§5-3　空间相对性

人们容易接受绝对空间大概是源于地静说时期的思想，大地永恒静止，所有物体都有固定的位置。人有一个固定位置的家，无论走过千山万水，无论走过何种路径，总能回到家里。但是在发现地球的运动之后，这正好是空间相对性的表现。所有貌似固定的位置都是相对地球的位置，再回到同一个地点时，只是相对地球的位置不变，在太阳系中已经不是原来的位置了。地动说带来的不仅是地球在动，而是无所不动，太阳系在动、银河系在动、本星系群在动、本超星系团在动，所有的物体都在动。绝对空间并不存在。所有的位置都是相对的，一个物体的位置只有相对某一个参考物或者参考系才有意义，在不同的参考系中具有不同的位置。物体在一个参考系中静止在另一个参考系中却是运动的，静止只具有相对意义。

在绝对时空观里，从不同的惯性系观察，同一个物体的大小尺寸是不变的，那就是绝对的大小，或者说绝对静止参考系里的大小。但是绝对空间是不存在的，根据子非鱼思想，不同的惯性系里对同一物体的观察结果是有差别的，其大小长短不一定相同。

我们在观察物体的时候，会有近大远小的现象，同样大小的两个物体，近的看起来比远的要大些。两个身高相等的人离开一定距离互相观察，都会觉得对方比自己矮。这种观察结果的差异可以通过几何学来纠正，我们现在把它当作一种错觉。这种错觉给我们一个启示，大小的相对关系可能并不是绝对的，A, B两个物体在一个参考系里观察可能A比B大，但是在另一个参考系里却是B比A大（见图5-18）。

图5-18　高矮相对性

大小关系是重要的，动物会根据对手的个头大还是小来决定进攻或者逃跑。在电影《上帝也疯狂2》中，非洲小孩就通过举起树皮让自己显得高一些来吓退鬣狗的进攻（见图5-19）。

图5-19　非洲小孩与鬣狗比高

我们观察静止在公路上的汽车时，无论是肉眼还是照相观察，都是单点快照的方式，观察到汽车各部分的位置是视觉位置。虽然同时观察到的汽车各部位分别来自不同的时间，但由于汽车静止，各部位的位置没有发生变化，所以我们观察到汽车的长度是真实的长度。

如图5-20所示，假设汽车位于x坐标轴上，我们在时刻t观察到车尾的位置是x1，车头的位置是x2，观察到车尾的时钟指示为t1，车头的时钟指示为t2。尽管观察到的车头来自于更早的时间，t2＜t1，但是由于汽车静止，车头到了t1时刻位置还是在x2处保持不变，因此汽车的真实长度x2-x1保持不变。

图5-20　动车不知长

如果汽车在公路上向前运动，那么x2-x1就不能代表汽车的真实长度，车头在t1时刻比t2时刻往前走了，应该处于比x2更前方的位置，因此汽车的真实长度应该大于x2-x1，我们观察到的汽车长度缩短了。如果我们能够预测车头在t1时刻的位置，就可以计算出运动汽车的真实长度。但如果汽车做变速运动，位置无法预测，我们通过这种观察实际上不能知道汽车的真实长度。

那么我们采用分布式快照的方式，在公路沿途布满微型相机，对汽车的各个位置零距离同时拍照，没有时间延迟，总能拍下汽车的真实长度了吧？这样消除了光线传输延迟的影响，拍下了车头和车尾在公路参考系中同一时刻的真实位置，那么观察到车身的长度也应该是真实的长度吧？但是我们在上一节图5-17部分揭示的情形中看到，虽然在公路参考系里是同时拍的快照，但是拍到汽车上的时钟仍然并不同时，拍到车头处的时钟时间要早于车尾处的时钟时间。车头仍然需要再前进一段时间才能达到车尾所指示的时间，这意味着公路参考系里拍到的车身长度还是比静止的汽车长度缩短了（见图5-21）。

图5-21　运动汽车长度缩短

这里不存在时间延迟的效应，车头和车尾的位置在公路参考系里是严格同时的。运动汽车的车身长度发生了缩短，这正是相对时空观里空间相对性的表现。在相对时空观里，不同惯性系中的空间也是相对的，空间的距离和物体的长度都不是绝对不变的。在一个惯性系中观察运动的物体，物体的长度会发生变化。我们在下一章将会给出准确的结果。