文/老余

上篇留下一個(gè)疑問：

在《星際穿越》里，站在地上的女兒看坐在飛船里的爸爸是高速離去的，那站在爸爸的角度，地上的女兒也是在做高速的運(yùn)動(dòng)。那為何是爸爸的時(shí)間變慢了，而不是地球上的女兒時(shí)間變慢了呢？

《星際穿越》回來，父親沒怎么變，女兒變老了

這是因?yàn)閮扇说淖鴺?biāo)系不等價(jià)，在地上的女兒相當(dāng)于一直在做勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以時(shí)間沒有變化，而爸爸從地球出發(fā)要加速到接近光速，到達(dá)目的地有需要減速，回來時(shí)又需要加速，快到地球時(shí)又需要減速，他經(jīng)歷的不是勻速運(yùn)動(dòng)。

在相對(duì)論效應(yīng)里，父親經(jīng)歷的事件是絕對(duì)發(fā)生了的，所以是爸爸時(shí)間變慢了，而女兒的時(shí)間是不會(huì)變慢的。

前面兩篇，其實(shí)就說了兩件事：

1. 光速，在任何坐標(biāo)系下是不變的，光速竟然是個(gè)常數(shù)。比如你坐在時(shí)速為400公里/小時(shí)（111米/秒）的高鐵上向前射出一束光，這一束光相對(duì)于你的速度是30萬千米/秒，我站在地面上看這束光的速度也是30萬千米/秒，也就是說，不是疊加高鐵的速度（30萬千米 111米）/秒，這非常反直覺，但事實(shí)就是這樣，科學(xué)家已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。
2. 時(shí)間，在不同坐標(biāo)系下是可變的，時(shí)間流逝竟然不是絕對(duì)的。這也非常反直覺，在我們經(jīng)驗(yàn)里時(shí)間流逝是客觀的，我在這里過了一個(gè)小時(shí)，那應(yīng)該在任何地方對(duì)于任何人，都是過了一小時(shí)。但愛因斯坦說不對(duì)，高速運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間流逝與速度成反比，也就是說你速度越快，你的時(shí)間就會(huì)越慢，如果你無限接近于光速，你的一天是地面上的百年千年，這在理論上都是成立的。假如你運(yùn)動(dòng)的速度等同于光速，那你的時(shí)間就絕對(duì)靜止了——你，在我們眼里就變成了永恒。

關(guān)于以上兩點(diǎn)在直覺上非?！霸幃悺?，但已經(jīng)被物理學(xué)家證實(shí)了，感興趣的朋友可以在文末點(diǎn)擊查看詳情。

用相對(duì)論的眼光看時(shí)間不是客觀的，那物體的長(zhǎng)度呢？

也不是客觀的，而是相對(duì)的。

本篇，我們弄清楚如下這兩個(gè)問題：

1. 在相對(duì)論的語境里，長(zhǎng)度收縮是什么意思？
2. 牛頓力學(xué)和愛因斯坦相對(duì)論，到底是什么關(guān)系？

（一）在相對(duì)論的語境里，長(zhǎng)度收縮是什么意思？

前面，愛因斯坦看破了光速和時(shí)間，他的相對(duì)論遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，就連我們也以為客觀的空間距離、物體長(zhǎng)度，他都看破了，結(jié)論是：

——不客觀，兩點(diǎn)之間的距離、一個(gè)物體的長(zhǎng)度到底是多少，這得看你站在哪個(gè)坐標(biāo)系下。

我們還是拿《三體》中三體星與地球的距離舉例子吧：

大劉說三體星與地球的距離是4光年，假設(shè)你坐在“0.8倍光速”的飛船上去三體星旅游，我在地面上看你應(yīng)該是要飛5年時(shí)間才能到（時(shí)間=距離?速度，即4?0.8=5）。

這個(gè)沒錯(cuò)吧？

但因?yàn)橛袝r(shí)間膨脹效應(yīng)（高速運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間會(huì)變慢），根據(jù)第一篇的“鐘慢系數(shù)”，你自己感受到的時(shí)間其實(shí)是3年。

鐘慢系數(shù)（沒辦法了，不得不用公式，原諒我）

計(jì)算如下：你以0.8倍光速前進(jìn)，即V=0.8，代入式子根號(hào)下結(jié)果為0.6，那你的鐘慢系數(shù)=0.6，也就是你的時(shí)間快慢是常人的0.6倍，即你飛到三體的時(shí)間是5??0.6=3年。

在這里請(qǐng)注意：不管是地球上的我還是飛船上的你看來，你的飛行速度是一樣的，都是0.8c。

那對(duì)你飛船上的你來說，感受到的地球到三體的距離就比我們短了，因?yàn)椋?/p>

距離（L）=速度（V）??時(shí)間（T）

所以：你感受到的距離是：0.8C??3年=2.4光年，而我在地球上覺得你旅行的距離卻是4光年。

長(zhǎng)度，和時(shí)間一樣也是相對(duì)的概念，相對(duì)論的結(jié)論是：

一個(gè)物體的長(zhǎng)度在靜止/勻速下的坐標(biāo)系里是最長(zhǎng)的，如果你于這個(gè)距離、長(zhǎng)度有個(gè)相對(duì)速度，你會(huì)覺得它比靜止是短一些。

這，就是長(zhǎng)度收縮。

腦袋燒不燒？有沒有冒煙？

不管你是否能接受，但這就是經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯推導(dǎo)出來的，之所以我們無法體感到這些怪誕的結(jié)論，只是因?yàn)槲覀兲幵诘退龠\(yùn)行的世界里。

我們感受不到時(shí)間會(huì)變慢，即使空姐在天上飛一輩子，與地上的我們相比，時(shí)間變慢也沒有超過一秒；而地上的速度確實(shí)太慢，沒法讓我們感受到物體因運(yùn)動(dòng)而變短。

如果你接受了相對(duì)論，那現(xiàn)在的你可能會(huì)有一個(gè)巨大疑問：愛因斯坦的相對(duì)論，與牛頓的經(jīng)典力學(xué)，到底是個(gè)什么關(guān)系？

接下來，我們來探討這個(gè)問題。

（二）牛頓力學(xué)和愛因斯坦相對(duì)論，到底是什么關(guān)系？

——包含與被包含的關(guān)系。

牛頓力學(xué)體系可以完美解釋低速的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，但對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的事物無法解釋，而相對(duì)論統(tǒng)一了兩者，即能解釋低速的，還能解釋高速的。

換句話說，愛因斯坦的相對(duì)論比牛頓力學(xué)更精準(zhǔn)，更接近本質(zhì)，他把牛頓力學(xué)體系包含進(jìn)去了。

比如速度疊加的問題。

• 1、在低速的世界里，用牛頓力學(xué)或者說用我們的經(jīng)驗(yàn)來計(jì)算，與用相對(duì)論來計(jì)算的結(jié)果是一樣的。

假設(shè)你在時(shí)速V1=400千米/小時(shí)（111米/秒）的高鐵上射一發(fā)V2=700米/秒的子彈，我在靜止的地面觀察，這發(fā)子彈的速度是多少？

用我們樸素的經(jīng)驗(yàn)來計(jì)算很簡(jiǎn)單：V3=V1 V2=111 700=811米/秒。

速度是疊加的，沒錯(cuò)吧？

如果用相對(duì)論的公式計(jì)算呢？公式如下：

再次原諒我，沒辦法了

你看這個(gè)公式，如果“V1、V2”相對(duì)于光速實(shí)在太小，那右邊下面這一塊就無限接近于“1”（光速c實(shí)在太大，何況是c2？），那計(jì)算的結(jié)果也就無限接近于“V3=V1 V2”。

也就是說，在低速運(yùn)動(dòng)下，牛頓力學(xué)與相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果趨于一致，誤差小到可以忽略不計(jì)。

我們?cè)倏锤咚龠\(yùn)動(dòng)的情況，就完全不一樣了。

• 2、在高速運(yùn)動(dòng)的世界里，牛頓力學(xué)計(jì)算出來的結(jié)果就會(huì)非常荒唐，而相對(duì)論還是那么正確。

還是你站在高鐵上，唯一不同的是你站在的是未來的高鐵上。

這列高鐵以時(shí)速V1=0.5倍光速（0.5c）在前進(jìn)，你在高鐵里用手電打一束光，速度V2當(dāng)然就是“c”本身。

那我在靜止的地面觀察，這一束光的速度是多少？

要是按照樸素的經(jīng)驗(yàn)來V3=V1 V2=0.5c 1c=1.5c。

那這個(gè)V3不就超過了光速了嗎？

而迄今為止，無論在地球上還是在深邃的宇宙里，科學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)一種東西比光速快！

所以這個(gè)結(jié)果是荒謬的。

也就是說，牛頓力學(xué)解釋高速運(yùn)動(dòng)是不適用的，高速運(yùn)動(dòng)超出了牛頓力學(xué)的解釋范圍。

我們?cè)倏聪鄬?duì)論，把“V1=0.5c、V2=1c”代入，結(jié)果是：V3=1.5c?（1 0.5）=1c。

這與我們前面的結(jié)論是一致的：

——光速，在任何坐標(biāo)系下是一個(gè)常量“c”。

（在上篇有朋友問：要是我在速度等于光速的飛船上看別的地方的一束光，它的速度是多少？會(huì)不會(huì)看到的這束光就是靜止的？代入以上公式就知道，不是靜止的，他的速度還是c）

如果你把“V1、V2”換成任意速度，在這個(gè)公式下V3都不可能超過“光速c”。這當(dāng)然是與客觀觀察結(jié)果是一致的，沒有物體的速度超過光速，起碼迄今為止還沒有。

你看，在速度上，相對(duì)論把經(jīng)典力學(xué)包含了進(jìn)去。

不僅僅是在速度上，物理學(xué)家把愛因斯坦相對(duì)論及推論與牛頓力學(xué)的所有公式及推論比較，基本都是這樣的結(jié)果——相對(duì)論解釋的范圍更廣更精準(zhǔn)。

比如質(zhì)量和能量，在牛頓的眼光里，質(zhì)量和能量肯定不是一回事，肯定是兩類東西，而愛因斯坦說其實(shí)這兩者是一回事，由此發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量和能量相互轉(zhuǎn)化的公式，即石破天驚的質(zhì)能方程：

E=mc2。

正是這個(gè)方程，催生出了原子彈，也正是這個(gè)方程，讓能源危機(jī)得以緩解成為可能（只需要一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量，就能變?yōu)榫薮蟮哪芰?，光速的平方這個(gè)數(shù)字實(shí)在是太大了）。

這一切都在說明，愛因斯坦站在巨人們的肩上向前走了一大步，他用更高階的思維把牛頓的經(jīng)典力學(xué)包含進(jìn)去了。

相對(duì)論，更接近本質(zhì)。

愛因斯坦，真的是神一般的存在！

（三）結(jié)語

當(dāng)我們覺得地球是宇宙的中心時(shí)，我們以為這就是本質(zhì)，但后來哥白尼說這不是本質(zhì)，我們這里不是宇宙的中心，地球和天上億萬顆星星沒有區(qū)別，天上和地下是一回事。

當(dāng)開普勒看破天體運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是引力后，牛頓再一次統(tǒng)一了天上和地下的力學(xué)——不但天體之間有引力，宇宙萬物只要有質(zhì)量，都會(huì)有引力，地球上的任何物體之間，任何物體與地球之間，都有引力。

而愛因斯坦再次擴(kuò)充了牛頓的體系，把低速運(yùn)動(dòng)與高速運(yùn)動(dòng)的所有物理現(xiàn)象都統(tǒng)一了起來。

你看，物理學(xué)家在紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象中抽絲剝繭，一直在簡(jiǎn)化這個(gè)世界，比誰的公式更簡(jiǎn)潔漂亮的同時(shí)，還在比誰的解釋范圍更大。

而正當(dāng)大家都在消化狹義相對(duì)論時(shí)，愛因斯坦萌生了更大的雄心，那就是“我能不能再次飛躍，用一個(gè)理論解釋更廣的物理現(xiàn)象，讓這個(gè)世界的所有物理現(xiàn)象歸為大一統(tǒng)？”

他的這種雄心壯志會(huì)成功嗎？

這是我們下一篇要討論的內(nèi)容。

（完）