通俗易懂地理解愛因斯坦的相對論,一個問題引發物理界劇變

一個好的問題促進人們思考，甚至於一個好的問題往往比答案更重要。

愛因斯坦就曾受益於一個好的問題，當時落魄的愛因斯坦經朋友介紹在專利局做一名小職員。

在此期間，他讀了一本亞倫·伯恩斯坦的書《關於自然科學名人的書》，該書讓讀者想像，當電流跑過電報線時，你在電流的旁邊和它一起跑。

光速公路

現在我們可以和當時的愛因斯坦一樣共同想像這樣的場景。

並且給自己提問，如果我和電流一起跑會是什麼樣子？

在量子場論中，光子被認為是電磁相互作用的媒介子。

所以我們可以換個說法，如果我和光線一起跑會是什麼樣子？

光速奔跑

愛因斯坦當時就曾這樣想：「如果我以光速c追趕一束光線，我應當看到這束光線作為空間震蕩的電磁場是靜止的。」

然而，不管是根據經驗還是根據麥克斯韋方程，似乎不會有這樣的事發生。

「如果你能和光線一起跑，它看起來應該是凍結的，像一個不運動的波。以前沒有人看到過凍結的光線，因此一定是有什麼事情大錯特錯了。」

愛因斯坦

在愛因斯坦的時代，牛頓力學（包括萬有引力）與麥克斯韋的電磁理論是物理學的兩大支柱。

牛頓力學：以光速觀察光，光應該是靜止的。電磁理論：光是由不斷改變的電場和磁場構成的。愛因斯坦發現這兩個之中是互相矛盾的，二者之一必須否定一個。那麼誰錯了呢？

麥克斯韋

實際上，在這方面牛頓錯了，而麥克斯韋對了。

麥克斯韋方程指出，無論你試圖以多快的速度追趕光線，光線都以固定的速度傳播。光速c在所有慣性（勻速運動）坐標系中都是相同的。

不管你是站著不動，或是坐在火車上、或在飛速掠過的彗星上，你都會看到光線以同樣的速度向你駛來。不管你跑得有多快，你絕不會超過光線的速度。

麥克斯韋方程雖然早就揭示了光速不變的道理，卻被他本人忽視了，隨後才被愛因斯坦所指出來。

彗星

我們可以想像一下這樣的場景：

一個未來時代的太空人駕駛光速飛船追趕飛速行進的光線。飛船從點火起飛，到與這束光線並肩前進。

對於在地面的旁觀者來說，他會說飛船和光線是肩並肩移動的。

然而，飛船的駕駛員觀察的可不是這樣，他會說光線飛速地離他而去，就好像他的飛船靜止不動一樣。

宇宙飛船

我們可以和愛因斯坦共同面對這樣的問題——為什麼兩個人的說法完全不同呢？如果兩個人說的都是對的。是什麼導致了這個現象呢？

愛因斯坦靈感一閃就輕易得出了答案：時間跳動的速率是不同的。

事實上，你運動得越快，時間過得越慢，也就是所謂的鍾慢效應。

原子鐘

度量兩個時刻之間的間隔長短的物理量叫做「時間」，它表徵物質運動過程的持續性和順序性。任何一種周期運動的周期都可作為時間標準，我們這裡用「節拍」表示。

根據牛頓所想，在整個宇宙中時間的節拍是均勻的，因此在地球上過了一秒，在土星和火星上也會過一秒，在整個宇宙其他星系的節拍是絕對同步的。

然而，對愛因斯坦來說，整個宇宙中時間的節拍是不同的。

顯然，太空人和地面觀測者感受到兩種不同現象，是因為兩者感受的節拍變了。

各處時鐘

如果時間的節拍可以依賴物體的速度而改變，那麼我們也可以聯想到，其他物理量——長度、質量和能量也會隨之改變。

運動得越快，物體的距離收縮得越多，重量變得越重。當接近光速時，時間減慢到停止，距離收縮到零，質量變得無限大。這就是為什麼光速是宇宙中的極限速度，不能突破光速的原因。

火箭加速

如果一個物體運動得越快，他變得越重，這意味著運動的能量轉換成了物質。

反過來也是對的，物質也可以轉換成能量。

愛因斯坦計算出物質能轉換成多少能量，他得出計算公式是E=mc^2，即一小點質量當它轉換成能量時要乘以一個巨大的數字（光速的平方）。

質能方程

前面提到，光速c在所有慣性（勻速運動）坐標系中都是相同的。那麼在非勻速運動的坐標系中光是怎樣的呢？

根據牛頓定律，力是物體改變運動狀態的原因，也是產生加速度的原因。所以在非勻速運動中，我們給光子施加一個力，用來等效成慣性（勻速運動）坐標系。

而光本身作為電磁波，受到一個引力是再正常不過了。所以，接下來我們看看引力。

太陽系

在萬有引力方面，如果按照牛頓的理論，引力在一瞬間傳遍整個宇宙，這體現了力的即時性和超距作用。

愛因斯坦就對這種「幽靈般的作用」，非常不認可。

對此，我們可以考慮一個甚至連小孩子都可能會問的問題，比如：「如果太陽突然消失會發生什麼？」

在牛頓的宇宙中，整個宇宙會同時在瞬間看到太陽消失。

但是在愛因斯坦的宇宙中，這是不可能的，因為太陽的消失受到光速的限制。

太陽消失於海平面

牛頓所說的太陽消失現象我們好理解，而在愛因斯坦的論述中，太陽消失的現象是這樣的——太陽消失會發出球面引力衝擊波，以光的速度向外傳播。

在衝擊波外面，觀察者會說太陽還在發光，因為引力還來不及到達他們。

但是在衝擊波內，觀察者會說太陽消失了。

為了描述這個問題，愛因斯坦引進了空間和時間的描繪。

太陽扭曲周圍時空

愛因斯坦向我們解釋，想像一個放在床上的保齡球在床墊上慢慢沉下去。

現在沿著床墊的扭曲面彈一個玻璃球。玻璃球將沿著圍繞保齡球的曲線路徑前進。

相信牛頓力學的觀測者會回答說，保齡球對玻璃球施加了一個瞬間的「拉力」，迫使玻璃球向心運動。

然而，相信相對論的觀測者，在近距離觀察床上玻璃球的運動，顯然認為根本沒有力的作用，只有床的彎曲迫使玻璃球沿著曲線運動。

用地球代表玻璃球，太陽代替保齡球，真空的空間-時間代替床，我們看到地球繞太陽運動不是因為引力的拉力，而是因為太陽使地球周圍的空間彎曲，產生推力迫使地球繞太陽運動。

保齡球

如果引力是時空結構彎曲所產生的副產品，那麼太陽的消失可以和從床上突然拿起保齡球相比。

當床彈回到原來的形狀時，在床單形成以有限速度傳播的波。

這樣，通過將引力化簡為空間和時間的彎曲，愛因斯坦將引力和相對論統一起來。

1915年，愛因斯坦最終完成他所謂的廣義相對論，從此廣義相對論成為所有宇宙論的基石。

在這個令人吃驚的新的描述中，引力不是充滿宇宙的獨立的力，而是空間-時間彎曲的表現效果。

地球扭曲周圍時空

如今我們也可以這樣換種思維考慮，我們受到地球的引力，是因為地球對周圍產生了空間彎曲推動我們靠近地球。

如果接受了愛因斯坦的時空觀，現在我們可以輕易理解諸如以下問題：

什麼是引力波？引力波就像我們拿起和放下床上的保齡球，而引起的床上的漣漪。

為什麼科學家說黑洞周圍時空扭曲得厲害？這可以理解為床上放了一個極重的保齡球，床上的褶皺程度很大。

為什麼說光線逃不過黑洞？這是因為保齡球讓床劇烈變形成一個深坑，光線類似一個玻璃球掉入深坑就出不來了，而光只能在這種極度扭曲的空間中運動。

問號

好的問題能促進人類思考，愛因斯坦此前也就像我們常說的民科、空想家，受到人們鄙視，如同一個失敗者，而一個好的問題改變了他的人生。

而我們的人生也常常有不如意的地方，經常對自己提問，我想我們會收穫到很多，人生的軌跡也會得到改變。

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