相对论中的尺缩效应，是物体自身真的变短了吗？

“运动着的物体，其运动方向上的长度会变短”这句话经常出现在相对论科普中，虽然表述不太严谨，但作为科普来说，还是可以的，不过这也导致了一个问题：如题所言，很多朋友对这个尺缩效应感到不解，这里的变短到底是指物体真的变短了，还是测量结果变短？抑或是看上去变短了呢？

1905年，爱因斯坦在大量思考的基础上，发表了一篇名为《论动体的电动力学》的论文，这篇论文在现在看来，是属于颠覆性质的，它否定了数百年来由牛顿建立的绝对时空观，直接以光速不变作为原理，结合狭义相对性原理，给出了一个新的物理学基础框架。

理所当然的是，这篇论文一开始并不被众人接受，视为离经叛道也不为过，但幸运的是该论文深得物理大佬普朗克的喜欢，在普朗克的关爱下，爱因斯坦此后终于从一个专利局的小职员逐步走向了物理界高处，所谓伯乐识千里马也就是这般了。

在这篇论文当中，运动物体的长度会收缩是被明确表示出来的，但为了区别于一句话科普介绍，我们现在必须得介绍这个尺缩效应到底是怎么一回事。

原则上来讲，一切狭义相对论的仔细讲解，必须涉及洛伦兹变换，这是各种推论（除了尺缩效应，还有钟慢效应、质能方程等等）的数学基础，而洛伦兹变换实际上是一组数学方程，如果放到科普文中进行介绍，想必也没人会仔细看，所以我就不浪费时间了，因此大家只需记住洛伦兹变换是涉及惯性系之间时间、空间等物理量的变换公式即可。（毕竟狭义相对论的颠覆性就体现在它否定了经典时空观）

既然是惯性系之间，那么至少需要关系到两个惯性系，我们才可以谈论尺缩效应。

因此我们设计这样一个物理场景：

首先我们知道地面可以作为一个很好的惯性系，那么再假设地面上有一个沿直线匀速移动的小车，就有了第二个惯性系，并且我们在小车的车顶上粘上一把数米长的直尺（比方说两米），那么试问这把尺的长度在地面观察者的角度下有多长？在小车内部的观察者角度下又有多长？

请注意刚才那两个问句的用词，通常情况下这两个问句应该是这样问的：“直尺的长度在地面观察者看来是多长？。。。”，但我用“某某角度下”代替了“看来”一词，这样一来意思就变了，为什么呢？

我们知道，所谓“看来”，它必须涉及到事件之间的信息传递过程，比如我看见远处的霓虹灯亮了，实际上这里存在一个时间差，首先是霓虹灯亮，然后是灯光传播到你的眼睛里，最后你才能知道霓虹灯亮了。

因此这也意味着咱们看到的事物都是不及时的，但这与尺缩效应又有什么关系呢？可能有朋友会说，如果尺缩效应是指物体本身真的发生了收缩，那么即便是不及时的，那也不会对观察有什么影响啊？变短了就是变短了。

终于说到关键点了，上面那段疑问本身是没有错的，一个物体要是真的变短了，那么不管怎么看都是短的，但狭义相对论却从没说过物体本身会收缩这句话。

回到此前那个物理场景中去，狭义相对论是这样描述直尺变化的：“在地面惯性系下，由于直尺运动，因此直尺的长度收缩了。”请注意一点，一定要有在地面惯性系这个前提，直尺收缩只是建立在地面惯性系上成立的（或者说在地面参考系内，直尺变短了）。

这句话的意思很明显，告诉我们直尺的变短仅仅是一方的观点，只是地面观察者认为直尺变短了，那么小车观察者又是怎么看的呢？

答案很明确，在小车惯性系下，由于直尺并没有运动，一直保持静止状态，因此直尺的各项属性都没有发生变化，自然包括长度这一属性。

并且要记住因为小车与直尺不存在相对运动，因此小车参考系内得到的一切关于直尺的结论都代表了直尺本身的状态。也就是小车观察者的观点代表了直尺本身，可能这一点的重要性在尺缩效应里，似乎并没有显示出多大的重要性，但在钟慢效应中则特别重要。

现在我们知道了直尺的收缩并不是指直尺本身的收缩，而是相对于某个惯性系而言才成立的，既然不是本身的收缩，那么这里说某个惯性系下的收缩，到底是指何种途径下的结果呢？

对此有两种可能的途径，一种是测量途径，还有一种是视觉途径。

那么何为测量途径呢？很简单，物体在空间上是占据着一定位置的，由于物体体积不为零，因此空间占位是有很多点构成的，而我们需要知道某一时刻各点的位置，之后就能得到测量结果，比如长度。

那么何为视觉途径呢？这就更简单了，一句话：用眼睛看，通过经验或者参考物来判断，物体的长度是否发生了变化。

实际上从本质上来讲，视觉途径也是一种测量途径，但刚才我们说了，视觉途径是不及时的，因此这种测量方式的变数很多，给不了定性结论。

因此我们现在说的尺缩效应是指测量途径的结果而不是视觉结果。

那么这种测量途径具体是怎么回事呢？

日常生活中我们知道，如果想知道一个物体的长度，我们可能会拿个卷尺去拉一下，但这是建立在物体体积恒定的情况下，如果一个物体正在膨胀，那么你会怎么表达它的长度呢？你会这么说：这个物体在某一时刻时，它的长度是多少多少。（可能有些厉害的朋友还能建立一个体积同时间的方程，但这并不影响刚才表达的正确性）

请注意“某一时刻”这四个字，稍加思索，我们便可以将其转述为“同一时刻”，因此它要表达的意思正是如此，在同一时刻知道物体各点的空间位置后，就能知道长度了。而测量的精髓就是这个“同一时刻”的把握。

比如说在一个有限空间内部（空间大小已知），各点都布满了观测者，他们各自都拿着一个统一时刻的钟表，那么一个运动物体的长度就可以轻松被测量出来了。

说到这，相信不少朋友已经注意到一点，刚才提到了“同一时刻”，莫不是接下来就要说“同时的相对性”？正是如此，由于同时的相对性，物体的长度在不同参考系内的测量结果就会产生差异，这正是尺缩效应的本质所在。当然了，说是本质，但终不过是狭义相对论两大原理的衍生而已，如果有机会，大家可以找一本教材看看，不但能理解科普语句的严格含义，还能通过数学演算心服口服。

不过此篇文章还有一点没有提，那就是一直没有被重点关心的“视觉途径”，那就是尺缩效应可以被人直观的看到吗？

你是否想过，如果哪一天真空中的光速由原先的大约30万公里每秒降低到数公里乃至数百米每秒，整个世界会出现什么样的变化？

对于稍微了解相对论的朋友来说，这样的世界是让人兴奋的，因为光速的下降会使得相对论效应更容易出现，尺缩效应会在这样的世界里非常频繁的发生，但这也意味着我们会看到犹如下图所示的扁足球吗？

实际上这样的奇幻脑洞，早在上个世纪就由著名科普作家伽莫夫在他的著作《物理世界奇遇记》中生动的展现出来（实际上作家只是兼职，本职工作是一位物理学家，他是宇宙大爆炸学说的创始人之一）。

书中的主人公——汤姆金斯先生在梦中来到了一个光速远低于现实世界的城市里，他看见街道上有位年轻人在骑自行车，然而令人诧异的是年轻人和那辆自行车都非常的扁，而且车身长度随着年轻人更加卖力的骑，而变得愈发的“削瘦”。

我们知道汤姆金斯先生所遇到的怪事，在现实世界中是不可思议的（这里的不可思议是建立在不了解相对论的情况下），但如果你了解一些相对论知识之后，你就会明白所谓的不可思议其实只是存在于牛顿时空观里，因为相对论告诉我们，如果你所在的惯性参考系内出现了一个运动着的物体，那么你会测量到这个物体在它运动方向上的长度收缩（这就是尺缩效应），而收缩的程度则完全取决于物体的运动速度以及光速大小。

由于咱们的世界中，真空光速大约为30万公里每秒，这是一个非常大的数值，因此明显的尺缩效应在日常生活中几乎不存在，然而汤姆金斯先生来到的世界里，光速非常的低，发生尺缩效应的难度也就降低了，这也就是为什么汤姆金斯先生会在街上看到那些扁车的原因。

可能说到这，大家都没觉着有什么问题，但实际上汤姆金斯先生所看到的情景并不会出现，也就是他并不会看到车身非常短的自行车，这是为什么呢？

原因倒不是说相对论错了，而是很多人都忽视了一个关键点——“我们是通过光来看见物体的”。

这句话本无可厚非，但由于现实世界中的光速实在太大，对于生活在地球上的我们来讲，周围发生的一切事件几乎都可以认为是及时的，毕竟一秒能跑七圈半赤道长度的光不是瞎闹的。然而正是这样的认知习惯使得我们在看待相对论尺缩效应这个问题上产生了一个小漏洞——忽视了光在传播过程中的耗时。

下面我将通过一个小例子来直观的告诉大家，对于运动着的物体，我们眼睛看到的长度（视觉长度）非但有可能不会缩短，甚至还可能变得更长。

比如存在一个高速运动着的正方体，它和观察者之间的距离非常远，导致正方体对观察者的张角很小（或者正方体的尺寸很小也行），使得正方体朝你发出的光线都近似平行，我们用八个字母表示正方体的八个角，如下图所示：

正方体运动方向为BC方向，向观察者发出的光线平行于EB方向。

当正方体静止时，我们只能看到正方体的正面AC，这一点是非常容易理解的；然后当正方体运动时，正方体侧面图像也可以通过光线传播给观察者，可以通过简单的数学推算出整个侧面将以多大的面积呈现在视觉形象中。（我们所看见的图像信息，都是由同一时刻抵达眼睛的光子所产生的，而由于正方体侧面的光线也可以无阻碍的传播到观察者，因此只需要一个提前量，便可使得侧面的光子在某一时刻与正面光子处于相同起跑线上）

上面这一段所讲述的内容实际上是普遍存在的，是由于光速的有限性所导致的，然而还有一点我们也不能忘记，那就是正方体运动所带来的尺缩效应，在观察者的参考系内，正方体由于长度缩短，通过测量会发现变成了一个长方体，也就是BC边长缩短了。

综合尺缩效应以及光速的有限性这两方面的因素，最终呈现的在我们眼中的视觉图像如下图所示：

我们可以发现，原本看不见的正方体侧面此时却显示在我们面前，而原本的正方体正面则是以长方形显示，通过对视觉图像中的各边长计算发现：我们所看见的图像，恰如正方体静止时，绕AB边转过一个特定角度后的视觉图像。而且整个视觉图像的边长FD要比原本的静止时的正方体边长BC还要长一些。（当然了，这并不是说所有物体的视觉图像都比原来长，这得视情况而定）

实际上上面所讲的内容正最早是由特勒尔在1959年提出，指出了尺缩效应的测量尺度和视觉尺度的区别，于是这个现象就被称为特勒尔转动。

所以说，在物理世界奇遇记中的汤姆金斯先生实际上并不能看到完全符合由尺缩效应所带来的物体尺寸，而是充满了特勒尔转动所带来的视觉景象，他眼中的城市街道应该是弯曲畸形的。

综上所述，我们可以知道：

如果光速降低，尺缩效应可以被更容易的测量到，但却并不能单纯的被人眼所看到，我们看到的只是物体或者物体的每一小块绕着自身转动后的图像，与测量到的尺缩形象在体型或细节上是不相同的。