提起愛因斯坦的相對論，大家往往首先想到的是時間旅行，四維時空這些充滿科幻色彩的詞而覺得它充滿了神秘而對其敬而遠(yuǎn)之。其實(shí)相對論和量子力學(xué)一樣，都是基于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)建立起來的并經(jīng)過嚴(yán)格驗證的理論。我們之所以覺得它們神秘是因為它們得出的結(jié)論顛覆了我們?nèi)粘＝?jīng)驗的直覺，但只要我們從正確的角度去了解它們，其實(shí)也不是不能有所感悟。當(dāng)然，相對論所涉及到的數(shù)學(xué)物理知識的確很深奧，但我們可以撇開那些深奧的部分先從最簡單的角度去著手。
相對論分為狹義相對論和廣義相對論，我們先從最簡單的角度看看狹義相對論。在討論狹義相對論的時候，我們首先要明確兩個基本前提，一是一切物理定律在所有慣性參考系中是等價的，這很好理解，另一個就是光速是不變的。怎么理解光速不變呢？我么都知道在實(shí)際生活中，速度是相對的，比如我們站在鐵軌旁，一輛100m/s的火車經(jīng)過，如果火車上有一個人沿著火車前進(jìn)的方向以1m/s的速度走動，那么相對于我們來說，看那個人的速度是101m/s，但對火車上的其他人來說，這個人的速度是1m/s，但對于光來說卻不是這樣，光的速度是恒定不變的，也就是說如果把那個人換成是光，無論對車上的人還是車下面的人，光速都是不變的。不管我們迎著光還是背著光去測量光速，它都是定值，這也是經(jīng)過大量實(shí)驗所驗證的。只要我們理解光速的不變性，我們甚至可以用初中的知識來推導(dǎo)出時間和尺度的相對性。
如圖所示，假設(shè)我們從地面上觀察一個飛船，從A處飛到B處，同時飛船上有一個光，從底部運(yùn)動到頂端，那么在地面上的人看來，飛船走的距離是vt，光走的距離是ct，而飛船上的人則看到光走的距離是ct‘，其中假設(shè)t是地面上人觀察這一過程所花的時間，t’是飛船上人觀察這一過程的時間，這三個距離則組成一個直角三角形，根據(jù)勾股定理我們可以得到(ct’)2+(vt)2=(ct)2
由此可見，雖然是同一過程，但飛船上的時間相對地面的時間的確是不一樣，時間的確是相對的。這一結(jié)論已經(jīng)過實(shí)驗的證明，我們平常很難感覺到時間的相對性是因為我們的速度相對光速太慢了，哪怕以超音速飛機(jī)為例，按照音速340m/s來計算，340x340/c2=0.00000000000128，帶入上式后基本上t‘=t。通過上面的式子我們很容易看出，隨著速度的不斷變大，時間的相對性也就越明顯。當(dāng)以光速運(yùn)動時，t’=0，這就是時間靜止的由來，當(dāng)速度大于光速，根號下就是負(fù)數(shù)，計算出來就是虛數(shù)，這就是大家認(rèn)為我們可以以超光速的速度穿越時空進(jìn)行時間旅行的原因。
基于此甚至產(chǎn)生了一個著名思想實(shí)驗，即雙生子佯謬。假設(shè)有一對雙生兄弟，其中一個跨上一宇宙飛船作接近光速的長程太空旅行，而另一個則留在地球。結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球后，我們發(fā)現(xiàn)他比他留在地球的兄弟更年輕。但如果以飛船上旅行者的角度觀察，旅行者自己是靜止的，地球上的兄弟在做近光速運(yùn)動，那么地球上的時間則變慢了，當(dāng)旅行者返回時地球上的兄弟更年輕才對，可見，從不同的角度分析其結(jié)論是不同的，而且是相互矛盾的。究竟是乙比甲年老了許多還是甲比乙年老了許多？還是兩者都錯了，二人應(yīng)該一樣年輕？這個命題就叫做“雙生子佯謬”。由于地球可近似為慣性系，甲要經(jīng)歷加速與減速過程，是變加速運(yùn)動參考系，真正討論起來非常復(fù)雜，因此這個愛因斯坦早已討論清楚的問題，被許多人誤認(rèn)為相對論是自相矛盾的理論。如果用時空圖和世界線的概念討論此問題就簡便多了，只是要用到許多數(shù)學(xué)知識和公式。但我們可以這么去理解，其實(shí)無論他們怎么比較，都是他們各自以自己的體系去和別的體系去比較，但如果他們只跟自己比較，其實(shí)感覺到的時間流逝是一樣的，旅行者對自己衰老速度的感覺和地球上他兄弟對自己衰老速度的感覺是一樣的，不會說因為你運(yùn)動快就感覺自己衰老速度變慢。也就是說時間在同一個系統(tǒng)中快慢的感覺是一樣的，只有在跟其他體系做比較時，才會相對它體系存在差異。狹義相對論還存在另外一種效應(yīng)即尺縮效應(yīng)?？梢圆捎猛瑯拥姆椒?，證明運(yùn)動物體的長度隨觀察者與運(yùn)動物體之間的距離的減少，還存在長度伸長的效應(yīng)。通過以上討論，我們清楚了，同時性是相對的還是絕對的取決于觀察時間的方法，離開這一點(diǎn)強(qiáng)調(diào)同時性是相對的還是絕對的是沒有意義的。即使按照同時性是相對的觀點(diǎn)，時間除了膨脹效應(yīng)外，還應(yīng)有收縮的效應(yīng)，所以說雙生子佯謬本身是不存在的。
另外愛因斯坦還推導(dǎo)出了質(zhì)速關(guān)系，即
表明，物體的慣性質(zhì)量并非一個不變的常數(shù)，而是會隨著速度v的加快而變大。當(dāng)速度v趨于光速c時，原本靜質(zhì)量只有m0的物體，運(yùn)動質(zhì)量m會增大到無窮。這也是為什么對于那些擁有靜質(zhì)量的物體，光速是不可能達(dá)到的極限；而對于那些沒有靜質(zhì)量的物體，光速就是它們的唯一所能運(yùn)動的速度。結(jié)合牛頓定律往下推，就可以得到大名鼎鼎的質(zhì)能方程
質(zhì)能方程則揭示了質(zhì)量和能量在本質(zhì)上是等價的，為原子彈氫彈等核武器的研究提供了理論基礎(chǔ)。
以上就是狹義相對論所涉及到的一部分大家都喜聞樂見討論的內(nèi)容。而廣義相對論其實(shí)是將相對論效應(yīng)擴(kuò)展至非慣性系：引力等同于時空彎曲。簡單說，就是萬有引力只是表象，真實(shí)的原因是物質(zhì)的質(zhì)量導(dǎo)致了它周圍的時空發(fā)生了彎曲，物質(zhì)在彎曲空間中做最短線運(yùn)動。換句話說就是物質(zhì)引起周圍時空的彎曲，時空的彎曲決定了周圍物質(zhì)的運(yùn)動方式。廣義相對論還預(yù)言了黑洞、引力波等，這些也都得到了證實(shí)。
當(dāng)然，其實(shí)相對論所涉及到的理論遠(yuǎn)不是文中所講的那么簡單，但只要我們敢于先從最簡單的角度入手去嘗試了解它，它才會變得不那么神秘與高深，從而幫助我們更理性和深刻的認(rèn)識這個世界。
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