知的。它之所以依然未知，是因为我们希望用来测量收缩的光学和电学的影响往往为收缩所补足的缘故。
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我说过，测量尺不变性是一个基石，在这基石上面建筑着物理学的所有建筑物，建筑物也需要辅助的支撑，因为光学和电学设备常常用来代替确定长度和距离的实际的尺子。但我们发现所有这些都是互相关联而不是彼此分离的，所以基石崩塌了，同时所有其他的支撑也就坍塌了。
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