前天我發了一篇《從一個具體的例子加深理解「同時的相對性」》，目的就是讓大家算一個實際的例子，加深一下對同時的相對性的理解。
然后，大家都知道的，講同時的相對性，必然要講到那個經典的雷擊火車實驗：兩道閃電擊中車頭車尾，我們通過分析，得出了地面系覺得這兩個事件是同時發生的，而火車系并不這么認為。
于是，愛因斯坦從這里發現了同時的相對性，進而打開了狹義相對論的大門。
愛因斯坦在自己寫的相對論科普讀物《狹義與廣義相對論淺說》里就提到了這個實驗：
一般的相對論教材也會提到這個。
我前天的文章著重是讓大做一下具體的計算，于是就沒有具體的講這個實驗。
但是，文章的留言里卻有非常多談這個實驗的。而且，不看不知道，一看嚇一跳。很多人對這個實驗理解之亂，對愛因斯坦是如何通過這個實驗發現同時的相對性，對牛頓力學是如何看待這個事情理解錯誤之深，觸目驚心。
而且，不少人都覺得自己的理解特別有道理。覺得這個實驗就是一個謬誤，覺得這是循環論證，覺得愛因斯坦通過這個根本不能說明什么……
拜托，愛因斯坦好歹是人類物理學史上Top2的存在，能不能給Top2稍微一點尊重？對狹義相對論問題的思考，是你思考的多，還是愛因斯坦思考得多？如果這個實驗真的有你說的那么多問題，那么多毛病，那愛因斯坦還把它拿出來給全世界做科普？
還沒有物理學家站出來反對他的這個實驗，教科書里還一直在講這個實驗？難道全世界就你聰明，愛因斯坦，這百年來的物理學家，所有的教材編者都看不出這個問題，就你看出這個問題了？
初學者對很多東西不了解是很正常的，不了解就去學習，學懂了就知道了。但是你要是有一點東西沒想通，就覺得他們的邏輯不對，應該按照你的來，咱別這么自大行么？
我經常在社群里說：你質疑一樣東西是好的，物理學需要質疑，但是質疑的前提是你對這個東西已經有了足夠充分的了解。
如果你自己都沒有把理論搞清楚，那質疑個啥？這種時候你如果覺得有些東西無法理解，你需要做的是去請教別人，去把它弄懂，而不是動不動就懷疑愛因斯坦說錯了，書里寫錯了。
好了，吐槽大會到此為止，對這個實驗的各種錯誤理解我也不一一列舉了。我再來帶大家好好理一下這個實驗，把這個實驗徹底理通了，其它的各種問題也就自然解決了。
我們先來看一下這個實驗是要干啥。
很簡單，這個實驗要證明同時的相對性。
也就是說，它要證明，對于閃電擊中車頭和車尾這兩個事件，地面系覺得它們是同時發生的，火車系覺得它們不是同時發生的。
然后，我們就可以得出結論：同時是相對的，一個慣性系覺得是同時發生的兩個事件，另一個慣性系會覺得它們并不是同時發生的。
這個實驗很簡單，我再簡單的描述一次：一輛火車在地面上勻速行駛，某一個時刻兩道閃電同時擊中了火車車頭和車尾所在的路基，當然這個同時的相對地面而言的（這個好理解）。然后，我們要證明，對于火車系來說，這兩個事件并不同時。
01一些約定
在具體談論這個實驗之前，我們要先約定一些東西：
1、光在均勻的介質中（比如空氣）里的傳播速度是一樣的。這個約定并不是光速不變原理，而是說只要空間是各向同性的，那么光在這一個參考系里的速度就是一樣的。光速不變原理說的是真空光速在不同的慣性系里都一樣，我們這里只說在一個參考系里。
2、如何定義同時？在約定了光在均勻介質里速度不變之后，我們就可以利用光來校準時間，用光來定義同時。方法也很簡單：在一個慣性系里，如果兩個事件發出的光信號同時達到這兩個事件的中點，我們就認為這兩個事件是同時發生的。
3、如何確定同時是不是相對的？我們牢牢抓住：如果兩個事件在一個慣性系里是同時發生的，我們看它們在另一個慣性系里是否是同時發生的。如果是，那么同時就是絕對的，如果不是，那么同時就是相對的。
我要強調一句：我們要對比的是在不同慣性系里兩個事件是不是同時發生的，重點是事件的發生時間，發生時間。
我把雷擊火車的實驗簡化成下面的模型：
然后，我們再來分析這個實驗。
02火車上的閃光
閃電擊中車頭車尾之后，地面上AB的中點C肯定會同時收到頭尾的閃光，所以地面系認為它們是同時發生的，這一點我相信大家都沒有疑問。
有疑問的是火車上的事情。
我們假設火車的中點C'處有一個觀察者。如果火車沒有運動，那么，這個觀察者C'肯定會同時收到車頭車尾的來光，對不對？這個毫無疑問。
那么，現在火車是運動的，而光速是有限的。有限的就是說，光從車頭車尾傳到中央是需要一定時間的，而在這一段時間內，火車必然會前進一段距離。
那么，處在火車中央的觀察者C'一定會先看到來自車頭的閃光，后看到來自車尾的閃光，對不對？
你好好想想是不是這么回事？你再想想，我們得出這個結論用到的條件是什么？有用到光速不變原理么？沒有！有用到什么速度疊加公式么？也沒有！
我們用到的假設只有一個：光速是有限的！
也就是說，只要光速是有限的，它傳播到火車中央就需要一定的時間。因為火車在運動，它在這一段時間里肯定會運動一段距離，只要有這段運動距離，那么他就一定會先收到來自車頭的光，后受到來自車尾的光。
那么，相對論承認光速是有限的么？承認！牛頓力學承認光速是有限的么？也承認！
所以，到目前為止，火車中間的觀察者C'會先收到車頭的光，后受到車尾的光這件事奇怪么？它能說明同時的相對性，或者是絕對性么？不能！
這是很多人非常容易栽跟頭的一個地方，你以為我們是從火車中點收光時間不一樣，得出同時的相對性的結論的么？
Nonono，這個事實非常平凡，牛頓和愛因斯坦都承認，因為只要光速有限，就必然有這個結論。不平凡的事實在下面，在對這個事實的分析。
為什么愛因斯坦能夠根據這個事實得出同時的相對性呢？因為愛因斯坦有光速不變啊！
光速不變原理是狹義相對論的基本假設，它說真空光速不隨慣性系的變化而變化，你在地面系光速是c，在火車系測量的光速還是c。有了光速不變原理，我們就可以往下計算了。
03相對論的計算
火車中點的觀察者C'是先收到來自車頭的光，后收到來自車尾的光。但是，我們判斷同時是不是相對的，不是判斷你的收光時間是否一樣，而是判斷事件發生的時間是否一樣。
你在地面系覺得閃電擊中車頭車尾是同時發生的，那么，我在火車系需要證明的是：火車系的人覺得這兩個事件是不是同時發生的，注意是事件發生的時間，不是火車中點收光的時間。
那么，火車系覺得這兩個事件是不是同時發生的呢？
答案是不是，為什么？很簡單，對火車系來說，光從車頭車尾走到中間的距離是一樣的。而根據光速不變原理，火車上的光速也是一樣的。
于是，兩束光行走的距離一樣，光速一樣，那么，這兩束光行走的時間就是一樣的。
而我們在火車上明明是先收到來自車頭的光，后收到來自車尾的光，而這兩束光運動的時間是一樣的，那能說明什么？這就只能說，這兩束光不是同時發出來的。
這段邏輯很重要，大家理一理。我們是因為收光時間不同，而光運動的時間是一樣的，所以得出了發光事件不同這個結論。
而發光時間不一樣，就是說這兩個事件不是同時發生的，而地面系認為這兩個事件是同時發生的，這就是同時的相對性。
為了加深大家對這個結論的理解，我們再來看看牛頓力學會怎么看這個事。
04牛頓力學的計算
牛頓力學是絕對的時空觀，也就是認為：如果兩個事件在地面系是同時發生的，在火車系必然也是同時發生的。
前面我已經說了，只要我們承認光速是有限的，那么，火車中點的觀察者就必然先收到車頭的光，后收到車尾的光。有些人可能就覺得，看，火車中間的人收光不同時了吧，跟愛因斯坦得出了一樣的結論，所以這個實驗是沒用的。
我一再強調：要判斷同時是相對還是絕對的，我們是要判斷兩個事件是不是同時發生的，而不是去看火車中點的人是不是同時收光。
對牛頓來說，因為沒有光速不變原理，所以，光速在他的眼里依然滿足伽利略變換導出來的速度疊加公式。于是，牛頓就會認為，從車頭發過來的光的速度是c+v，從車尾發過來的光的速度是c-v，這個v代表火車的速度。
這個應該不難理解。在牛頓的眼里，光和子彈沒什么區別，如果車尾有一發子彈朝火車中間發射過來，那么，火車上的人必然覺得子彈的速度變慢了。如果子彈的速度和火車的速度相同，我們還能看見“靜止”的子彈，這里換成光也是一樣的。
所以，對牛頓來說，從車頭和車尾發出來的光跑到火車中點，運行的距離是一樣的，都是半個火車的長度。但是，因為從車頭來的光速度快一些，從車尾來的光速度慢一些。所以，如果這兩束光是同時發出的，那么我必然先收到來自車頭的光，后收到來自車尾的光。
所以，你火車中點的觀察者先看到車頭的光，后看到車尾的光，配合光和火車的速度疊加，剛好就得出光是同時發出的結論，剛好就說明了同時的絕對性。
05總結
也就是說，對于雷擊火車這個事件，愛因斯坦和牛頓都會覺得地面的事件是同時發生的，都會覺得火車中點會先受到車頭的光，后收到車尾的光。但是，對于這個現象的解釋，二者卻截然不同。
對愛因斯坦來說，火車系的人先收到車頭的光，后收到車尾的光，這就可以直接用來證明同時的相對性了。因為光速不變，車長一樣，光在火車傳播的時間是一樣的，所以，你接收到光的時間先后不一樣，就鐵定證明了光發出的時間不一樣。
對牛頓來說，雖然我在火車上是先看到車頭的光，后看到車尾的光。但是，他不能憑借收光的時間不一樣判斷它們發光的時間不一樣，為什么？因為牛頓會認為光的速度不一樣，你從車頭發過來的光的速度的c+v，從車尾發過來的速度的c-v。
然后，車長一樣，光的速度不一樣，收光的時間不一樣，牛頓據此判斷：這兩束光是同時發出的。有毛病么？沒毛病！！！這是一個小學題。
也就是說，牛頓認為，這兩束光在地面是同時發出的，在火車系看來也是同時發出的。我們千萬不能根據火車上收光時間的不一樣，來說它們發光的時間不一樣，你還要看光速啊。
這就是牛頓和愛因斯坦的不同。老愛認為光速不變，這才可以用火車系上先后收光的時間不同，直接判定發光時間不同；而老牛認為收光時間不同是由于光速變大變小了造成的，它們的發光時間還是一樣的。
牛頓和愛因斯坦的理論都是自洽的理論，都是可以在自己的體系內自圓其說的，這點大家要清楚。
06還是要看教材啊
這些內容在我帶讀《從零學相對論》1.2節的時候就已經說過了，星球的朋友應該不陌生（點擊閱讀原文可以查看原貼），我是沒想到現在還會單獨為這個在公眾號里再發一次文章。
因為星球里既要整理微信群聊的精華，又要帶大家讀《從零學相對論》、《西方哲學十五講》和《幾何原本》這樣的書，所以更新的內容比較多。又因為那個圈子比較小，寫的東西隨時可以修改，所以我文就比較隨意，通常是想到什么就迅速發什么。
而公眾號是個比較開放的大圈子，面向的讀者也多，推文一篇也比較麻煩，發出去之后有問題還不能修改。所以，在公眾號發文就比較謹慎，發一篇文章耗時也比較多。
不知道大家看完這篇分析之后，對雷擊火車實驗有沒有什么新的看法，對同時的相對性有沒有什么新的看法？還會不會覺得實驗有問題，或者是覺得愛因斯坦搞錯了？
相對論確實有很多反常識的地方，很多東西你光靠讀科普書、科普文是不夠的。想深入學習，你一定要去看兩本正規的教材。我也是發現了這點，現在才在各種百忙之中，堅決抽時間來帶大家讀《從零學相對論》，我帶你們讀，寫一篇篇的帶讀文章，布置作業給你們做。
如果我能帶動你認真的讀物《從零學相對論》一本教材，那比讓你看多少本相對論的科普書，看多少相對論的科普文章都管用。相信我，你一直看科普文章，那極有可能就一直停留在那水平。如果科普文章看得多，想得更多，那就極有可能胡思亂想，甚至墜入民科深淵。
就這樣一個實驗的都能逼得很多人批評愛因斯坦，其他更厲害的各種胡思亂想，我就不多說了。
想更系統的學習相對論，可以看星球里帶讀《從零學相對論》的系列文章，認真做做我布置的題目。反正我也才帶讀不久（剛到第二章），很容易跟上。
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