想要看懂相對論需要先看什麼書（相對論到底牛在哪）

2023-04-16 07:53:54

文/老餘

1905年，東方世界發生了對後世影響深遠的很多大事：

日俄戰爭中，俄國戰敗退出旅順口岸；慈禧委派五大臣準備去西方考察憲政到底怎麼搞；幾千年的科舉制度壽終正寢；孫中山合併興中會、華興會、光復會，同盟會正式成立；《革命軍》的作者鄒容死於獄中，《猛回頭》的作者陳天華，為喚醒國人，跳海自殺。

此時的東方古國，正在經歷「千年未有之大變局！」

也正是這一年，對整個人類世界有著巨大影響的「狹義相對論」橫空出世！

據說這個理論發表時，全球只有2.5個人能搞明白這是啥意思，為何這麼難懂？因為它實在是太反直覺了，比如：

關於時間的問題——高速運動物體的時間會變慢。

時間不是客觀不變的嗎？怎麼可能會變慢呢？

這是因為我們沒有「看破」時間，而愛因斯坦看破了。

比如《三體》裡，大劉說三體星離我們的距離是4光年（光以三十萬公裡/秒的速度，跑4年的距離），書上說三體飛行器的最高的速度是光速的0.1倍，假設這個飛行器勻速以0.1倍的光速向地球前進，到達地球的要花40年，沒錯吧？

如果你就在這艘飛船上，出發時你30歲，到達地球時你應該70歲了，沒錯吧？

但我們錯了，根據相對論效應，高速運動的物體時間會變慢，我們眼裡的40年對你來說只有39.8年，你到達的時候不到70歲。

且你越接近於光速運動，你的時間就會越慢，如果你能以99.5%的光速飛行，你的時間將會比我們慢10倍！

（TIPS：小說裡三體飛船並不能一直以最高速飛行，且高速飛行會形成航跡，三體飛船為了不暴露三體星的位置，要離開很遠後才會加速，所以大劉把三體人到達地球的時間設定為450年後。）

也就是說，天天在天上飛的空姐會老得比我們慢，神話傳說中的「山中一日，世上千年」原來是真的，是不是很不可思議？

愛因斯坦不僅「看破」了時間，還看破了很多東西，比如長度、質量與能量——高速運動的物體長度會變短；質量與能量其實是一回事兒（E=MC²）。

而最牛掰的是看破了「光」，以前大家都覺得光是連續的，但愛因斯坦在《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》中推導出了「光不是連續的，而是一份一份的，是量子化的」，這篇論文不僅獲得了諾貝爾獎，還直接推開了一個新領域的大門：

——量子力學（雖然他本人極力反對量子力學，這個前因後果後面會說到）。

以上壯舉單拿一件出來，任何一個物理學潛心研究一輩子都無疑稱得上偉大，都能在歷史上留下濃墨重彩的一筆了。

但這所有不可思議的壯舉都發生在愛因斯坦一個人身上，且還是在同一個年份（1905年），這簡直是人類史上最大的「馬太效應」事件了。

愛因斯坦的這些發現已經過去了100多年，我們作為二十一世紀的人，沒有理由搞不明白100多年前的理論，如果你沒搞懂，只有兩個原因：

其實，相對論簡單而深刻，一旦你搞明白了，你眼裡的世界就會截然不同。

如果你有孩子，也可以讀完這個小系列後講給孩子聽，或許隱藏在他/她內心深處的物理天賦與興趣就此被激發，成為下一個可改天換地的愛因斯坦。

為了讓你把「相對論」徹底弄明白，我們得從麥克斯韋看破了「電與磁其實是一回事」開始講起... ...

麥克斯韋

物理學家，其實就是一次次看破宇宙萬物的過程。

哥白尼（1473年-1543年）看破了天與地。他說地球與天上的日月星辰沒有本質區別，我們這裡不是宇宙的中心，地球與星星們其實是一回事。

克卜勒（1571年-1630年）看破了天體運動的引力本質。那些天體並不需要什麼小精靈來推，只要太陽給行星們一個吸引力就夠了。

牛頓（1643年-1727年）坐在蘋果樹下，就把地球引力看破了。不但天體與天體之間有引力，宇宙萬物只要有質量，都會有引力。

這幾位牛人，基本把天上、地下關於運動的所有問題都說清楚了。

而麥克斯韋（1831年-1879年）之所以偉大，是因為他看破了「電、磁與光」的關係。學過初中物理的朋友都知道，「電」的本質是電荷之間的相互作用。電子帶負電，離子帶正電，電子與離子之間有吸引力，電子與電子、離子與離子之間有排斥力，這就是「同性相斥，異性相吸。」

那什麼是磁呢？電荷的運動產生磁，一段電線通了電，它的周圍就會有磁性。

在麥克斯韋之前，物理學家們對電與磁做了非常多的研究，但始終沒有搞明白電與磁之間的關係，即使偉大如法拉第，也只能看到「變化的磁場能產生電流」，也就是說法拉第看破了「磁能生電」。

麥克斯韋出場，就補齊了法拉第在電磁上的另一組對偶關係——電，也能生磁。

但這還不是他最偉大的地方，最偉大的是由此打開了「電磁學」的大門，我們現在所有的家用電器、手機、5G都是建立在麥克斯韋電磁學的基礎之上的，也就是說沒有他，我們可能還處於飛鴿傳書的原始時代。

當麥克斯韋推導出了「變化的電場也能產生磁場，而變化的磁場又能產生電場時」，他就想：

如果我做出一個震蕩的電流，產生一個周期性變化的磁場，那這個磁場又能產生電場，接著這個電場又能產生磁場... ...

那這個「電與磁」的交替不就能一直往下傳播下去了嗎？這，就是我們熟悉的電磁波。

——原來，電與磁是一回事。

（注意：這都是麥克斯韋純數學上的推導，真正的電磁波在這個理論推導出來20多年後被製造了出來。）

麥克斯韋並沒有打住，他用他的「麥克斯韋方程組」繼續計算電磁波的速度，又發現了一個驚天大秘密：電磁波傳播的速度，竟然和光速是完全一樣的。

於是麥克斯韋大膽預測：

——光，就是電磁波。

後世的人們做實驗證明了這一點，所有的光都是特定波長下的電磁波而已。

到此，物理學家把這個混沌、複雜再次簡化。

牛頓的偉大是用幾個簡潔漂亮的公式解釋了宇宙萬物的運動，而麥克斯韋也用了一組簡潔漂亮的公式解釋了「電與磁是一回事兒，光與電磁場也是一回事」。

也就是到此，我們身邊的一切物理現象，都被物理學家破解了。

但麥克斯韋斷定「光也是電磁波的一種」後，還有一個問題沒有解決，那就是：

——這個光的速度，是相對於誰的？

正是因為這個問題，直接催生了愛因斯坦的相對論。

我們接著往下看。

愛因斯坦

從我們樸素的直覺來看，這簡直就不是一個問題，因為這看上去實在太簡單了：

——光的速度，當然是相對於光源的。

真的是這樣嗎？（注意：以下描述非常反直覺）

不是！

我們先看一個迎合直覺的例子：

比如你坐在400公裡/小時（111米/秒）的高鐵上，在車廂裡以時速700米/的速度射出子彈。

相對於你來說，子彈的速度是700米/秒，沒錯吧？

如果我站在地面上，子彈的速度應該是高鐵的速度 子彈的速度=700 111=811米/秒，這也沒錯吧？

但要是把子彈換成手電筒，你在高鐵上打一束光，這束光相對你的速度就是光速本身，沒錯吧？

那站在地面上的我，這束光相對於我的速度還是高鐵的時速 光速嗎？

不是了——這束光於我的速度和你一樣，還是光速！

科學家用實驗證明了這一點：

宇宙中有一種「雙星系統」，就是兩顆恆星相互纏繞旋轉，從地球上觀察，總會有一顆恆星在這一階段是向著地球運動，而另一顆是朝我們遠去的方向運動的。

如果光速是相對於光源的，那朝著地球運動的恆星發出的光速就應該更快一些（疊加自己的速度），離我們遠去的光速就應該更慢一些（減去自己的速度）。

是這樣吧？

但科學家觀測的結果不是這樣的，雖然兩顆星速度差別並不大，但由於雙星離地球十分遙遠，即使兩顆星相對於相向的速度很小，我們也能觀測到明顯差異。

而科學家觀測了很多雙子星的光，都沒有發現這個差異，也就是說：

——光的速度跟光源沒有關係，光速是獨立存在於運動之外的。

同理，在高鐵上的你打開手電筒後，這束光相對於你的速度是30萬公裡/秒‬，相對於地面上的我來說，這束光的速度也是30萬公裡/秒‬。

這也太怪異了！

不只是你我，當時的物理學家們也集體陷入了困境：

光速啊，你到底是相對於誰的？！

而找到這個問題答案的人，此時還是一個小孩子，他就是愛因斯坦。

篇幅有限，欲知後事如何，關注我，下篇我們再分解。

（本篇完）

拓展：

1、時間變慢的計算公式（鍾慢係數）：

例子：你以99.5%的光速前進，即V=0.995，那你的鐘慢係數=0.0999≈0.1，也就是你的時間快慢是常人的0.1倍，即慢10倍。