只要你活得足夠長，見識足夠廣，你就會發(fā)現(xiàn)所謂“平凡的日子”，其實(shí)是一個假象。我們生活的這個世界非常喜歡搞事情，其中有一些不可思議的大事件。
納西姆·塔勒布在《隨機(jī)生存的智慧》這本書里有句話說，100個人里面，50%的財富，90%的想象力，和100%的智力勇氣，都是集中在某一個人身上 —— 盡管不一定是同一個人。
這個世界就是這么喜歡不均勻的分布。
1905年這一年，全世界的智力勇氣，大約都集中在愛因斯坦身上。
1.奇跡
現(xiàn)在我們一般把1905年稱為“愛因斯坦奇跡年”。我記得2005年的時候，物理學(xué)家們還專門組織活動紀(jì)念愛因斯坦奇跡年的一百周年 —— 別的名人都是紀(jì)念誕辰或者逝世多少周年，而愛因斯坦應(yīng)該按照奇跡年紀(jì)念。
伯爾尼瑞士專利局的助理鑒定員阿爾伯特·愛因斯坦，利用業(yè)余時間開展科學(xué)研究，于1905年發(fā)表了六篇物理學(xué)論文。其中四篇，用物理學(xué)家楊振寧的話說，引發(fā)了人類關(guān)于物理世界的基本概念 —— 時間、空間、能量、光和物質(zhì) —— 的三大革命。
1905年6月9日，愛因斯坦發(fā)表《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的一個啟發(fā)性觀點(diǎn)》。當(dāng)時物理學(xué)家認(rèn)為光是一種連續(xù)的波動，而愛因斯坦在這篇論文里針對“光電效應(yīng)”這個現(xiàn)象，提出一個解釋，說光的能量不是連續(xù)變化的，而是一份兒一份兒的 —— 是“量子”化的。這篇論文開啟了量子力學(xué)。
7月18日，愛因斯坦發(fā)表《熱的分子運(yùn)動論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運(yùn)動》，解釋了布朗運(yùn)動。人們一直都在猜測世間的物質(zhì)都是由分子和原子組成的，但是因?yàn)榉肿釉拥某叨忍?，顯微鏡根本看不到，一直沒有直接的證據(jù)。而在將近80年前，英國植物學(xué)家羅伯特·布朗用顯微鏡觀察到水面上的花粉顆粒一直在做永不停息的不規(guī)則的運(yùn)動。愛因斯坦這篇論文說，花粉之所以會動，那是水分子的熱運(yùn)動在不停地推它的結(jié)果 —— 而且他能據(jù)此準(zhǔn)確計算水分子的性質(zhì)。這篇論文是人類第一次實(shí)錘證明了分子和原子的存在。
9月26日，愛因斯坦發(fā)表《論運(yùn)動物體的電動力學(xué)》，這篇論文就是狹義相對論。
11月21日，愛因斯坦發(fā)表《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》，這篇論文用狹義相對論推導(dǎo)出現(xiàn)在盡人皆知的公式 —— E = mc^2，并據(jù)此說明質(zhì)量和能量其實(shí)是一回事兒。
這些論文實(shí)在太革命，它們剛出來的時候都讓物理學(xué)家有點(diǎn)兒懵。但是短短幾年之后，就獲得了實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)，并且被普遍接受。到1921年，講光電效應(yīng)的那篇論文還得了一個小獎，叫“諾貝爾獎”。
我有時候就想，如果把一個現(xiàn)代物理學(xué)家穿越到1905年去，他敢不敢用這個速度發(fā)表那些論文，敢不敢一個人獨(dú)占這么多革命的榮譽(yù) —— 我覺得小說都不敢這么寫。
沒錯，愛因斯坦是專門來改變世界的。
2.愛因斯坦的斷言
不要被愛因斯坦的光環(huán)所嚇倒！我們一開始就說了，狹義相對論是個簡單的理論。
到現(xiàn)在這一步，一切的危機(jī)就是一個問題：麥克斯韋電動力學(xué)解出來的光速，到底是相對于誰的。實(shí)驗(yàn)證明光速與光源的速度無關(guān)，而以太不存在，地球上哪個方向的光速都一樣。那這件事兒你到底怎么面對。
現(xiàn)在愛因斯坦出手了。
我不知道你小時候?qū)W物理的時候想過沒有，既然物理定律都能用數(shù)學(xué)表示，數(shù)學(xué)如此重要，那所謂物理學(xué)，是不是無非就是數(shù)學(xué)應(yīng)用題呢？對做題的學(xué)生來說，物理題的確很像數(shù)學(xué)應(yīng)用題。但是物理學(xué)家可不是拿著定律做題的人，他們是提出定律的人。
物理學(xué)家做的事情，是你敢不敢對這個世界是怎么回事兒，提出一個假設(shè)。然后你再去驗(yàn)證這個假設(shè)。
做這件事，除了數(shù)學(xué)，你還得有智力勇氣，你還需要“物理直覺”。愛因斯坦的天賦就在這里。
愛因斯坦提出相對論的論文題目叫做《論運(yùn)動物體的電動力學(xué)》，直接說的就是光速危機(jī)。愛因斯坦的解決方案是一個撥云見日的斷言 ——
一切勻速直線運(yùn)動或者靜止的坐標(biāo)系下，物理定律都是一樣的，句號。
這句話叫做“相對性原理”。它是伽利略相對論的推廣。伽利略說*力學(xué)*在一切勻速直線運(yùn)動和靜止的坐標(biāo)系中是一樣的，而愛因斯坦現(xiàn)在說不用非得是力學(xué)，一切物理定律 —— 包括電動力學(xué) —— 都是一樣的。
這其實(shí)就是我們一開頭說的那個物理學(xué)家的簡單信念。而有意思的是，光速不變，可以說就包括在相對性原理之中。不管你是哪個勻速直線運(yùn)動的坐標(biāo)系，電動力學(xué)都一樣，所以解出來的光速自然也都一樣，光速
c = 299,792,458 米/秒.
光速是相對于誰的？答案是不管相對于誰，它都是同一個數(shù)。物理學(xué)家用英文小寫字母 c 來代表光速，它不是一個變量，它是一個常量。
這也就意味著，不管你是站在地面靜止不動，還是在飛奔的高鐵上，還是在以接近光速飛行的宇宙飛船上，當(dāng)你看到一束光的時候，這束光的速度永遠(yuǎn)都是 c。
那怎么會是這樣呢？難道不同坐標(biāo)系下的速度不應(yīng)該疊加嗎？難道我迎著光走的時候光速相對于我不應(yīng)該更快一點(diǎn)嗎？
愛因斯坦說，不是。不是光有問題，是你的時空觀有問題。
3.時間的膨脹
只要你堅(jiān)信相對性原理和光速不變，狹義相對論的各個結(jié)論就都可以用數(shù)學(xué)推導(dǎo)出來。
咱們現(xiàn)在來做一個思想實(shí)驗(yàn)，看看真實(shí)時空的一個小秘密。
下面這張圖中是個長條形的盒子。盒子的一端（A）有一個發(fā)射裝置，它可以在垂直方向發(fā)射一個光脈沖，另外一端（B）是一面鏡子。我們要研究的就是光從盒子的一端出來，到達(dá)鏡子，然后再反射回來，這么一個過程。
為此，我們首先要定義兩個“事件”。在相對論里時間和空間都是相對的，但是事件是絕對的，發(fā)生了就是發(fā)生了，沒發(fā)生就是沒發(fā)生。
我們把光離開盒子的發(fā)射端這件事兒稱為“事件1”，把光經(jīng)過鏡子反射之后又回到這個地方，稱為“事件2”。我們假設(shè)盒子兩個端點(diǎn)之間的距離是 L。
好?，F(xiàn)在請問，事件1跟事件2這兩件事之間，間隔了多長時間呢？
如果你跟盒子是在同一個坐標(biāo)系內(nèi) —— 也就是說，盒子相對于你是靜止的 —— 那么答案非常簡單，小學(xué)生都會算：光走的路線是兩倍的 L，而光速是 c，所以時間是 Δt = 2 L/c.
但是，如果你跟盒子不在同一個坐標(biāo)系內(nèi)，答案就不是這樣了。我們假設(shè)你站在地面不動，而盒子相對于你，以速度 v 在水平的方向上有一個運(yùn)動，如下圖 ——
盒子在動你不動，那么在你看來，從光離開發(fā)射裝置（事件1）到光打到鏡子上，這個路線就不是垂直的了，因?yàn)槭录?之后盒子要走過一小段距離?，F(xiàn)在光要走的路線是一個以 L 為直角邊的一個直角三角形的斜邊，我們用 D 表示。
所以在你看來，事件1和事件2的間隔時間應(yīng)該是 Δt' = 2 D/c。
斜邊總是比直角邊長，D > L，所以 Δt' > Δt。這也就是說，同樣的兩個事件之間的間隔，你跟著盒子在一起的時候感覺到的時間，會比你跟盒子之間有個相對速度的時候，要短一些！
那到底短多少呢？這是一道平面幾何題，考慮剛才那個直角三角形的另一條直角邊長度是 v Δt'/2，你容易推導(dǎo)出來
我們可以想象一個人跟著盒子走，另一個人在地面看著盒子走，那么這個公式說，在看著盒子走的人看來，自己的時間過得比較快，而跟著盒子走的那個人的時間比較慢。
用老百姓的話說，這就是“運(yùn)動物體的時間會變慢！”
我們推出這個怪異的結(jié)論，唯一用到的假設(shè)就是光速不變。在尋常的情況下，比如你讓一個初中生做這道題，他一定會假設(shè)時間不變，是光速要變。
所以你一定得非常相信光速在任何坐標(biāo)系下都不變才行。
4.尋常不尋常
怎么理解時間變慢這個現(xiàn)象呢？是我們測量用的表有問題嗎？不是。
根據(jù)相對性原理，物理定律在任何一個勻速直線運(yùn)動的坐標(biāo)系都應(yīng)該一樣，表根本就感覺不到自己是在運(yùn)動還是靜止。不但表感覺不到，如果你跟著盒子一起動，你的意識、你身上的每個細(xì)胞，組成你的每個原子，也都感覺不到任何問題。
是時間本身，變慢了。
而這個“變慢”也是相對的。運(yùn)動的你完全感覺不到慢，是在地面不動的我，覺得你慢。
而且這個效應(yīng)普遍存在，你總是可以假想這個有光的盒子。只要你相對于我有個速度，我看你的時間就比我慢。
為什么我們平時感覺不到這個效應(yīng)？因?yàn)槲覀兤綍r的相對速度都太低了。只有在 v 相對于 c 不是特別小的情況下，相對論效應(yīng)才會明顯。
那你馬上就能想到，如果你能來一段高速的長時間的旅行，再回到我身邊，你豈不是就會比我老的慢嗎？是的！這個效應(yīng)已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明了，咱們下一講再說。
| 禪定時刻
如果你覺得相對論怪異，那這一切的怪異都是來自光速不變?？墒枪馑贋樯恫蛔兡兀?/p>
復(fù)旦大學(xué)中文系的嚴(yán)鋒教授，曾經(jīng)有個調(diào)侃，說我們這個宇宙其實(shí)是一個計算機(jī)模擬，因?yàn)橄到y(tǒng)的計算能力有限，所以必須給光速設(shè)這么一個上限。
但是從物理學(xué)角度，我們知道光速其實(shí)是從麥克斯韋方程組解出來的 —— 它是這幾個數(shù)學(xué)方程的一個漂亮的性質(zhì)。你要覺得光速怪異，首先應(yīng)該問為什么麥克斯韋方程組是這樣的，為什么能解出電磁波來。
這么想的話，答案就是因?yàn)槲覀冞@個世界本來就是這么奇妙。
你想想，為什么會有“光”這個東西存在？為什么一個帶電粒子做點(diǎn)有變化的運(yùn)動，它就會產(chǎn)生光呢？這難道不怪異嗎？
看看我們的周圍。這個世界的存在本身，就已經(jīng)是一件不可思議的事情！那相對論又有什么可奇怪的呢？只不過相對論是個高速效應(yīng)，而我們熟悉的東西恰好都是低速的而已。
