相對論非常難理解，我們學(xué)物理的也很難看懂，更難給別人講懂。前幾天朋友發(fā)一篇文章，忽然給我一個啟示，一下就開竅了！我才發(fā)現(xiàn)，如果從這一點(diǎn)進(jìn)入，其實(shí)相對論很簡單，只要中學(xué)知識就夠了，最多用到勾股定理就能進(jìn)入。怪不得當(dāng)年愛因斯坦才十六歲，還是中學(xué)生的時候，就萌發(fā)了相對論的思想。當(dāng)然，進(jìn)去以后還有許多更繞腦子的東西，但起碼最關(guān)鍵的這一點(diǎn)我們可以進(jìn)去了。
這一點(diǎn)是什么呢？就是“時鐘變慢”，也就是說，當(dāng)我們觀察宇宙飛船里的船員時，發(fā)現(xiàn)他們那里的時鐘比我們的要慢。而后面的種種奇怪的說法，比如什么長度縮短、時空彎曲、閉合宇宙、雙生子徉謬，等等，全是從這一點(diǎn)推出來的。懂了“時鐘變慢”，就可以說我們已經(jīng)進(jìn)入了相對論，其它那些就好懂了。
那么“時鐘變慢”又是從哪兒推出來的呢？是從“光速不變”推出來的，這是整個相對論的基石?！肮馑俨蛔儭辈皇抢碚摚菍?shí)驗(yàn)觀測的事實(shí)，這事兒很奇怪。
假如我們坐在汽車上往外扔水果，如果往前扔，那么水果的速度就應(yīng)該加上汽車的速度，飛得更快，弄不好能打死人。如果往后扔，水果的速度就應(yīng)該減去汽車的速度，飛得更慢，危險性就小一些。這個道理一般人都好理解。這叫做“速度相加原理”。
我們?nèi)绻谟钪骘w船上往外發(fā)光，似乎也應(yīng)該是這個道理，順著飛船往前發(fā)光，光速應(yīng)該更快，往后發(fā)光，光速應(yīng)該降低。但通過無數(shù)實(shí)驗(yàn)，我們不幸地發(fā)現(xiàn)，光速并不遵從“速度相加原理”，無論往那邊發(fā)光，無論光源（比如宇宙飛船）速度有多快，發(fā)出去的光速全一樣，這就是所謂“光速不變”。
實(shí)驗(yàn)是怎么做的就不要細(xì)究了，很繁難。但光速不遵從“速度相加原理”這件事，雖然看起來完全不合常識，但確有實(shí)驗(yàn)事實(shí)為證。1054超新星爆發(fā)，極高溫碎片將以接近光速v奔向四面八方，如果光速遵從疊加原理，各碎片發(fā)光奔向地球速度將有很大彌散，c+v~c-v,不難算出抵達(dá)地球?qū)⒊掷m(xù)數(shù)年，與北宋記載“晝可見”凡數(shù)日（對應(yīng)爆發(fā)亮度最高階段）不合。由此可知，在物體運(yùn)動接近光速時，的確不遵從速度相加原理。
另外還有一個說法，據(jù)說愛因斯坦產(chǎn)生相對論的想法，并不是從大家所熟知的測光速實(shí)驗(yàn)(邁克爾孫、莫雷實(shí)驗(yàn))結(jié)果出發(fā)的，而是從麥克斯韋的光速公式出發(fā)：
1
C=————
√ε·μ
其中ε是光所通過的介質(zhì)（比如玻璃、水、油、石英等）的介電常數(shù)， μ是磁導(dǎo)率，它們在同一介質(zhì)中都是固定常數(shù)，從這里也可以很容易的看出，光在同一介質(zhì)中的速度是不變的常數(shù)，它只和介質(zhì)中介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān)。
于是愛因斯坦想，以前所學(xué)的知識告訴我們，凡是速度都得有個參照系。比如人在火車上走，相對于火車是一個速度，相對于地面又是一個速度。但這個公式中并沒有參照系，也就是說，光的速度不參照誰，不相對于誰，只取決于ε·μ，不管在哪個參照系中都是這個速度，這就等于說光速不管在哪兒都不變。
當(dāng)然，后來的邁克爾孫、莫雷實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了光速不變，這的確是個無法理解，卻又存在的事實(shí)。
我們既然已確認(rèn)了光速不變這個事實(shí)，在這個基礎(chǔ)上就能推出“時鐘變慢”，推出相對論，當(dāng)年愛因斯坦就是從這兒開始推出來的?，F(xiàn)在咱們就開始推。
看這張圖，這是一架宇宙飛船在從右往左飛，右邊是初始狀態(tài)，左邊是下一個狀態(tài)。要聲明一點(diǎn)，這不是我們現(xiàn)在的飛船，現(xiàn)在的飛船一秒種只不過飛10公里左右，這是設(shè)想中的高速飛船，速度能跟光速相提并論，比如每秒鐘能飛10萬公里，所以這只是個假設(shè)，為了好打比方。
現(xiàn)在飛船里有一束光，從飛船艙頂部往下照射到底部，飛船里的船員看到的光走的路程就是這條紅色線條。
而我們站在地面上的人觀察就不一樣了，因?yàn)楣庠谕嘛w的過程中，飛船同時在往前飛，等光飛到船底時，飛船已經(jīng)飛了一截，那個受光點(diǎn)也就移到前面去了，所以我們看到的光飛行的路線是斜的，是那條藍(lán)色線條。
而飛船本身的飛行路線是往前的，即綠色線條，這三條線就構(gòu)成一個直角三角形。宇航員看到的光是直角邊，我們看到的光是斜邊，顯然，斜邊大于直角邊，所以我們看到的這條光路比宇航員看到的光路要長。
我們知道：路程=速度X時間。在這里，時間是一樣長的，因?yàn)檫@是同一件事，只是由不同的人看到，比如都是一秒鐘。而路程卻是里面看短，外面看長，此時我們一般就會認(rèn)為肯定速度不一樣，里面看到的光速低，所以走的短，外面看到的光速高，所以走得長。
但我們前面說了，光速不變，在哪兒都一樣快，不管里面看，還是外面看，那就沒辦法了，時間一樣長，速度一樣快，但路程卻不一樣長。怎么解決這個矛盾呢？當(dāng)時有很多科學(xué)家都想辦法解釋這個矛盾，但都遇到困難，怎么都解釋不通。
這時愛因斯坦出來了，他想出一種非常古怪的辨解方式，他說，這是因?yàn)樵陲w船外面的我們看來，里面的時鐘走得慢。宇航員用慢鐘測量，測同樣的時間比我們測的要短，所以光走的路程也就短。
這就是所謂“時鐘變慢”的由來。也就是說，我們覺得是一秒的事，宇航員覺得還不到一秒。放大來說，我們在地下已經(jīng)過了一年，但天上的宇航員卻覺得還不到一年，比如才過了半年，我們長一歲，他才長半歲，所以就出現(xiàn)了宇航員比我們年輕，或者壽命比我們長的說法。這恰與我們古代所說的“空中方一日，世上已千年”有異曲同工之妙。
你看，相對論的切入點(diǎn)其實(shí)并不難，而從“時鐘變慢”就能推出相對論中千奇百怪的說法。如果上面的說法你懂了，就可以說你已經(jīng)懂一點(diǎn)相對論了。
如果你要想進(jìn)一步深入，了解飛船里面的時鐘具體比我們的時鐘慢多少，就要用到勾股定理了，如果你覺得勾股定理太難，見數(shù)學(xué)公式就頭疼，這一節(jié)也可以跳過去，不影響你對相對論的理解。
要使用勾股定理，我們還得看那個三角形。為簡單起見，我們把時間定為1秒，那條藍(lán)色的斜線是地下的人用自己的時鐘測出來的1秒鐘內(nèi)光線走過的距離，這個距離實(shí)際上就成了光速C，而綠色的線則表示1秒種內(nèi)飛船走過的距離，實(shí)際上就是飛船速度V，那么紅色的線呢？就是宇航員所看到的光線傳播的距離，根據(jù)勾股定理，這段距離就等于
這個距離除以光速C，就等于光在這一段距離經(jīng)過的時間，經(jīng)過簡單的變換，就成了：
這就是說，光在飛船里面飛行的時間，地下的人測量為1秒，而飛船里面的宇航員測量為
顯然，這個時間永遠(yuǎn)小于1，即宇航員測得的時間短，所以飛行的距離也短。從這個式子我們就可以算出，飛船里的鐘比地面的鐘到底慢多少。
這個公式非常重要，以后我們學(xué)到什么在飛船里“長度縮短”，到底縮短了多少，都是這個比例，叫做“長度縮短率”，而推出這個式子只需要用到勾股定理就夠了，數(shù)學(xué)上很簡單。
從這個公式我們也可以知道，為什么在日常生活中，我們感受不到相對論的古怪效應(yīng)？因?yàn)槲覀內(nèi)粘５倪\(yùn)動速度V與光速C相比太慢了，太小了，比如我們飛機(jī)的速度如果能接近聲速，就非?？炝?，也不過是1秒鐘300米左右，即0.3公里，而光速是每秒30萬公里，等于飛機(jī)速度的100萬倍，如果再來個平方，就是1萬億，而“(V/C)平方”就是1萬億分之一，基本等于0，1減去0還是1，也就是說，這個“縮短率”或“減慢率”幾乎就是1，飛機(jī)里的鐘跟地面上的鐘一樣快，根本顯示不出來相對論效應(yīng)，只有坐在跟光速差不多快的宇宙飛船里，才能感受到相對論效應(yīng)。
總之，相對論一開始只不過是愛因斯坦用來解釋光速不變的一種古怪的說法罷了，當(dāng)時愛因斯坦完全憑腦子空想，既不像牛頓力學(xué)那樣有生活經(jīng)驗(yàn)可啟發(fā)，也不像牛頓力學(xué)那樣能做個小實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，完全靠坐在屋里的烏托邦幻想，竟建構(gòu)起那么龐大復(fù)雜的體系！我們不能不佩服愛因斯坦的天才大腦。
后來這套離奇的空想發(fā)展下去卻不得了，原來我們的世界真是像愛因斯坦說的那樣的！
在高能物理實(shí)驗(yàn)室中，有許多粒子在不斷的產(chǎn)生、蛻變、消失，壽命很短，也許只有幾納秒，但我們觀測到，在高速運(yùn)動中這些粒子的壽命居然變長了，比如原來粒子靜止時壽命應(yīng)該是3納秒，但在高速運(yùn)動中也許變成了4納秒，這就跟高速運(yùn)動中的宇航員壽命變長一個道理。。也就是說，愛因斯坦的的理論不只是一種說法，而是高速世界中的現(xiàn)實(shí)。
愛因斯坦根據(jù)相對論做了好幾項(xiàng)天文學(xué)預(yù)測，最后都被天文觀測證實(shí)了，所以沒辦法，對這種古怪的不合常理的說法，我們只好接受。甚至可以說，我們以往所習(xí)慣的“常理”其實(shí)只是淺層次的道理，而高層次的“常理”我們沒聽過，也聽不懂，還以為是歪理。
我們平常說“大道理管小道理”，就是這個意思，在淺層次，在小范圍看起來很正常的道理，到了高層次，大范圍就不對了，有更高的道理，但在我們低層的人看起來，完全不能理解。
相對論就是高層次的大道理，它能管住低層次的牛頓力學(xué)。實(shí)際上不管高速低速運(yùn)動，都適用于相對論。即使坐在飛機(jī)上、火車上，從理論上說，也在“時鐘變慢”，把上面的相對論公式代進(jìn)去，一點(diǎn)毛病都沒有，只是因?yàn)樗俣忍?，“變慢率”小得根本測不出來，你自己代進(jìn)去一算就知道。所以牛頓力學(xué)不過是相對論在低速情況下的一個粗略的特例罷了。
我們在情感上很難接受什么“時鐘變慢”“壽命變長”之類相對論說法，這很正常，愛因斯坦的相對論之所以沒有能獲得諾貝爾獎，也跟好多物理學(xué)家不愿意接受相對論有關(guān)（當(dāng)然，還有政治上的原因）。但現(xiàn)在究竟沒有另外一種說法比相對論能更好地解釋“光速不變”之類怪事，而且又有那么多實(shí)驗(yàn)支持相對論，我們沒辦法，也只好接受它。
當(dāng)年，有位“民科”在網(wǎng)上跟我爭論這事，硬說時間變慢只是中國人沒理解愛因斯坦相對論的一種歪曲，并非愛因斯坦自己的結(jié)論。我只好把家里愛因斯坦著作中的那段原文抄錄給他，從此這位“民科”消聲匿跡，永無蹤影。
2017年3月7日
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