相对论：一定是有趣的

水滴

曾经有人问爱因斯坦，什么是相对论。爱因斯坦答道：当你夏天坐在火炉旁边，感觉1分钟如同2小时之长；而当你坐在美女旁边，则感觉2小时只有1分钟之短，这就是相对论。

虽然这是一则幽默，但却很形象地、有趣地帮助我们理解相对论中时间的相对性。相对论并非高处不胜寒，我们手机中的卫星时间、核能发电都离不开相对论。相对论反而是新奇有趣的，是因为它给出了完全不同的、梦幻般的时空理念。

  

一、相对论主要内容

提起相对论，默认是指爱因斯坦的相对论，创立于1905年-1915年，包含狭义相对论和广义相对论两大部分。也许让人不解的是，早在300多年前，伽利略不就提出了运动的相对性吗？

的确，仅从文字上看，此两个相对性具有同义和共性，都指物质运动是相对的。比如，你对我是运动的，那么我对你也是运动的，二者完全等同，任何一方均无优劣。但伽利略相对性只适用于力学运动，通过日常经验容易获得理解，而爱因斯坦相对性扩展到整个物理学领域，连时间、空间、质量都是相对的、可变的，彻底颠覆了人类的思想认知，还成功预言了光线弯曲、引力波等重大问题，这就是爱因斯坦成为迄今最伟大的两位科学家之一的原因，另一位是牛顿。

爱因斯坦创立相对论时还具有一个独到之处，即他一直是在头脑中进行思想实验，然后获得理论，而其它所有的科学理论，均源于已有实验、经验的总结和分析。

爱因斯坦相对性兼容了伽利略相对性。在低速情况下（即远小于光速，下同），爱因斯坦运动相对性就简化为伽利略相对性，而在高速情况下（即接近光速，下同），伽利略相对性就完全错误了。

     爱因斯坦相对论到底说了什么？这里只列举狭义相对论的主要内容：

1、宇宙中光速不变。不论你处于静止，或处于任意速度的飞船上，你测得的光速都是一样的大小。这是相对论中的绝对量。这一点与传统相对性完全迥异。当然，这种速度不变的物质只限于光子，或类似于光子的微粒。

2、宇宙中光速最大。任何物体速度都不能超过光速，不论用多大能量来加速物体，物体速度都不会达到光速，只能接近光速。

3、相对性原理。物理规律在所有惯性系中都是相同的，没有特殊的参考系。通俗地理解：在地面上和在飞船上分别做同一个物理实验，各自获得的结果或公式是完全相同的。

4、同时性的相对性。似乎有点拗口。其意是，同时性也是变化的，简单地说就是你看到同时发生的两件事情，别人看到的却不是同时发生的。比如你看到两个跳水运动员极其精确地同时起跳，但在另一个系里的人看来，却是一个先跳，一个后跳！

5、长度收缩。高速运动的物体，其长度变短。变短的程度与速度相关。

6、时间膨胀。高速运动的物体，其时间变慢。变慢的程度与速度相关。

7、质量变大。高速运动的物体，其质量变大。变大的程度与速度相关。

8、质量可以转化为能量。其公式为E=mC²（光速平方），该公式被誉为最美的十大科学公式之一，是核能设计利用的理论基础。

    上述8点中，第1点光速不变是在相对论之前已有的结论，爱因斯坦拿来作为创建相对论的基本条件。第3点爱因斯坦提出的假设，其余6点都是狭义相对论推导的结果。结果表明：时间、空间、质量都不是固定不变的，而是和各个物体自身运动紧密相联，具有独立性的变化。这个结论完全颠覆了传统认知，引起当时社会各界强烈的反响。如今相对论早已得到证实，成为宇宙学的基础理论，已应用于卫星、航天、核能等科学领域中。

二、孪生佯谬

佯谬是指一种看起来是错的，但实际上不是错的现象。孪生佯谬是狭义相对论中非常有名的结论，是时间膨胀的典型应用。

      话说一对双胞胎A和B，在年轻时，A乘高速飞船遨游太空，B在地球家里宅着。几年后，A结束太空之旅回到家时，B已白发苍苍，而A依旧年轻如故。这并不是B身体出现毛病，也不是地球环境差、太空环境好的缘故，而是A的时间比B的时间跑得慢，这是一种客观效应。简言之，运动者时间慢，冻龄了！

这个结论对我国民众可能不稀奇，因为西游记中就有“天上一日，地上一年”的说法，早已家喻户晓。400年前的西游记神话竟然和现代科学理论高度契合，非常佩服吴承恩创新而浪漫的想象。根据相对论，只要选择合适的飞船速度，完全可以实现A在天上度一日、B在地上过一年的奇幻光景。

但是，细究一下，我们会发现这些问题难以理解：

（1）A在飞行，B宅家里，因此A更年轻。但是根据相对性原理，在A看来，是B在运动，则B应该更年轻。这就出现了矛盾。究竟是谁更年轻呢？或是都一样年轻？或是都一样变老？或是相对论错了？

 （2）在地球上看，A在天上飞一日，相对于地球上一年，那么A在天上的一日真有365天那么长？这么长的一天，他该吃多少顿饭？睡觉几次？同样换位思考：在A看来，地球上B在运动，那么B的一天应该等于一年，但实际上，宅在家里B从来没有感觉到时间、作息的丝毫变化。为什么？

三、长度收缩

即物体运动时，它的长度会变短。这同样也会产生佯谬，比如，A在高速飞行，那么他的身体明显变短，这是否意味着他受到了严重的挤压，乃至殒命吗？

再举一个有趣的例子：一列火车和隧道等长，当火车高速运动进入隧道时，火车变得比隧道短。在火车头刚到隧道出口时，地面一歹徒向火车后端的隧道入口射击，但因为火车比隧道短，因此，火车尾部处于隧道之内，子弹不能击中火车尾部乘客。但是，在火车上人看来，隧道在运动，其长度比火车短，因此，隧道包不住火车，那么外面的歹徒击中了火车尾部乘客。

问题来了：歹徒到底有没有击中火车尾部乘客？尾部乘客要么被击中而死，要么没被击中而活，死和活是一个客观事实，不可能出现火车上看乘客死亡、地面人看乘客无恙这种矛盾。客观事实不会因视角而变。

实际上，上面疑问的产生都是因为没有全面考虑时空的相对性，包括非同时性所致。相对论完全解答了这些疑问，相对论推算的结果是唯一的、客观的、协同的。不会出现既死又活的情况。相对论这种全新的时空观连许多大科学家都难以理解，或疏于考虑，毕竟人类对于时空绝对固定的经验认知太根深蒂固了。所以，在当时，相对论被戏称为全世界只有2.5个人懂得的理论。

四、地心说和日心说

  

      顺便不得不说说日心说和地心说。根据爱因斯坦相对性原理，所有运动都是相对的、等同的，那么，地球围绕太阳转、太阳围绕地球转，二者都应该是正确的。是的，二者都对！这决不是为地心说翻案。日心说的先进性，在于解决了地心说所不能解决的问题，并使理论简化、优化和完善，日心说的意义在于打破了天主教唯心主义，走向科学主义新时代。宇宙并不存在一个宇宙中心，太阳不是中心，地球更不是中心。因此，地心说也好，日心说也罢，它们各自都只适用于一定的时空局域。没有普世理论，至少当下尚未见之。

2020-08-15