菲茨杰拉德收缩

我们最好从下面的事实开始：假定你有一根以极高速运动的木棒，开始时木棒的指向与其运动方向垂直。现在把它转个直角，这样木棒就指向运动方向了，木棒便会收缩，木棒沿着运动方向的长度比横过运动方向时要短些。

这个收缩，便是著名的菲茨杰拉德收缩，在所有通常的情形下是极其微小的。这一收缩完全与棒的材料无关，而仅仅与其速度有关。例如，如果速度达到每秒钟19英里[1]——地球绕日的速度，那么长度的收缩便达到二亿分之一，或者说地球直径收缩了2.5英寸[2]。

这已由各种不同的大量实验所证实。最早也最闻名的实验是首次由迈克尔逊·莫雷于1887年所做的实验，该实验由莫雷和密勒在1905年更准确地重复过，在最近一两年中又有多个研究者开展了重复实验。我不打算再叙述这些实验了，它们只是说明如何便利地给你的木棒以太的速度的方法，就是把它放到高度围绕太阳运动的地球上来。在此我也不想讨论这些实验所提供的证据是怎样的完备，更重要的是，你们应该认识到，这一收缩确实能够从我们目前有关实体木棒的知识中预测出来。

你们也许要诧异，一根运动着的木棒仅仅由于其指向不同而能够改变尺寸，你们或者以为其大小并未改变。但诸君所想的是哪根木棒呢？请回忆我的两张桌子。假使你想到连续的物质，出于它是占据空间的物质的性质之故而在空间里延伸，那么看起来其尺寸的变化好像没有说得通的理由，但科学的木棒是一群高速冲撞而又山水相隔的带电粒子，令人惊异的是，这群带电粒子似乎倾向于保持任意有限尺度。但是，因为微粒子保持着一定的平均间隔，因而整个的体积实际上还是保持稳定的。它们相互间施加电场力，它们所充满的体积依赖于它们之间的吸引力和它们的无规则运动，驱使它们远离的力之间的平衡。当木棒发生运动时，这些电场力也会变化。运动中的电场力由电流构成，而电流会产生一个与静止电场所产生的力不同形式的力，即磁力。进而，电荷运动所产生的力沿着运动方向和横跨着运动方向，强度自然不同。

将木棒与包含其内的所有细微的电荷置于运动状态，我们便在粒子之间引入了新的磁力。显然，原来的平衡被打破了，粒子间的平均间隔必然会发生改变直至达成新的平衡，因此粒子群的延伸——棒的长度改变了。

关于菲茨杰拉德收缩，实在没什么神秘。在旧方法里面，由于木棒的实体性被描绘成占据空间的连续的物质，这种收缩是木棒非自然的性质。但是，对于由电磁力保持微妙的平衡、把任何想钻进来的东西都赶开而占据着空间的一群粒子的棒，这种收缩则是一个完全自然的性质。或者可以这样去看它：你们期望木棒保持着它的原来长度，自然要预先假定木棒受到公平的对待而没有受到任何新的压力，但是处于运动中的木棒则要受一个新的磁力的作用，这种磁力并非来自不当的外部干涉，而是其自身的电结构的必然结果，在这个磁力的作用下收缩出现了。或者你们会认为，如果木棒足够坚硬，它或许能够抵抗这一压力，非也！菲茨杰拉德收缩对于钢棍与橡皮棍都是相同的：硬度与压力与其结构关联在一起，即如果一方增大了，而其他一方也同样增大。我们必须从头脑中抛弃这一观念，即木棒不能保持一个固定的长度是由于木棒的缺陷。仅在同一个想象的没有这种电结构因而完全不是物质的“某种东西”相比较，它才是一种“缺陷”。菲茨杰拉德收缩不是一个缺陷，而是物质的固有属性，如同惯性一样。

在此，我们从物质的电结构得到一个定性的推论，应把有关的计算交给数学家得到定量的结果。这一问题大约在1900年就被洛伦茨和拉摩尔解决了，他们计算了因电荷运动的变化而产生的新的力破坏平衡之后，重新恢复平衡所要求的粒子之间平均间隔的变化。计算结果给出了精确的菲茨杰拉德收缩的量值，即上述实验中业已推断得到的量，由此，我们两条腿都稳稳地站住了。有些人因为它们具备良好的实验结果而认为结果可靠，其他的人则由于菲茨杰拉德收缩是自麦克斯韦之后所普遍接受的电磁理论体系的必然结果，这一认识而更容易说服。实验与理论两者有时都会出错，所以二者都需要。