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物理世界奇遇记8

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物理世界奇遇记8

8 量子台球

11 快乐的电子部族

3 汤普金斯先生请了个疗养假

有一天,汤普金斯先生在银行里做了一整天工作(他们正忙着完成房产方面的业务),回家的路上,他感到非常疲倦。这时,他正好走过一家酒馆,便决定进去喝杯啤酒。一杯下去了,接着又是一杯,不久,汤普金斯先生开始感到有点醉意了。酒馆后面有个台球房,里面有许多人套着套袖围着当中那张台子打台球。他模模糊糊地记起他以前曾到这里来过,那是一个年轻的同事带他来,教他怎样打台球的。于是,他走近台子,开始专心看别人怎样玩。突然,一件非常费解的事情发生了!有一个人把一个台球放在台子上,用球杆把它击了一下。在注视那个滚动着的台球时,汤普金斯先生十分惊讶地发现,那个台球开始“弥散”开了。“弥散”这个词,是他为说明那个球的奇怪表现所能找到的惟一表达方法,因为它在滚过绿色的台毯时,似乎变得越来越模糊,失去了明确的轮廓,好像在台上滚的不是一个球,而是许许多多个彼此有一部分互相叠合的球似的。汤普金斯先生无法理解为什么现在会发生这种情况。“得,”他想,“让我们看看这个松包球怎样打另一个球吧!”

几天后的一个晚上,汤普金斯先生吃过晚饭,记起他答应去听教授当天晚上关于原子结构的演讲。但是,他对岳父那没完没了的演讲分明已经非常厌倦了,因此,他决定把这次演讲会忘掉,在家里过一个舒舒服服的夜晚。然而,他刚刚拿了一本书坐下,慕德就堵死了他逃学的道路,她看了看时钟,然后温柔而又坚定地提醒他说,已经差不多是该动身的时候了。因此,半个钟头以后,他又同一大群渴望增加知识的青年学生一起,坐在大学演讲厅里的硬木头板凳上了。

汤普金斯先生为他那次在相对论性城市的奇遇而感到很高兴,但他也觉得有些遗憾,因为当时那位教授没有同他在一起,不能为他解释他所看到的那些奇异的事物:火车司机怎么能够使乘客不变老这个谜,特别使他绞尽脑汁。好多个夜晚,当他上床的时候,他总是希望能够再一次拜访这个有趣的城市,但是,他极少做梦,而且做的大多是不愉快的梦;上一次,他梦见银行经理对他发火,说他的银行账目不清楚……所以,他认定他最好是请个疗养假,到海边什么地方去过一个星期。正因为这样,现在他坐在火车的一个车厢里,透过窗子注视着市郊那些灰色的屋顶怎样逐渐稀少下去,换成乡村翠绿的牧场。他很倒霉,没有赶上教授的第二次演讲,不过,他已经从大学的秘书处要来教授讲稿的复印件,现在就带在身边,所以他就把它从手提箱里拿出来,开始阅读起来。这时,火车的摇晃,摇得他很舒服……

那个打球的人显然是个高手,所以,那个滚动的球正像人们所说的那样,把另一个球打个正着。这时发出了一声响亮的撞击声,原来静止的台球和那个射来的台球(不过,汤普金斯先生无法确定,它们当中究竟哪个是前者,哪个是后者),两者都“朝四面八方”快速地滚去。这确实是非常奇怪的事,现在不再是两个看来有点松散的台球,而似乎有无数个台球,它们全都非常模糊,非常松散,大致在原来撞击方向180°角的范围内向外滚去。这相当像是个从撞击点向外扩展的独特的波。

“女士们,先生们,”教授从他的老花眼镜上面庄重地看着听众,开始演讲了,“我在上一次演讲里,答应同大家比较详细地谈谈原子的内部结构,说明这种结构的特点对原子的物理性质和化学性质起什么作用。你们当然知道,原子现在已不再被看做是物质的最基本的、不可再分的组成部分了,这样的角色目前是由电子这类小得多的粒子来扮演的。

当他放下讲稿,再一次往窗外看去的时候,外面的景色已经大大改变了。电线杆一根根紧靠在一起,像是一排篱笆,而树木都戴着狭狭的树冠,一棵棵都像意大利丝柏那样瘦长。在他对面坐着他朝思暮想的那位老朋友——教授,也正兴致勃勃地看着窗外。教授大概是在汤普金斯先生专心阅读的时候进来的吧!

但是,汤普金斯先生注意到,在原来那个撞击方向上,台球的流量最大。

“把物质的基本组成粒子看做是物体可分性的最后一级的想法,可以追溯到公元前4世纪的古希腊哲学家德谟克利特。德谟克利特在思考事物隐蔽的本性时,碰到了物质结构的问题,他不能不问道:物质到底是不是可以分成无限小的组成部分?由于在那个时代,人们除了靠纯思维的方式以外,通常不用其他方法去解决任何问题,加以这个问题在当时也无法用实验方法去解决,德谟克利特就只好在他自己的思想深处去寻找正确的答案。他根据某些费解的哲学上的考虑,最后作出结论说,物质可以无限制地分成越来越小的组成部分这件事,是‘不可思议的’,因此,必须假定存在着一种‘不可再分的最小粒子’。他把这种粒子命名为‘原子’,你们大概已经知道,这个词在希腊文中的原意就是‘不可再分的东西’。

“我们现在是在相对论的领域里了,”汤普金斯先生说,“不是吗?”

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“我不想贬低德谟克利特在推动自然科学前进方面的巨大贡献,但是大家应该记住,当时除了德谟克利特及其追随者以外,无疑还有另一个古希腊哲学学派,这个学派的信徒坚持说,物质的分解过程可以毫无限制地一直进行下去。这样一来,不管将来精密科学会给出什么样的答案,古希腊的哲学都将在物理学史中牢牢地占有一个体面的地位。在德谟克利特那个时代和以后的许多世纪内,关于存在着这种不可再分的物质组成部分的概念,始终是一个纯粹的哲学假说,一直到了19世纪,科学家们才断定说,他们终于找到了2000多年前那位古希腊哲学家所预言的那种不可再分的物质基础。

“是的,”教授感慨地说,“你很熟悉这个地方吗?”

“事实上,英国化学家道尔顿在1808年就已指出,化合物各个成分的比例……”

“这个地方我已经来过一回了,不过,那一回我没有同你一起旅行的幸运。”

几乎从演讲一开始,汤普金斯先生就感到一种不可抗拒的、想闭上眼睛把整个演讲会睡过去的愿望,只不过是木板凳那种学院式的坚硬性使他没能这样做而已。现在,道尔顿关于倍比定律的想法使他抓到了最后一根救命稻草,于是,安静的大厅很快就弥漫着来自汤普金斯先生所坐那个角落的轻快的鼾声。

“这么说,你是个物理学家——一位相对论专家了?”教授问道。

当汤普金斯先生进入梦境的时候,那条硬板凳的不舒适性似乎化成了在空中漂浮的那种轻飘飘的愉快感。当他睁开眼睛的时候,他惊讶地发现自己正在以一种他认为是相当莽撞的速度在空间疾飞。他从周围看到,他并不是一个人在作这种荒唐的飞行。他旁边还有许多模糊不清的人形在围绕着人群正当中一个巨大的、看来很重的物体旋转。这些奇异的人形成对地穿过空间,很快乐地沿着圆形或椭圆形的轨道互相追逐。在行进中,每一对的一个成员朝着一个方向旋转,而他的同伴则朝着相反的方向旋转。在汤普金斯先生看来,他们似乎在跳着维也纳华尔兹舞。汤普金斯先生突然感到很孤独,因为他是这整群人当中惟一没有游伴的人。

“啊,不是的!”汤普金斯先生有点慌张地声明说:“我才刚刚开始在学相对论,到目前为止,我只听过一次演讲。”

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“这也很好嘛,什么时候开始都不算晚。那是个很迷人的课题啊!那么,你是在哪里学的呢?”

“在大学里。我听的就是你的演讲。”

“我的演讲?”教授喊了起来。他认真地看着汤普金斯先生,然后露出了一丝赏识的微笑。“对了,你是那个迟到而坐在后排的人!我想起来了。怪不得我觉得你有些面熟。”

“我希望我没有扰乱……”汤普金斯先生带着歉意含糊地说。他真希望这位目光敏锐的教授没有注意到他后来在听演讲时睡着了。

“不,不,这没有什么。”这是教授的回答。“人们总是这样的。”

汤普金斯先生犹豫了一会儿,然后鼓起勇气说:“我实在不想硬缠着你,不过,我不知道是不是可以问你一个问题——只是一个小问题?上次在这里的时候,我碰上一位火车司机,他坚持说,车上的乘客比住在城里的居民老得慢的原因,全都在于火车不断开开停停。我不明白……”

教授想了一下,然后开始说:“如果两个人都处在匀速相对运动中,那么。其中每一个人都认为另一个人会老得比他自己慢——这是相对论的时间延长效应。火车上的乘客会认为车站上的售票员老得比他慢一些,同样,售票员也会作出结论说,老得比较慢的不是别人,而是车上的乘客。”

“但是,他们不可能都是对的呀,”汤普金斯先生提出了异议。

“为什么不可能呢?从他们各自的观点来看,他们双方都是对的。”

“那么,到底谁是真对呢?”汤普金斯先生打破沙锅问到底。

“你不能这样笼统地提问题。在相对论中,你的观察结果总是要牵涉到一个特定的观察者——一个相对于所要观察的事物进行一定运动的观察者。”

“可是我们知道,确实是车上乘客看起来比售票员年轻啊——这是个无法回避的事实嘛。”接着,汤普金斯先生便描述了他上次碰到那位经常外出的绅士和他的孙女的情形。

“好了,好了!”教授有点不耐烦地打断他的话。“这正好是双生子佯谬的重演。你大概还记得,我在第一次演讲中谈到过这个问题。那位祖父经常受到加速;同他的孙女不一样,他没有保持恒定的匀速运动状态。所以,正是她能够正确地指望当她祖父回到家里,可以面对面地进行比较时,他会显得比她更年轻。”

“我想起来了,”汤普金斯先生同意了。“可是,我还是不明白这是怎么回事。那位孙女可以利用相对论的时间延长效应来解释为什么她祖父比她年轻,这是没有问题的。对于怎样去认识他的孙女比他更老这件事,那位祖父难道不会感到为难吗?他怎么解释这件事呢?“

“哦,”教授回答道,“但是,这个问题我已经在第二次演讲中讨论过了,你还记得吗?”

这时汤普金斯先生只好说明他是怎么漏过那次演讲的,并且正想努力通过阅读讲稿把它补回来。

“我明白了。”教授扼要地说,“好吧,我就这样把它归纳一下:为了使那位祖父能够理解所发生的事,他必须考虑到在他改变他的运动状态时在他孙女身上会发生什么事。”

“那是什么事呢?”汤普金斯先生问道。

“听着,当他以匀速前进时,他的孙女老得比较慢,这是一般的时间延长。但是,一旦司机扳动制动阀,或者后来在回程中进行加速,那就会对他孙女的老化过程产生正好相反的效果:在那位祖父看来,孙女的老化过程正在加快进行。正是在这些短暂的非匀速运动的时间内,她的衰老行程超过了她的祖父。因此,即使她当时认为她在家里匀速地围着锅台转时,她的老化速度一般会比较慢,但他回家时产生的净效果却是他应该预料到她会比他更老——而这正是他回家后看到的情形。”

“多么不可思议啊!”汤普金斯先生感叹说。“不过,关于这一点,科学家们有没有什么证据?有没有什么实验表明确实发生了这种不同的老化过程呢?”

“当然有啦。在我的第一次演讲里,我提到过在日内瓦的欧洲核子研究中心实验室里,那环绕空心轮胎回旋的不稳定μ子。由于它们的速度接近于光速,它们在衰变前的寿命要比实验室中静止不动的μ子长30倍。这种运动着的μ子就像是那位祖父,它们在完成一圈圈短程的旅行,并且受到驱动它们前进和把它们带回出发点所需要的力的作用。而静止不动的μ子却像是那位孙女,它们以正常的速度老化,因而比那些运动着的μ子更早地发生衰变——或者说更早地死亡。

“事实上,还有另一种检验方法,那是一种间接方法。

“其实在非匀速运动的系统中所存在的条件,和一个非常大的引力的作用结果,是十分相似的——也许,我应该说它们是完全相同的。你可能已经注意到,当你乘电梯很快地加速向上升的时候,你就觉得你自己似乎变得重一些;相反,如果电梯在往下降,你就觉得自己好像失去了重力(要是系住电梯的钢绳断了,你会认识得更清楚)。这件事的解释是:对于地球的重力还要加上或扣去加速度所产生的引力场。在加速度与引力之间的这种等效关系,意味着我们可以通过考察引力对时间所产生的效应,去研究加速度所产生的效应。已经发现,地球的引力会使处在高塔塔顶的原子比塔底的原子振动得更快。这正好是爱因斯坦所预言的加速度应该产生的效应。”

汤普金斯先生皱着眉头。他看不出塔顶原子的加速振动同那位孙女的加速老化有什么关系。教授注意到他的困惑,便继续说下去。

“设想你从塔底向上观察塔顶发生的这种加速原子振动吧。这时,你一直在受到一种外力的作用:为了抵消地心引力的作用,地板一直在向上推着你。正是这个向上的力参加作用的事实,加快了被向上推的物体的时间进程。塔顶的原子离开你越远,你同这些原子之间的所谓引力势差就越大,而这又意味着,比起那些同你一起呆在塔底的原子来,塔顶的原子会振动得更快。

“同样地,如果你在这列火车上受到某种外力的作用……”教授中断了一会儿,“事实上,我相信我们的速度正在慢下来,司机已经在使用制动阀了。妙极了,就在这个时候,你座椅的靠背正在对你施加一个力,让你的速度发生变化。这是一种朝向火车后面的作用。在发生这种作用的时候,一切物体上顺着这个方向发生的时间过程都会变得更快。要是你说的那位孙女就在那里的话,她身上也会发生这种情形。”

“现在我们是到哪里了?”他望着窗外问道。

火车这时正在一个乡村小站的月台旁边驶过。月台上几乎是空的,只有站长和一个远远坐在送行李的手推车上看报的年轻搬运工人。突然,站长双手向天举起,然后一下子扑倒在地上。汤普金斯先生没有听到枪声,它大概是被火车的噪声淹没了,但是,从站长身体流出的一大滩血,已经把事情摆得一清二楚。教授马上扳下紧急刹车阀,火车猛地一跳便停下了。当他们走出车厢的时候,那个年轻的搬运工人正在向尸体跑去,拾起一把手枪,这时,有一个乡村警察也正在向出事地点赶来。

“子弹从心脏穿过,”警察检查尸体以后说道,同时把一只大手按在搬运工人肩上,继续说,“我现在宣布逮捕你这个杀害站长的凶手。把枪交出来。”

搬运工人惊恐地望着枪。“那不是我的枪。”他喊了起来,“我是刚刚把它拾起来的,我当时正在看报,听到枪声,我就跑过来,看到枪在地上。它一定是凶手逃跑时扔下的。”

“多么动听的故事啊!”警察说。

“我告诉你,”搬运工人坚持说,“我没有杀他。我干吗要对老站长做那种事呢……”他看看四周,然后指着汤普金斯先生和教授说,“从火车上下来的这两位先生,大概什么全看到了,他们可以证明,我是无罪的。”

“是的,”汤普金斯先生说,“我亲眼看见,当站长被枪杀的时候,这个人正在看报,当时他手上并没有枪。我可以凭《圣经》起誓。”

“但是,你当时是在一列正在行驶的火车上,”警察用权威的声调说,“这样,你所看见的事情,就什么也证明不了。因为从月台上看,这个人在那个瞬间可能正好在开枪,难道你不知道,两件事是不是同时发生,这取决于你从哪一个系统观察问题吗?乖乖地走吧。”他转向那个搬运工人说。

“对不起,警察先生,”教授插了进来,“可是,你完全错了。我不认为,到了警察总局,他们也会像你这样疏忽。当然罗,在你们国家里,同时性这个概念确实是高度相对的。再说,在不同地点所发生的两个事件是不是可能同时,也确实取决于观察者的运动状态。但是,即使在你们国家里,也没有一个人能够看到后果发生在起因之前。你永远不能在一封电报还没有发出的时候,就收到这封电报,不是吗?难道你能够在打开酒瓶以前,就把瓶里的酒喝下去?而目前的事实是:我们是在看到站长倒下去以后,才看见这个工人拾起那把枪的。按照我的理解,你大概是认为由于火车在运动,我们有可能先看见站长挨了一枪倒下去,然后再看到凶手开枪把他打死。但是,尊敬的警察先生,我必须指出,这是完全不可能的,哪怕是在你们这个国家里也不例外。我知道,在警察部队里,人们要你只相信训令上所写的东西,你要是看看训令手册,也许你能找到一些有关目前情况的说明。”

教授说话的权威语气深深打动了那个警察,于是,他拿出袖珍训令手册,开始缓慢地一段段找下去。不久,在他那宽大的红脸上展现了一个不好意思的笑容。

“这就是了,”他说,“第37节第12款第5条:‘如有确凿证据证明在犯罪瞬时或在时间间隔上±d/c内(c是天然速度极限,d是离开犯罪地点的距离),有人看见某嫌疑犯在作另一件事,则不论证据是否来自运动系统,均应认为是对该犯当时不在犯罪之完善证明。”

“你自由了,好小子。”他对那个搬运工人说。然后转向教授:“太感谢你了,先生,要不然,我在总局会碰到麻烦的。我刚当警察不久,这些条文我还不大熟悉。但是,不管怎样,我总得把这个凶杀案报告上去啊。”说着,他走过去打电话。”过了一会儿,他从月台那边喊道:“现在一切都解决了!他们已经在真正的凶手跑出车站的时候把他捉起来了,再一次谢谢你!”

“我大概是太笨了,”汤普金斯先生说,这时火车正在重新开动,“不过,你们关于同时不同时的这一大堆讨论,到底是怎么回事呢?难道在这个国家里,同时性真的没有任何意义吗?”

“确实是这样,”这是他所得到的回答,“但这种说法只有一定的适用范围,要不然,我就根本无法帮助那个搬运工人了。你知道,任何物体的运动或任何信号的传播都存在着一个天然速度极限这一事实,使得同时性这个词失去了它普通字面上的意义。这一点,通过下面的例子,你会更容易明白一些。假定你有个朋友住在很远的一个城里,你通过写信同他保持联系,并且飞机是最快的交通工具,航空信要跑3天才能从你住的城市到达他住的城市。现在再假定你在星期天出了一件事,并且你知道,同样的事也要降临到你的朋友头上。很明显,在星期三以前,你是无法让他知道这一点的。从另一方面说,如果他提前知道你要出这件事,那么,他能够事先通知你的最晚的时间,是上一个星期四。这样,从上一个星期四到下一个星期三这6天里,你的朋友既不能影响你星期天的遭遇,也无法得知你是不是出了事。因此,从因果关系的角度来看,可以说,他有6天同你断绝了联系。”

“那么,电子邮件是干什么用的呢?”汤普金斯先生指出。

“不过,我已经假定飞机的速度是最大的可能速度了,而这一点在目前这个国度里是大致正确的。在我们的老家,光速是最大的速度,不管你发送什么信号,也不能比用无线电送得快。”

“但是,”汤普金斯先生说,“就算飞机的速度是无法超越的,它与同时性又有什么关系呢?我的朋友和我自己,不是仍旧同时在吃我们星期天的晚饭吗?”

“不,在这种情况下,你这种说法是没有任何意义的;有的观察者会同意你的说法。但是,如果有些观察者是从不同的飞机上进行观察,他们就会坚持说,当你在吃星期天的晚饭时,你的朋友正在吃星期二的早饭或是星期五的午饭。但是,在3天以外,谁也没有办法观察到你和你的朋友在同时吃东西了。”

“但是,这怎么可能呢?”汤普金斯先生不相信地喊道。

“这是很简单的事。也许,你已经从我的演讲里注意到这一点了:从不同的运动系统观察到的速度上限,必定是完全相同的。如果我们承认这一点,我们就应该作出结论说……”

但是,由于火车已经到达汤普金斯先生该下车的那一站,这番谈话便被打断了。

汤普金斯来到海边的那个早上,当他下楼到旅馆那个长长的玻璃走廊里去吃早饭的时候,一桩意外的事情正在等着他哩。在对面角落那张餐桌边,坐着老教授和一个漂亮的女人。那个女人很引人注目,身材娇小,举止文雅,在说话和笑的时候,总要用她那纤长的手指做些颇有表情的手势。汤普金斯先生估摸她大概刚刚30出头——可能比他自己小几岁。他想不出为什么这样一个年轻女人会看中像教授那样的老头。

这时,她不经意地朝着他的方向瞟了一眼。他还没有来得及把目光移开,她就已经发现他在盯着她了,这使他觉得十分狼狈。不过,她只是很有礼貌地对他笑了笑,便立即转向她的同伴。而教授刚才也随着她望了过来,现在正认真地审视着汤普金斯先生。当他们的目光碰到一起时,他滑稽地点了点头,似乎是在说:“难道我不知道你是从哪里钻出来的吗?”

汤普金斯先生觉得最好还是过去自我介绍一下。第二次向别人介绍自己当然是十分可笑的,可是,他现在已经意识到,昨天在火车上的相遇只不过是一场梦而已。这时,教授很热情地邀请他换个桌子,同他们一起进餐。

“顺便介绍一下,这是我的女儿慕德。”他说。

“你的女儿!”汤普金斯先生喊了起来。“啊!”

“有什么不对头吗?”教授问道。

“没——没有,”汤普金斯先生结结巴巴他说:“没有,当然没有。很高兴认识你,慕德!”

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