因果关系真的存在吗?爱因斯坦和牛顿的竟然各执一词

因果这是一个“哲学”上的概念,作为科普作者,我就不扯哲学上的事情了。我用物理来解释它,因果关系,因在前,果在后,有了前后顺序就需要时间。在爱因斯坦的理论框架下,因果关系是存在的,而在牛顿框架理论下,因果关系是不存在的,而这一切的根源在于“光速不变”。

牛顿

我们都知道牛顿的经典物理学整合了开普勒与伽利略的运动理论。在牛顿的观点中,空间是无限延伸的,时间就像一把开了弓的箭,一去不回头。物体的运动速度是空间间隔与时间间隔的商,在牛顿的观点里时间与空间独立存在,互不干扰,又没有制约它的条件,所以速度是可以无限的。

伽利略变换

从伽利略的速度变换,我们可以更容易解读这个观点,c为光速,如果小明以速度0.9c,奔跑在一辆同向行驶的火车上,火车速度为0.9c,那么车站里静止不动的你看来,小明的速度是1.8c,超越了光速。(这与狭义相对论是相违背的)

如果牛顿的理论是正确的,那么在人类眼中,因果关系将不复存在,或者说会出现因果颠倒的情况。

因果关系错乱

如果小明的速度可以超越光速,假设有一个跑到,跑到终点有一个飘带,那么在终点的观察者会看到一个非常神奇的情况。小明没动,终点线的红色飘带动了。我们把这个过程还原一下:

(1)光的路线:小明起跑的瞬间的信息由光以光速传播给终点的观察员。

(2)小明的路线:同时小明以超越光速启动,因为小明速度更快,所以在小明起跑的信息到达终点之前,小明先过了终点线。

小明起跑是到达终点的因,本应该起跑在前,到达终点在后,那么此刻颠倒了。

爱因斯坦

因果关系在《狭义相对论》中并不会出现这种问题。在19世纪,麦克斯韦方程关于电磁波(光是一种电磁波)波速的解,最先出现了光速只与真空介电常数和真空磁导率有关,而这两个值是真空中电磁的一种性质,是可测量值,说明光速为常数,具有恒定性,它如同时间与空间的一把量尺,把两者组合在一起的同时也打破了牛顿的平直时空。

因为光速不变,爱因斯坦认为时间与空间不可分割,并非相对独立的。光速不变原理的意思是光速无论相对于任何观察者(静止的观察者与运动的观察者)来说,速度都是不变的。(后来也被迈克逊莫雷实验证实)

当一束光同时相对于静止在终点的观察者与0.9c的小明飞奔而过,牛顿的观点是光相对于静止观察者速度为c,相对于小明应该是0.1c(c-0.9c)。

然而因为光速不变原理,光相对小明也是c,相对观察者也是c,于是你会发现,这个事情是不存在的。不过,爱因斯坦说,这件事是存在的,只是他们不具备同时性。

所以小明1秒钟干的事情,在观众看来需要几十秒,几百秒,具体多少?(钟慢效应、时间膨胀)

爱因斯坦在考虑事态的变化时,把光速的法则考虑进去了。而洛伦兹最先从这个法则中推导出了公式:

从钟慢效应可以推导出,小明的1秒钟对于观众来说是(1/根号下0.21)秒。

而爱因斯坦把这些基于“光速不变原理”与“相对性原理”的公式整合到了《狭义相对论》中,并且基于此又推导出了著名的质能方程。不过,通过质增效应公式,可知有静态质量的物体无法达到光速。

回到最初的问题,当火车0.9c,小明0.9c,小明相对终点的速度应该利用光速法则下的洛伦兹速度变换:

可以得出小明的速度是:1.8/1.81=0.99447c,小于光速c,并非1.8c。可见在爱因斯坦的时空观中,并不会出现因果颠倒的事情。

在基于《狭义相对论》的时空光锥中,原点为现在发生的事件(因),随着纵轴时间的推移,事件未来产生的结果会应该在光锥内任意位置(果),光锥的表面为光随着时间在空间变化,也就是光速的尺度。

如果一件事在光锥之外的时空中出现,那么这件事必然跟原点没有因果关系,这就是爱因斯坦时空观中的因果关系。