相對論到底有多顛覆我們的認知?為您帶來最詳細的解讀(上)

物理學的重要研究對象之一就是研究物質的運動規律。自從偉大的牛頓被蘋果砸頭之後，人們普遍將牛頓三定律奉為物質運動規律最完美的詮釋，直到愛因斯坦的出現。這位「外星人」用他的「奇思妙想」對牛頓定律進行了更科學的修正，並且嚴重的衝擊了牛頓定律框架下的「絕對時空觀」，愛因斯坦的這種「奇思妙想」就成了後來的「相對論」。這個顛覆又晦澀的理論，過了一百多年，直至今日還是有不少朋友對它迷惑不解，今天阿怪就試著為大家解開這其中的奧妙。

「相對論」誕生的背景

19世紀後半葉，光速的精確測定為「光速不變」提供了實驗依據；1865年，麥克斯韋的《電磁場的動力學理論》證明了電磁波的傳播速度只取決於傳播介質的性質，為「光速不變」提供了理論依據；1890年，赫茲根據《電磁場的動力學理論》，明確提出電磁波傳播速度（即光速）與波源運動速度無關，此觀點的理論支持雖無破綻，卻與伽利略變換原理（也叫速度疊加原理：兩物相向運動速度相加，同向運動速度相減）形成巨大矛盾；1892-1905年，洛倫茲、拉摩、彭加勒等科學家試圖解釋以上矛盾，但始終未能跳出「絕對時空觀」的框架，沒有給出邏輯自洽的解釋；1904年，彭加勒第一次提出了「相對性原理」。直到1905年，愛因斯坦在《論動體的電動力學》一文中，提出了嶄新的時空觀，並且完美的解決了「光速不變」與伽利略變換之間的矛盾。後來愛因斯坦稱該理論為「相對性理論」，簡稱「相對論」，再後來又改為「狹義相對論」。十年後，愛因斯坦又提出「廣義相對論」將「相對性理論」推廣到非慣性系（具有加速度的參考系）。

年輕時候的愛因斯坦

狹義相對論

「狹義」對應於「慣性參考系」（相對靜止或做勻速直線運動的參照系統）。狹義相對論研究的是不同速度的兩個慣性參考系內，彼此的時間與空間的關係。狹義相對論的兩個前提假設：狹義相對性原理：除引力外的力學定律、電磁學定律以及其他相互作用的動力學定律在所有慣性系中均等效；（把引力排除在外是因為，狹義相對論研究的是慣性系，如果考慮引力，必然就會產生加速度，變成非慣性系了。所以，狹義相對論跟萬有引力定律是兩條平行線，它還不能處理解決有加速度的問題。）光速不變原理：光在真空中總是以確定的速度c傳播，速度的大小同光源的運動狀態和觀察者所處的慣性系無關。

1887年，麥可遜－莫雷實驗，證明光速不受地球速度影響

解釋以上實驗結果（光速不受地球運動影響）與伽利略變換原理之間的矛盾

太多物理學家為了解釋這個矛盾而絞盡腦汁，愛因斯坦也是如此。而愛因斯坦智慧的地方就在於，當他發現順著這個問題無論如何都找不到答案的時候，他決定把問題倒過來去思考：先不管這個矛盾，直接假定（真空中）光速在任何情況下都是不變的，再根據其他運動力學定律在這個前提下去推導，看看會出現什麼結果。

結果是相當驚人的！在光速不變的前提下，愛因斯坦發現運動的物體時間會變慢，長度會縮短，質量會增加！

於是，相對論應運而生，為人們揭示了一個隱藏在現象背後的時空規律。接下來阿怪就帶著大家跟愛因斯坦一起在狹義相對論的世界中推導出物體時間變慢、長度縮短、質量增加的奧秘。

時間的相對性（鍾慢效應）

看圖說話：車上人觀察到光從紅點發出經過車頂的鏡子反射再回到紅點的用時是t（上）=2h/c，而車外站在地上的人觀察到光從紅點發出經過車頂的鏡子反射再回到紅點的用時是t（下）=2h/√（c-4v），只要小車的速度v（相對於地面）不為零，那麼t(上)就必然小於t（下）。再表述一次，車上人以運動的車為參考系，車下人以地面為參考系，在同樣一束光的行進路程中，車上人觀察到光的用時比車下人短，舉特例講車上人1秒鐘相當於車下人1.1秒鐘，簡而言之，車的運動速度讓它本身的時間變慢了。

我們再來看一個神奇的實驗——「同時發生的事」其實「不同時」

看圖說話：在勻速行進的火車中間有個發光器向火車兩頭同時發出光束，火車兩頭的光敏開關接收到光束就會打開。在火車裡面的紅人看來，火車兩頭的開關是同時打開的（因為光到兩頭的距離相等）；而在火車外面的黃人看來，火車尾的開關要先於火車頭的開關打開（因為光到車尾的距離比到車頭短）。同樣一個事件，在紅黃兩人看來竟然得出了兩個截然不同的結論，所以在相對論的世界中，「同時」與否不再是一個絕對的概念，而取決於你選取的參考系。

空間的相對性（尺縮效應）

思想實驗：一飛船以1/2光速向火星飛行（假設火星距地球5光年），地球上的人看來，飛船要10年後能到達火星；由上面時間相對性的結論可以知道，飛船裡的人時間過得更慢，實際只用了8年就到達火星了，結果是，在飛船裡的人看來只飛行了4光年（1/2光速*8年）就到達了5光年外的地方，換句話說，飛船的速度讓兩地的距離縮短了。

對於這個問題阿怪再給出一個更簡單的理解辦法：學過初中物理，我們就知道速度、距離、時間三者是緊密聯繫在一起的，根據相對論對於時間相對性的考慮，時間變慢了（而速度不變），距離勢必會跟著變短（距離=時間*速度）。

也許看到這裡，大家會產生疑問了：「你上面的解釋都是思想實驗、理論推理，到底現實生活中有沒有實實在在觀察到時間變慢、距離變短的現象呢？」

你別說還真有！

μ介子穿越大氣層

自然界中存在一種基本粒子叫μ介子，它是由宇宙射線與地球大氣相撞擊產生出來的，科學家在實驗室也能通過粒子撞擊來製造。μ介子的壽命（即衰變期，這裡的壽命是在實驗室裡μ介子靜止狀態下測定的壽命）只有2.20微妙，運動速度為0.998倍光速，我們能理解情況下，μ介子最多運動600米左右就會消失，但是它卻能穿過約6000米厚的大氣層到達地表然後被科學家探測到。這個現象就說明了，高速運動的μ介子其時間相對於地球時間大大減慢，同時在μ介子看來6000米厚的大氣層只有不到600米。

現在我們再來看這個小節提出的實驗結果與伽利略變換原理之間矛盾的問題，回答就變得容易了：

因為實驗過程中地球具有一定的速度，這就使得時間、距離等因素本身產生了變化，光在這種環境中（參考系中）經歷的實際時長與距離也相應的變化，所以最終測得的光速是不變的，與伽利略變換原理並不矛盾。

不知道各位朋友看到這裡有沒有發現一個巨大的邏輯漏洞呢？是的，我實際上是用一個假設（即：光速不變）推導出了一個結論（運動的物體，其時間、長度等會變化），再用這個結論返回去證明假設，整個過程中，核心問題「光速為什麼不變」始終沒有得到解決。那我的這番操作是不是毫無意義呢？

當然不是的！不然愛因斯坦的這番逆向思維就不會創造出一個多世紀的輝煌！原因在於人們對物理學包括其他科學的研究都是基於自然現象的實際觀察或實驗結果，然後從中發現規律並推導出結論，然後用得到的結論繼續一步步探究其他問題，如此往復，科學的大廈就這樣慢慢建成。但在這座大廈的基層，存在許多暫時無法解釋的「基本現象「（比如為什麼物質具有慣性、為什麼存在萬有引力等），「光速不變」自然也屬於其中之一，為了能繼續往下探究，人們就把這些「基本現象」作為定理，以此作為基礎，繼續修建科學的大廈。

質量的相對性（質速關係與質能方程）

質速關係的定量表達方程式

對於質量的相對性，其推導過程涉及的公式比較晦澀難懂，為了便於大家理解，阿怪試著用文字為大家描述。

我們初中就學過質量是物質慣性大小的量度，而慣性是物質保持自身運動狀態不變的本性，換句話說質量越大的物體慣性越大，作用力對它速度的改變效果就越弱。

對於兩個完全相同的小球，一個相對於地球靜止（1號球），一個相對於潘多拉星球靜止（2號球），現在用相同的力作用在兩個小球上使它們的速度分別增加了v1和v2，接下來兩個小球飛行一段時間後，1號球飛行s1米，2號球飛行了s2米。如果潘多拉星球相對於地球速度是v0，那麼2號球相對於地球速度就是v2+v0，是大於1號球的，由之前的空間相對性我們知道（以地球為參考系）2號球速度比1號球更快，它的距離會變短，於是得出s1>s2，最後得出v1>v2。那麼根據慣性與質量的定義，我們不難得出，完全相同的兩個小球，相對於地球，速度更快的2號球質量比1號球要大（也可用時間相對性來給出類似說明，只是稍微要多轉幾道彎）。這就是質量的相對性，即質速關係：對於同一個慣性參考系，物體的速度越大質量也越大。

簡述質能方程

在狹義相對論世界裡，物體動能E=mc-m0c=Δmc

這個方程的意思是：一個物體的總質量m，包含了一個動質量Δm，和一個靜止質量m0（這點根據上面的質速關係很好理解）。同時也暗示，一個靜止且質量不為零的物體，存在一個固有能量m0c，這就是質能方程E=mc的由來。

關於質能方程，阿怪只想說一點，其實質能方程體現的僅僅是物體的固有能量跟物體質量之間存在正比的數量關係，或者說物體的固有能量可以用其質量進行量度。這個方程並不能表明物質與能量之間可以互相轉化，更不能說能量跟質量是一回事！這個問題非常容易混淆，以至於有段時間阿怪的物質觀有相當多的矛盾之處。

說到這裡就不得不提一下核聚變中質量虧損的問題，不少人們都認為核聚變釋放的能量是由於虧損的質量轉化而來的，實際上質量的虧損並非消失，而是轉化成了新生成核的動質量和光子的動質量；那麼核聚變釋放的能量又從哪裡來的呢？很簡單，就是由聚變前物質的固有能量轉化而來的!可以看到，在核聚變過程中，能量與質量分別遵守各自的守恆定律。所以說核聚變的實質其實還是質量之間的互相轉化，同時能量之間的互相轉化，並不違背質量守恆與能量守恆。

未完待續

全面理解「廣義相對論」，盡請關注本文姊妹篇：相對論到底有多顛覆我們的認知？為您帶來最詳細的解讀（下）。

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