第一章　子非鱼思想

理解相对论的关键在于换位思考，就是要理解不同观察者对同一事物的观察结果是有差别的，我们把它叫作子非鱼思想。

《庄子·秋水》中有一段很有意思的对话：庄子与惠子游于濠梁之上。庄子曰：“鲦鱼出游从容，是鱼之乐也。”惠子曰：“子非鱼，安知鱼之乐？”庄子曰：“子非我，安知我不知鱼之乐？”惠子曰：“我非子，固不知子矣；子固非鱼也，子之不知鱼之乐，全矣。”庄子曰：“请循其本。子曰‘汝安知鱼乐’云者，既已知吾知之而问我。我知之濠上也。”这段话的大意是：庄子和惠施在濠水的一座桥上散步。庄子看着水里的鲦鱼说：“鲦鱼在水里游得从容自在，它们真是快乐啊。”惠子说：“你又不是鱼，怎么会知道鱼的快乐呢？”庄子说：“你不是我，怎么知道我不知道鱼的快乐呢？”惠子说：“我不是你，所以不知道你；但你也不是鱼，因此你也无法知道鱼是不是快乐。”庄子说：“请回到我们开头的话题。你问‘你怎么知道鱼快乐’这句话，这就表示你已经肯定了我知道鱼快不快乐。我是在濠水的桥上知道的。”

这就是著名的濠梁之辩。惠子的推理体现了严密的逻辑思维，而庄子则在无可辩驳之处灵活巧妙地转换了话题，飘然而过，体现了逍遥游的自由境界，这段对话历来为人们所津津乐道。

这场辩论看起来是庄子赢了，但是这种胜利使得古人对事物的探究陷入所谓文字的智慧和哲学的思辨，而失去了科学的精神。蔡元培说过：“我国从前无所谓科学，无所谓美术，惟用哲学以推测一切事物，往往各家玄想独断。”这种思辨和争论没有科学的标准，只要双方愿意，可以一直继续辩论下去，往往是后息者为胜，能言善辩者具有优势。

如果庄子和惠子换一种说话的方式，就不会发生争论，皆大欢喜了：“你看那些鱼儿，我觉得它们游得好快乐啊！你觉得呢？”“我觉得它们游得有些忧伤。”“那是你自己有些忧伤吧，哈哈！”陈述观察状态的时候加上观察者是客观、尊重别人的做法，因为别人的观察结果未必和你一样，把个人的观点强加于别人是对别人的不尊重。要是人人都能独立思考，尊重理解对方，不把个人意愿强加于别人，那么世界上会减少很多的矛盾与冲突！

母亲为女儿的假期报满了辅导班，女儿生气地说：“为什么你说什么就是什么？也不问一下我的意见！”我们的老师和家长担心孩子走弯路、犯错误，往往代替孩子思考，把自己认为正确的东西强加于孩子，让孩子接受。这对孩子是一种不尊重，同时扼杀了孩子独立思考的机会，很自然地会招来反抗。没有人是可以代替别人思考的，你认为正确的经验对别人不一定是正确的或者合适的，即使对别人是正确的你也不能左右对方是否接受。

莎士比亚说过：一千个读者就有一千个哈姆雷特。对于同一个事物，不同的观察者由于观察的角度不同，完全有可能得到不同的观察结果。“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中。”苏轼《题西林壁》一诗表明由于人的观察角度局限，对事物的认识具有片面性。即使是同一个人的两只眼睛，同时看到的图像也是有区别的。如果有人把自己的观察结果或者推断当作是绝对的，进而想要其他人接受，那么就可能会发生冲突。有一幅著名的“青蛙与马”图画（见图1-2），两个人从相差90度的不同角度观察，一个人看到的是青蛙，而另一个人看到的则是马。如果这两个人都不肯改变观察的角度，坚持认为自己看到的是对的，那么谁也说服不了谁，都成了不识庐山真面目的山中人。我们要学会换位思考，换一个角度看问题，才能够全面、正确地获得知识。

不同观察者的经验存在差别，在承认差别的基础上才能建立共同的知识。爱因斯坦在《相对论的意义》中有一段话说道：“各人在一定的程度上能用语言来比较彼此的经验。于是就出现各个人的某些感觉是彼此一致的，而对于另一些感觉，却不能建立起这样的一致性。我们惯于把各人共同的，因而多少是非个人特有的感觉当作真实的感觉。自然科学，特别是其中最基本的物理学，就是研究这样的感觉。”

有很多例子可以用来说明不同观察者之间或者相对不同参考物的观察结果之间存在差异。

乞力马扎罗山是非洲最高的山脉，位于赤道以南300多千米。如果问乞力马扎罗山位于赤道的左边还是右边，那么不同的人就会有不同的答案。站在赤道上，面朝东方的人会说在右边，面朝西方的人会说在左边。如果不确定观察者的具体朝向，就无法回答这个问题。

飞机投弹时，飞机上的飞行员看到航弹直线向下降落，地面上的观察者看到的航弹却是沿着一条抛物线落下（见图1-3）。可见不同观察者对同一运动目标观察结果的描述差别会很大。如果不指明观察者或者参考系而单纯地描述运动是没有意义的。

一列火车以每小时150千米的速度离开地面观察者远去，火车上的喇叭在播放一首A大调音乐（主音频率440 Hz），地面上的观察者听到的音乐频率却变低了，变成了一首G大调音乐（主音频率392 Hz）（见图1-4）。这种声源运动时频率发生变化的现象叫多普勒效应。

人类已经发射了多个探测器登陆到火星上。2012年8月，美国宇航局（NASA）发射的火星科学实验室好奇号探测器成功降落火星（“好奇号”名称是由当时读小学6年级的12岁华裔女生马天琪所起）。好奇号发现火星土壤含有丰富水分，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。火星是人类外星移民的首选地点。NASA计划2030年执行载人登陆火星任务。美国女孩卡森从4岁开始被美国宇航局选中接受系统的宇航员培训，可能将成为人类历史上首位踏上火星的宇航员。如果地球上的科学家A和火星上的宇航员B通过望远镜互相观测对方（见图1-5及彩插），他们的时钟事先已经校准好了，假设他们都能够看得清对方的时钟，就会发现对方的钟比自己的钟慢了。火星与地球最近距离约5460万千米，在最近距离处光线在火星与地球之间传播约需要经过3分钟。A觉得B的钟比自己的钟慢了3分钟；B觉得A的钟比自己的钟慢了3分钟。如果A坚持自己的钟是准确的而强制要求B把钟拨前3分钟，那么B观察A的钟会慢了6分钟，两人不可能真正对准。因此双方只能使用各自的时钟，并且接受对方的时钟与自己的时钟不一样。

我们都知道速度相加的法则。一艘轮船相对岸上静止的观察者A以速度v1前进，轮船上的跑步者C相对船尾静止的观察者B以速度v2从船尾跑向船头，那么岸上的观察者A看到跑步者C的速度为v=v1+v2（见图1-6），这一点看起来好像毫无疑问，我们似乎已经习以为常。

速度相加法则来源于距离相加，如果经过一段长度为t的时间，B相对A运动的距离是s1，C相对B运动的距离是s2，那么C相对A运动的距离就是s1+s2，除以时间t，就得到速度相加公式。

用子非鱼思想来看，就会发现这一法则似乎有一点小问题。根据子非鱼思想，观察者B和A的观察结果不一定相同。B观察到C相对B的距离是s2，A观察到这一距离也是s2吗？A观察到一个过程经历的时间是t, B观察到这一过程经历的时间也是t吗？观察者B和A的观察结果是否真的不同，不同观察者观察的速度究竟是否能够直接相加，我们这里先存下疑问，到后面再研究这个问题。

子非鱼思想是一种思考问题的观念和方法，它不是一条物理学原理，但是它有助于我们树立正确的认识事物的态度，避免人们把自己片面的观察认识当作全部真理，有助于正确理解相对论。