很多教材，講到相對(duì)論，經(jīng)常是羅列公式，讓人看了滿紙辛酸淚，
沒什么意思。
今天，我們拋棄公式，通過幾點(diǎn)說明，闡述狹義相對(duì)論的原理。
疑難雜癥
首先我們引入一個(gè)概念，牛頓時(shí)空觀。就是牛頓三大定律的那個(gè)牛頓。他在那部劃時(shí)代的，集大成的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，提出了牛頓三大定律、萬有引力定律。
《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》
如果覺得高中物理動(dòng)力學(xué)太難，那你就怪牛頓，哥們你能把書編簡單點(diǎn)嗎？牛頓時(shí)空觀可以稱之為經(jīng)典時(shí)空觀，主要特點(diǎn)是：
第一，對(duì)于時(shí)間和空間， 它們之間是彼此獨(dú)立的。時(shí)間是在任何一個(gè)地方均勻流逝的，與空間無關(guān)。這什么意思？比如說，你在家里拿一塊表，測一秒鐘。那么，宇宙另外任何一個(gè)地點(diǎn)，不管那地方運(yùn)動(dòng)得多快，不管那里的人是坐火車上還是坐宇宙飛船上，時(shí)間也過了剛好精確的一秒?，F(xiàn)在我們來看，這說的不是廢話嗎？我這兒過一秒，你那過的不是一秒是多少秒呢？
第二，各個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的物體的速度，是可以直接線性疊加的（伽利略變換）。比如說，你坐在飛馳的火車上，往前扔一個(gè)籃球，這個(gè)籃球的速度在站臺(tái)上的人看來，應(yīng)該是火車速度，再加上球的速度。
因?yàn)榕ｎD的觀點(diǎn)非常符合我們的直覺和經(jīng)驗(yàn)，所以，牛頓經(jīng)典力學(xué)良好地運(yùn)行了200多年。但是，隨著電磁理論的發(fā)展，這一套開始玩不轉(zhuǎn)了。
我們在以前的節(jié)目提到過一個(gè)人，叫做麥克斯韋。他也是科學(xué)發(fā)展史上一個(gè)封神級(jí)的人物，他通過一支筆，一張紙，推導(dǎo)方程，預(yù)言了電磁波的存在。我們現(xiàn)在經(jīng)常說手機(jī)信號(hào)不好，其實(shí)就是通信的電磁波強(qiáng)度不夠高。
麥克斯韋通過計(jì)算就發(fā)現(xiàn)，哎尼瑪？電磁波的速度等于一個(gè)常數(shù)！就是我們現(xiàn)在經(jīng)常說的（大約）30萬千米每秒。當(dāng)時(shí)人類已經(jīng)可以比較精確的測出光速，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光速和電磁波的速度怎么這么相近呢？這應(yīng)該不是一個(gè)巧合吧？我們來研究一下。果然，人們就發(fā)現(xiàn)，牛頓、惠更斯這些以前的科學(xué)家，他們的光學(xué)定律，可以通過麥克斯韋的電磁理論的方程組推導(dǎo)出來。這就說明一個(gè)問題，光是電磁波的一種形式。光從此就跟電磁波統(tǒng)一起來，成為了一個(gè)東西。當(dāng)然這不是重點(diǎn)。重點(diǎn)是，光速和電磁波的速度，它可以通過理論計(jì)算推導(dǎo)出來，它是大自然的一種內(nèi)稟的屬性！
所以我們現(xiàn)在就來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。
比如說，有兩個(gè)人，小靜和小動(dòng)。小靜在高鐵站的站臺(tái)上，靜止不動(dòng)地當(dāng)吃瓜群眾。如下：
小靜
小動(dòng)舉著一只手電筒，打開手電筒，坐在這輛高鐵上，朝向高鐵的運(yùn)行的前方，隨著這輛高鐵一起，做勻速直線運(yùn)動(dòng)。如下：
小動(dòng)
現(xiàn)在有意思的問題就來了。
在站臺(tái)上靜止的觀察者小靜看來，這個(gè)手電筒發(fā)出的光，隨著這輛高鐵一起朝前方勻速直線運(yùn)動(dòng)。那么，手電筒發(fā)出的光的速度，應(yīng)該是，光速加上這輛高鐵運(yùn)行的速度。
但是，對(duì)于這輛高鐵中，舉著手電筒的小動(dòng)看來，他如果拿起筆和紙，效仿麥克斯韋，用麥克斯韋的方程計(jì)算推導(dǎo)一遍，他就會(huì)發(fā)現(xiàn)，誒？我算出來的光速，它只是光速，并沒有疊加上高鐵的這個(gè)速度！
矛盾就這樣出現(xiàn)了！
如果你用牛頓的那一套算法，速度可以線性相加，這個(gè)地方就會(huì)出現(xiàn)不可調(diào)和的矛盾。我們平時(shí)沒有出現(xiàn)這個(gè)矛盾的原因，是因?yàn)槲覀兌继幵谝粋€(gè)低速的世界，如果這輛高鐵，它的速度可以達(dá)到，光速的90%，甚至99%的時(shí)候，狹義相對(duì)論的效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)，牛頓的時(shí)空觀就會(huì)崩塌。
這個(gè)時(shí)候，物理學(xué)家就面臨一個(gè)選擇：要么承認(rèn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)和一個(gè)相對(duì)靜止的系統(tǒng)，他們互相之間分享兩套不同的物理定律。但是，這個(gè)觀點(diǎn)和光速是不變的這個(gè)結(jié)論是相違背的。要么，拋棄牛頓的時(shí)空觀念，承認(rèn)速度是不可以直接線性疊加的。（關(guān)于光速不變，還有一個(gè)實(shí)驗(yàn)，叫做邁克爾遜-莫雷的激光干涉實(shí)驗(yàn)，有興趣的童鞋可以自己參閱）
這實(shí)際上，就是愛因斯坦狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)的靈感來源。
巨人登場
速度不能線性疊加，那尼瑪?shù)降自趺此?？愛因斯坦將電磁學(xué)中的洛倫茲變換，整合到了牛頓動(dòng)力學(xué)中，產(chǎn)生了難以置信驚人的效果！
速度不再線性疊加，時(shí)間與速度有關(guān)！時(shí)間與空間產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)！我們直接忽略愛因網(wǎng)紅的那些復(fù)雜物理計(jì)算和理論推導(dǎo)，直接看結(jié)果。經(jīng)過這么一番改造，我們能得出什么結(jié)論？
第一，時(shí)間會(huì)變慢！在站臺(tái)上靜止的那個(gè)觀測者小靜看來，隨高鐵一起高速運(yùn)動(dòng)的小動(dòng)，他的時(shí)間變慢了！Wait，這什么意思？比如說，我們把尺度放大夸張一點(diǎn)的說，比如你爸，乘坐宇宙飛船，以極快的速度，達(dá)到了95%，甚至99%光速的速度朝宇宙深空當(dāng)中飛馳，往那邊跑了個(gè)20年30年，然后再以極高的速度返回地球，你會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，我爸怎么比我還要年輕？？？因?yàn)樗詷O高的速度運(yùn)行時(shí)，他的時(shí)間相對(duì)于你來說是變慢的，這個(gè)叫做鐘慢效應(yīng)！這個(gè)現(xiàn)象已經(jīng)被精確度極高的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，現(xiàn)在我們頭頂當(dāng)中的那些GPS的定位衛(wèi)星搭載的原子鐘，已經(jīng)充分地說明了這一點(diǎn)。
（當(dāng)然這里還有一個(gè)雙生子樣謬的謬論，感興趣可以參閱）
第二點(diǎn)呢，就是長度收縮效應(yīng)。你在站臺(tái)上看高速運(yùn)行的火車中人的時(shí)候，他們的腰會(huì)變細(xì)！所以，對(duì)于那些天天嚷嚷著我要減肥的妹子們來說，減肥的辦法還有一個(gè)，就是你每天飛速地跑，跑得非?？欤瑒e人看你啊，就變瘦了。
第三個(gè)呢，就是質(zhì)量會(huì)增加。什么意思？就是當(dāng)你以極高的速度奔跑，或者運(yùn)行的時(shí)候，自身會(huì)變得越來越“沉重”。當(dāng)然，這并不是一個(gè)非常精確的說法。但是我們可以暢想一下，比如說有的人說，光速不是不變嗎？怎么可能呢？我現(xiàn)在騎自行車，雖然我騎得很慢，但是如果我做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，我腳踩得飛快，能不能超過光速呢？對(duì)不起，如果你腳的腳踩得飛快的時(shí)候，你已接近光速，到光速的90%，甚至光速99.9%的時(shí)候，你自身的質(zhì)量會(huì)飛速增加，大自然會(huì)阻止你，讓你沒有辦法超越光速。也就是說，你踩得越快，越來越接近光速的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這車TM怎么變得這么沉了？
各有所愛
說到這兒了，你可能會(huì)覺得，愛因斯坦的相對(duì)論好像把牛頓的整個(gè)力學(xué)給做了全盤否定，那為什么牛頓的這一套理論，還被人類所接受長達(dá)200年呢？是因?yàn)槿祟愃幍倪@個(gè)時(shí)空系統(tǒng)，是一個(gè)低速運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，當(dāng)我們在討論問題的時(shí)候，什么高鐵的運(yùn)動(dòng)啊，騎個(gè)自行車啊，什么博爾特跑個(gè)一百米呀，老板跑個(gè)路啊，這些都是極低的速度，相對(duì)于光速來說。所以，在低速的環(huán)境下，愛因斯坦只不過對(duì)牛頓的力學(xué)做了一個(gè)非常小的修補(bǔ)，牛頓力學(xué)是完全適用的。
但是，一旦我們把這套系統(tǒng)擴(kuò)展到接近光速的尺度，牛頓力學(xué)就會(huì)立刻崩塌，它的基礎(chǔ)將不復(fù)存在。因?yàn)樵诟咚龠\(yùn)動(dòng)環(huán)境下，它符合的是洛倫茲變換，速度是不可以直接線性疊加的。
牛頓的動(dòng)力學(xué)和愛因斯坦相對(duì)論的動(dòng)力學(xué)，他們之間的關(guān)系有點(diǎn)兒像我們在地球上處理運(yùn)動(dòng)。比如說你在一個(gè)小縣城，由東走到西，那你完全可以按照平面上的運(yùn)動(dòng)方法進(jìn)行計(jì)算。但是如果我們要處理環(huán)球航海，把運(yùn)動(dòng)的尺寸提升到環(huán)球這樣一個(gè)大尺寸，那平面運(yùn)動(dòng)的計(jì)算就不合適嘛！因?yàn)榈厍蛟诰植靠梢钥闯梢粋€(gè)平面，但是整體來說，它就是一個(gè)球兒，是一個(gè)曲面吶！更多精彩內(nèi)容請戳脫口秀視頻。
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