狭义相对论部分：（7）伽利略变换和洛伦兹变换

    参考《相对论百问》第8页 7、什么是洛伦兹变换，它与伽利略变换有何不同？

        洛伦兹变换经常被一些人挂在嘴边，仿佛洛伦兹变换有神奇魔法，只要提到洛伦兹变换，时间、空间、物质这些自然界中最的基本的东西都可以随意变化无穷。

        其实伽利略变换也好，洛伦兹变换也好，都是人们创造出来的概念，物质世界中存在的东西怎么能随着人的想法而任意扩大和缩小呢？为了使人们能更好的理解伽利略变换和洛伦兹变换来龙去脉，我们不妨也像爱因斯坦一样臆想一个故事来说明。

       人终归要到另一个世界去，物理学家们当然也不例外。不过在天国的物理学家们有时能常在一起谈论物理学，俗话说“江山易改禀性难移”，科学家们对问题的争论仍然像在地球时一样，往往为了一些问题而争得面红耳赤。

        一天科学家们在一起闲聊，恰巧一列高速列车从他们的酒吧的对面开过去了。

        伽利略自言自语说：“无论行进中的火车速度有多快，运动的火车其长度和它在静止情况下的长度应该相同。”

        洛伦兹听到后笑了：“我可不那么想，我认为在火车静止时的长度叫静止长度，当火车运动时候的长度运动长度，只要火车运动其长度就要发生收缩，当火车的运动速度达到光速的时候，火车的长度应该收缩为0。”

伽利略觉得有些好笑，却又不好表现出来，他把脸转过来看着洛伦兹：“物体运动长度能自动收缩？闻所未闻，何来之理呀？”

        洛伦兹一听兴致来了：“这可是我用数年的时间钻研所得到的，这源于迈克耳逊先生对以太的实验，根据以太的存在和对实验结果的分析，我发现了运动着的物体长度会发生收缩！人们习惯称之为洛伦兹收缩。”

        迈克耳逊在旁边听到后却毫不客气的说：“我和莫罗一起做的那个光以太实验已经证明了以太不存在，这个结果也得到了爱因斯坦博士的认可，您的理论根据已经没有了，怎么还能有洛伦兹收缩呢？皮之不在毛焉能存？”

        伽利略边摇头边问洛伦兹：“你说的长度收缩是物理上的物体长度收缩，还是量尺上的显示收缩而实际物体的长度并没有收缩呢？”

        洛伦兹回答“当然是物体在长度上的实质性的收缩。”

        伽利略终于忍不住哈哈大笑起来：“物体没有外力怎么能被压缩，压缩之后要改变内部结构，倒退一步，就算快速运动的车和车上的东西可以收缩，那车上的人都变成相片啦，车上人还能活吗？”

        洛伦兹也觉得这也是个问题，正在寻思着如何解释，爱因斯坦突然站了起来，咳嗽一声道：

       “洛伦兹先生的解释的确存在着问题，在相对论看来物体长度收缩是两个相对运动的两个参照系间的效应，这种观察是相对的，并非物体真正被压扁了。你看，洛伦兹变换和您的伽利略变换的形式是完全相同的，只不过是洛伦兹变换比您的伽利略变换只多了一个收缩因子，所以您的伽利略变换仅适用低速运动，而高速运动的条件下，必须要洛伦兹先生的洛伦兹变换来解释！确切的说，洛伦兹收缩的效应是存在的，但是这是一种空间效应！”爱因斯坦说完后还习惯的点点头并微笑着。

        洛伦兹一听急的也站了起来，“你的相对论说什么空间收缩？真是奇谈怪论！宇宙空间中除了天体之外就是无处不在的以太，以太虽然非常稀薄，但是以太是绝对静止的，所以不能收缩，因此充满以太的空间也是不能收缩的！”

        没等爱因斯坦回答，伽利略也站立起来气愤的说：“你搞没搞错呀，坐标系是笛卡儿发明的，我25岁就成了比萨大学的教授，那时迪卡儿还是负7岁，我画的图只标有A、B、C、D，我还纳闷哪里来的伽利略变换呢？有人把x、y、z，写成x=x’、y=y’、z=z’，就以为是变换了。我认为，一个点在不同的坐标系中，由于相对于O点的位置不同，只不过是写成的x坐标的数值不同，或者说从一个坐标系转换到另一个坐标系，它们的x轴数值发生变化，而x、y、z轴都没有发生变化，同类之间叫转换，怎么能叫变换呢？科学的东西必须是简洁的，不知道是谁发明了“伽利略变换”这个游戏，我看是有人打着我的旗号在骗人，趁机乱中取胜。”

        伽利略直盯着爱因斯坦说：“明明我和洛伦兹都在地球这个参照系中看到列车在运动，洛伦兹硬说列车的长度发生收缩，他解释不了原因，你也拿“伽利略变换和洛伦兹变换”说事！本来我们坐在这里喝咖啡，用一个参照系可以观察整个世界。那边来了一个列车，你把一个参照系分成两个，分成两个参照系就有空间效应啦？本来是一个参照系里的东西不用洛伦兹变换，也能观察到列车的运动，难道不可以吗吗？

        爱因斯坦忙说：“这要说起来话可就长了，要说相对论么，马赫和洛伦兹都是相对论的先驱，有了马赫先生对相对运动的深刻认识和洛伦兹先生的洛伦兹变换，已经具备了产生相对论的大条件，若不是我提出相对论，也会有别人提出相对论的。当然我提出了两个假设开创了相对论，光速不变原理是我独立提出的，相对性原理是我在伽利略的相对性原理之上进一步发展得来的。”

        伽利略马上接过来问：“我在《对话》一书写的是在惯性运动的情况下，用力学试验是不能区分大船在运动或停止。这些实验说明在惯性运动的情况下是不能区分物体本身运动的快慢，如果有高速惯性系和低速惯性系的区分，你的平权概念哪里来的呢？运动速度快的是特殊惯性系吗？有些人把我的相对性原理乱用、任意发挥，真是是可忍孰不可忍。”

       洛伦兹也接着说：“我根本不承认相对论，我也不当那个相对论先驱，洛伦兹收缩的性质是物理收缩，与你的“钟慢尺缩”概念不同，来历不同。洛伦兹收缩和洛伦兹变换是我的专利，你说我解释的不对，我的东西我解释的不对，谁解释的对？既然到现在你还说我的洛伦兹收缩有问题，为什么在你的《狭义与广义相对论浅说》一书中还用我的洛伦兹收缩和洛伦兹变换呢？物理学是研究实在的东西，而你在研究虚的东西，结果让你们搞得云山雾罩、虚无缥缈，乱七八糟。”

        伽利略清了清嗓子“嗨！都是你那个洛伦兹收缩惹的祸，物质、空间和时间到底是什么，收缩和膨胀的机理是什么？什么也说不清楚的情况下，就随便下结论。而你，爱因斯坦要搞清楚运动的概念，相对运动的速度只有一个，而且这个速度对于相对运动的双方都是唯一的，速度若能产生什么效应，对于相对运动的双方也应该是平权的，要么都收缩，要么都膨胀，凭什么一个物体长度不变，而另一个物体长度收缩？我看你们俩人不要争论什么物体收缩或空间收缩，问题在于那个收缩是否存在。现在以太也没有了，时钟快慢与时间本身也没有什么关系，钟慢何以必然尺缩？无论是“洛伦兹收缩”还是“钟慢尺缩”只能是无中生有。”

        爱因斯坦笑了，“这也是研究科学的一种方法，古有亚里士多德的地心说，现在有霍金果壳里的宇宙，科学家们需要的是大胆的想象，我认为人应该有独立的思想，博学则次之。相对论的建立方法可比他们那些理论的建立方法科学多了，我用假设在数学中推导就能得到科学理论，科学的东西必须用数学来表示，在数学中得到的东西也必然是科学的东西。如果不相信那么你就想办法去验证，你不能用实验证明我是错的，那么我就是对的！相对论100多年来谁也否认不了，就是说相对论经过100年的时间证明是对的！

        伽利略气的瞪大了眼睛，一句话也说不出来，愤然而起拂袖而去。