前言

• 最近去影院看了《星際穿越》，很棒。有種說法是：全體觀眾都看跪了，一部分是因?yàn)橛捌袅?#xff0c;跪了。一部分則是完全沒看明白，跪了。影片中出現(xiàn)了牛頓定律，相對論，蟲洞，黑洞等概念，而且對這些概念的解釋也是點(diǎn)到為止，有些概念甚至沒有做任何說明，這樣對不愛理科的文科生來說確實(shí)有些吃力。次日在路上一對情侶關(guān)于相對論的對話，也是讓我跪了，決定拿起鍵盤，站在無數(shù)巨人的肩膀上，宣傳科學(xué)。同時也督促那些萌妹子，碰到這樣忽悠你的男生，能分就分了吧，O(∩_∩)O哈哈~
  
• 相對論不是造原子彈的理論，也不是讓我們高不可攀、距離我們無比遙遠(yuǎn)的理論。恰恰相反，他是我們可以理解的理論，也是和我們的世界息息相關(guān)的理論
  
• 定位：只要對知識有渴望的人類都能看懂（如果有萌妹子被追求者拉著去看高智商的《星際穿越》，之后對您進(jìn)行天馬行空地忽悠，然后您對他產(chǎn)生崇拜感，并最后把您忽悠到手，如果您有這樣的經(jīng)歷，那本文更是為您量身打造），本文力求通俗易懂，且不會對電影劇透，只是傳播相對論相關(guān)的知識，目標(biāo)就是傳播知識，讓所有人了解相對論。
  
• 既然是科學(xué)，嚴(yán)謹(jǐn)必不可少，由于筆者知識有限，出現(xiàn)差錯在所難免，所以本文也開啟了標(biāo)注權(quán)限，讀者可以對文章進(jìn)行在線標(biāo)注，歡迎批評斧正，歡迎吐槽，同時可以小楊同志的微博進(jìn)行交流。這么高深的理論和蓋房子、做飯是不一樣的，后者可以通過自己實(shí)戰(zhàn)來總結(jié)，對于相對論我沒有任何數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)或者實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷，所有的理論成就都?xì)w物理學(xué)家，而我只是學(xué)習(xí)歸納總結(jié)。為了更好地理解相對論，本文決定從經(jīng)典物理入手，對其提出質(zhì)疑，然后引出主題相對論。關(guān)系不是特別緊密的知識點(diǎn)將不再贅述，也希望讀者能從頭開始讀，不要直接跳到相對論的章節(jié)，前面的鋪墊真的很有必要。讀完本文之后，如果萌妹子不再被騙，那絕對是令人振奮的事兒（我太邪惡了）；如果您真的對相對論有所了解，并且可以解釋最基本的因果關(guān)系，那我的努力真的沒有白費(fèi)；如果您真的明白了，并且通過擴(kuò)展閱讀對相對論有了更深的了解，并且加入到了科普的行列，在下感激不盡！！
  
• 感謝ghosert提供了如此偉大的作業(yè)部落。更需要感謝科普斯坦汪潔的《時間的形狀》[^shijian]，相比《時間簡史》《黑洞與時間彎曲》[^xiangduilun]，這是最棒的相對論入門書，也是本文的主要知識來源。

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必須扯清楚的5個問題

• 波普爾的科學(xué)證偽性與預(yù)言性。什么是證偽性？顧名思義，就是可以證明它是假的？對，你太聰明了。你也許會有抄板磚的沖動：“可以證明它是假的，那還是科學(xué)嗎？！”。別著急，這句話應(yīng)該這么理解：所有的科學(xué)道理，物理規(guī)律都是可以證偽的（也就是無法被證實(shí)），但是是尚未證偽的。我能感覺到，您的板磚已經(jīng)拍了我。注意，不要打斷我，如果看完下面的例子你還是不明白，我自己拍。

  
  天下烏鴉都是黑色的。這是一條大家都知道的常識，但是這句話被證實(shí)了嗎？顯然沒有，你發(fā)現(xiàn)了中國的烏鴉和外國的烏鴉都是黑色的，那你無法證明所有的烏鴉都是黑色的，就算你找到了全世界所有所有的烏鴉，那你還是沒有證實(shí)這句話，因?yàn)槟銦o法證明過去的烏鴉或者以后的烏鴉也會是全部黑色。“你TMD不是抬杠嗎？”，我又一次被拍了。我沒有抬杠，因?yàn)槟愦_實(shí)沒有拿出全部的事實(shí)去證實(shí)，咱搞科學(xué)要嚴(yán)謹(jǐn)。但是，現(xiàn)在可以大膽地立下一個預(yù)言：天下烏鴉就是黑色的。如果有一天你在非洲某一個角落發(fā)現(xiàn)了一只烏鴉，我不用看，它肯定是黑色的，屢試不爽。假如真有一天您真的發(fā)現(xiàn)了白色的烏鴉，好！那這條規(guī)律就被推翻了。也就是我們的科學(xué)規(guī)律，僅僅是現(xiàn)在正確罷了，以后誰知道（所以，懷疑精神很重要！！被九年義務(wù)教育摧殘的我們啊）

  好，現(xiàn)在回歸到正統(tǒng)的物理學(xué)，當(dāng)一個小球從你的眼前飛過，如果知道當(dāng)前的速度和位置，那完全可以計(jì)算出它是怎么飛過來的以及以后將如何運(yùn)動，幾百年過去了，這個規(guī)律沒有人懷疑。到了20世紀(jì)，當(dāng)我們研究放眼到高速運(yùn)動的物體或者開始研究粒子的時候，牛頓定律也就不再適用了。以后會講到。

  判斷下面這句是否符合科學(xué)的證偽性與預(yù)言性：天底下有白色的烏鴉。然后你開始全世界尋找烏鴉，找到所有的烏鴉后發(fā)現(xiàn)都是黑色的，那你也沒有推翻這句話，只能說你沒找到白色的而已。貌似這句話不能夠被證偽，無法推翻，那它真的是條規(guī)律嗎？不是，如果它是一條規(guī)律，那它應(yīng)該可以預(yù)言一下，在什么時間什么地點(diǎn)會出現(xiàn)白色的烏鴉呢？顯然無法預(yù)言。所以這句話不是什么規(guī)律。

  總結(jié)：科學(xué)規(guī)律具有證偽性和預(yù)言性。科學(xué)道理不能用擺事實(shí)，講道理去證明它。只能是就現(xiàn)在的事實(shí)，總結(jié)出規(guī)律，提出一種預(yù)言，直到有一天它被推翻

• 相對論是造原子彈的理論嗎？這句話顯然是不對的，在狹義相對論里面，確實(shí)出現(xiàn)了質(zhì)能方程

  E=mc2 原子彈和這個方程又有什么關(guān)系呢？，下面舉個例子：

  
  村里面有人放了一個屁，全村人都被熏死了，大家都不知道這個屁的成分。但是你還是無法阻止這個人放第二個同樣的屁來熏死大家。直到有一天，來了一個化學(xué)家，經(jīng)過他的分析，找到了這個屁為什么這么臭的根本原因。

  原子彈也是同樣的道理，盧瑟福早先經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確實(shí)驗(yàn)證了，放射性元素可以釋放大量能量這樣的事實(shí)，但是他也不知道為什么，核物理學(xué)家只是根據(jù)這個事實(shí)，造出了威力無窮的原子彈。但是威力為什么如此巨大呢？有沒有量化的標(biāo)準(zhǔn)或者公式？愛因斯坦做出了解釋，就是那個震古爍今的質(zhì)能方程。

• 思維實(shí)驗(yàn)，說白了就是想象，意淫的能力。有時候并不是所有的結(jié)論都需要用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，僅僅需要推理就可以得到結(jié)果。甚至有些實(shí)驗(yàn)是不具備實(shí)驗(yàn)條件的，這時候也只能靠思維實(shí)驗(yàn)了。舉個例子：

  兩個鐵球同時落地：這個是不需要伽利略爬上比薩斜塔的。呵呵。看看下面的對話。
  
  伽利略：您說重的鐵球比輕的先落地？
  亞里士多德：對的！
  伽利略：如果我把一個重的一個輕的綁在一起，那是不是整體質(zhì)量超過了那個重的？并且這個整體會比單獨(dú)的重的鐵球先落地？
  亞里士多德：對！！
  伽利略：被綁在一起的那輕的鐵球會比重的鐵球速度慢，也就是會阻礙重的鐵球。
  亞里士多德：對的！！
  伽利略：那速度會低于單獨(dú)的重鐵球，但是它倆的質(zhì)量比單獨(dú)的鐵球重，不矛盾嗎？
  亞里士多德：？？？我想想！！。。。
  其實(shí)相對論完全離不開愛因斯坦超級牛叉的大腦，思維實(shí)驗(yàn)。

• 佯謬。就是咋一看是這樣子，而且確定無疑，但是仔細(xì)想想，卻不是這樣子的。比如，A學(xué)校男女比例是1：5，B學(xué)校的男女比例是10：1，那能說A學(xué)校的女生比B學(xué)校的女生多嗎？不是。下面開始正題了。

• 奧卡姆剃刀原理：如無必要，無增實(shí)體。如果你發(fā)現(xiàn)了一個很奇怪的現(xiàn)象或者規(guī)律，你需要給別人解釋這種現(xiàn)象，你會作出各種假設(shè)，有復(fù)雜的有簡單的，目的就是讓人理解，那么最簡單，簡短的解釋是最接近事實(shí)的。還有，如果你需要一個東西去支撐你的力量，如果他不存在，那就不要假設(shè)，直接認(rèn)為他不存在，這樣就不會對結(jié)果產(chǎn)生影響

我們所認(rèn)識的世界

• 一提到經(jīng)典物理學(xué)，首先映入腦海的肯定是牛頓，其實(shí)在牛頓之前還有一個偉人，這個人為牛頓的成就打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，他就是伽利略（人家大學(xué)是醫(yī)學(xué)專業(yè)）。

  回想前面的思維實(shí)驗(yàn)，兩個鐵球同時落地，也就是說兩個鐵球降落的速度和他們的質(zhì)量是無關(guān)的。這也就引申出了伽利略的第一個廣為人知的成就：自由落體定律，這個定律說的是如果不考慮空氣阻力的話，那任何物體下降的速度都是一樣的，且都是呈固定的加速度。

  伽利略的第二個成就：慣性定律，（其實(shí)這就是我們熟悉的牛頓第一定律，只是沒有牛頓表述得精確，優(yōu)美，最后把這個功勞歸功于牛頓了）。一個U形管，一個小球，從一端放入小球，如果U形管足夠光滑，那它會滑到另一端的最高處。伽利略沒有停，假如U形管的右半部分傾斜如下圖，那它還是會滑到最高處，可以這樣理解，那個小球不到最高誓不罷休，伽利略依然沒有停，假如把U形管的下部拉長，那這個小球還是會繼續(xù)向前奔跑，直到達(dá)到右側(cè)的最頂端。
  
  如果把右側(cè)拉平并且下部無限長呢？小球也必然會不停地向前執(zhí)著地奔跑，直到找到那個最高點(diǎn)，決不罷休。
  
  伽利略的結(jié)論是：在一個完美光滑的表面運(yùn)動的物體，會有一種保持這個運(yùn)動的“慣性”，除非有外力阻止這個慣性，伽利略稱之為“慣性定律”。

• 伽利略的相對性原理。不要被名字嚇到，相信您看完這一小節(jié)之后，您肯定會想：“如此簡單的規(guī)律，如果我活在那個時代多好，我肯定是個科學(xué)家”。

  相對性原理：在任何慣性系中，力學(xué)規(guī)律保持不變。這句話，您唯一不認(rèn)識的估計(jì)就是這個慣性系了。該如何理解呢？理科生可以跳過這一段了。為什么挑選慣性系這個特殊的場景？假如A和B，A在陸地，B在勻速行駛的船上。我們可以說A是靜止的，B是運(yùn)動的嗎？那顯然是不行的。因?yàn)榕袛嘁粋€物體是靜止還是運(yùn)動，是需要一個參照物的。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f，A相對于陸地是靜止的，但是A相對于船來說就是運(yùn)動的。B也一樣，B相對與陸地是運(yùn)動的，但是相對于船來說，就是靜止的。所以，參照物很重要。

  好的，我們繼續(xù)，B在勻速運(yùn)動的船上（是一個運(yùn)行非常穩(wěn)定，沒有顛簸，非常勻速的船），現(xiàn)在把船上所有的窗戶關(guān)上，那這時候B知道他相對地面是靜止的還是勻速運(yùn)動的嗎？那顯然是不知道的，我們都坐過火車（想象一個非常完美，沒有顛簸的火車），除非火車速度發(fā)生變化，否則我們是無法感知我們相對于地面是在動還是靜止。那能通過實(shí)驗(yàn)來證明B的狀態(tài)嗎？這時候B從手中釋放了一個小球，發(fā)現(xiàn)小球確實(shí)是垂直落了下來，然后B又用繩子將小球掛起來，發(fā)現(xiàn)繩子確實(shí)與水平線垂直。力學(xué)規(guī)律絲毫沒有變化，所以伽利略就將勻速運(yùn)動和靜止?fàn)顟B(tài)統(tǒng)稱為慣性系。試想如果此時船突然加速，那繩子必然將傾斜，力學(xué)規(guī)律就發(fā)生了變化，這也就是非慣性系了。大家一定要記得這個原理，因?yàn)橄鄬φ摼褪且獜倪@里顛覆經(jīng)典物理學(xué)的。

• 牛頓到底有多牛？
  

  摘抄一把：牛頓是歷史上最最偉大的煉金師，同時也是偉大的物理學(xué)家，天文學(xué)家，數(shù)學(xué)家，哲學(xué)家，神學(xué)家，而且對英國金本位制確實(shí)也起到了關(guān)鍵作用。物理方面：三大運(yùn)動定律，質(zhì)量守恒定律，能量守恒，動量守恒，萬有引力。數(shù)學(xué)方面開創(chuàng)了微積分學(xué)科。天文方面反射式望遠(yuǎn)鏡，光學(xué)色散和牛頓環(huán)。金融方面金本位制。哎，絕對是歷史上絕無僅有的，跨越了這么多的學(xué)科，以后也不會有這樣的全才，因?yàn)楝F(xiàn)在學(xué)科分的越來越細(xì)了

  上述的一些概念，不再進(jìn)行說明，顧名思義，也能猜出大概是什么意思，即使不懂這些，也無礙理解相對論。但是有一點(diǎn)是一定要說的，就是牛頓留下了震古爍今，彪炳千古的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，牛頓的公式被后人重寫過，但是這本書絕對是傳世經(jīng)典。講什么的？講的就是自然與數(shù)學(xué)之間的關(guān)系，一個小球從你眼前滑過，你可以利用數(shù)學(xué)預(yù)測出任何時間他的位置。用著《原理》可以計(jì)算日食，月食出現(xiàn)的時間，幾乎可以做到分秒不差。還記得海王星是如何被發(fā)現(xiàn)的嗎？在天王星被發(fā)現(xiàn)之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)他的實(shí)際運(yùn)行軌道和計(jì)算結(jié)果有偏離，科學(xué)家就大膽預(yù)言，在天王星的旁邊應(yīng)該還有一顆行星，正是這個行星影響了天王星的運(yùn)動軌跡（牛頓的萬有 引力定律，簡單理解就是任何物體之間都存在引力）事實(shí)證明了這一點(diǎn)。也就是從這件事兒以后，再沒有任何人懷疑牛頓，從此牛頓就是神，神就是牛頓，誰都不能懷疑！！牛頓一統(tǒng)江湖。

  現(xiàn)在還在感嘆這本書的牛掰之處。隨便總結(jié)個物理規(guī)律，寫成數(shù)學(xué)公式，然后就開始折騰這些公式，咦，發(fā)現(xiàn)了一個新解，反過來實(shí)驗(yàn)，還真TMD有這種現(xiàn)象。所以有那句話，物理學(xué)家都是數(shù)學(xué)家。

• 牛頓的絕對時空觀（我發(fā)誓，我們真的接近相對論了），不要看名字這么屌，其實(shí)這就是我們認(rèn)識的理所當(dāng)然的世界。但是您還是要仔細(xì)看一看，因?yàn)閱栴}真的來了。

  當(dāng)時牛頓已經(jīng)把自己的理論推廣到了整個宇宙，宇宙是穩(wěn)定的。全人類，太陽，所有的恒星都在按照自己的方式和速度運(yùn)動，無論無何運(yùn)動，我們感受空間的方式是一樣的，長寬高，而不管物體如何運(yùn)動，只要測量準(zhǔn)確，我們都可以得到相同的長寬高。同樣，全宇宙都同樣經(jīng)歷著時間的流逝，只要計(jì)算精確，我們可以計(jì)算出任何物體運(yùn)動相關(guān)的時間。牛頓認(rèn)為宇宙中充滿了‘以太’這種物質(zhì)，這種物質(zhì)雖然沒有對天體的運(yùn)動產(chǎn)生阻力，但是它卻是是客觀存在的，我們的地球就是迎著這個‘以太’風(fēng)來運(yùn)動的，只需要時間來證明它就可以了。牛頓是神，我們都得信，我們后人的的任務(wù)就是想盡一切辦法，來證明這個以太的存在。但是事實(shí)呢？科學(xué)家進(jìn)行了無數(shù)次試驗(yàn)，最終都沒有證明以太的存在，相反卻恰恰無情地推翻了牛頓的絕對時空觀，但是牛頓是神，肯定是實(shí)驗(yàn)的誤差導(dǎo)致的。。。但是100多年過去了，還是毫無進(jìn)展，物理學(xué)界也陷入了前所未有的恐慌當(dāng)中。。。。

  說到這里，你會覺得這個世界還是你認(rèn)識的那個天經(jīng)地義的世界，沒什么特別的，但是接下來，將慢慢顛覆你的常識，挑戰(zhàn)你的思維底線。

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光速測量競賽

• 毋庸置疑，對光速的思考，是愛因斯坦提出相對論的重要根基之一
  

• 剛開始科學(xué)家認(rèn)為光速是無限大的，每天早晨我們打開窗戶的一瞬間，屋子就被照亮了，我們從來沒有看到過屋子的一部分先被照亮，另一部分再被照亮。對光速產(chǎn)生懷疑的第一人：伽利略

  伽利略用測量聲速的方法來測量光速，兩人各自提一個帶有遮光板的燈，站在距離1.6千米的山頂，伽利略先打開燈，同時摁下計(jì)時器，對面的人看到光的同時也打開燈，伽利略看到反回來的光之后再次摁下計(jì)時器。在這個時間差，光走了往返的距離，雖然誤差比較大，但是伽利略的方法是對的，但是最終實(shí)驗(yàn)失敗了，因?yàn)楣馑賹?shí)在是太大的。

  我們現(xiàn)代人都知道光速是30萬公里每秒，一秒繞地球7圈，一秒走的距離讓最快的阿波羅飛船也要跑4天。

• 30年后，光速的測量首先在天文學(xué)上獲得了成功，丹麥天文學(xué)家羅默通過觀測天體的運(yùn)動，首先測量出了光速大概是22.5W公里/秒。具體測量方法請點(diǎn)擊這里，不再贅述。
  

• 又過了170年，1849年，法國物理學(xué)家索菲，也就是物理課本上講的旋轉(zhuǎn)輪齒法。學(xué)過高中物理的可以跳過這一段了。

  
  一束光穿過齒輪的縫隙，會被前面的鏡子反射回來，如果現(xiàn)在齒輪開始緩慢旋轉(zhuǎn)，由于光速極快，在縫隙中穿過去之后，依然能夠從同一個縫隙反射回來。那現(xiàn)在開始加速齒輪旋轉(zhuǎn)的速度，一直加速到反射回來的光恰好被齒輪擋住了，沒有從縫隙中反射回來。這時，光走過的距離是可以測量的，并且時間可以從齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率計(jì)算出來，進(jìn)而可以得到光的速度，是31.5萬千米/秒，這個離真相只有咫尺之遙了。

• 被嚇尿的驚人發(fā)現(xiàn)，是巧合還是必然？

  
  時間又過了30年，1873年，英國科學(xué)家麥克斯韋發(fā)表了可以和牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》比肩的《論電和磁》，（高中物理老師每次提到這個名字，都發(fā)出一聲感嘆，稱之為真正的天才），出版之后并沒有得到太多的認(rèn)同，因?yàn)檎撌龅碾姾痛哦际翘摕o縹緲的東西，無法像小球那樣做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。麥克斯韋認(rèn)為電和磁是同一種物質(zhì)的不同的表現(xiàn)形式，他們的性質(zhì)和相互作用被麥克斯韋用簡潔優(yōu)美的方程組描述：麥克斯韋方程組。該方程組絕對是數(shù)學(xué)美的典范，無數(shù)科學(xué)家被他的美所震撼，僅從他完美的表現(xiàn)形式，他就不可能是錯誤的（歷史也證明了這一點(diǎn)，所有經(jīng)典物理學(xué)的公式都被相對論修改過，但是唯獨(dú)麥克斯韋方程組，少一筆不行，多一筆又顯得多余）。

  根據(jù)這個方程組，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，但是偉大的天才只活到了48歲，沒有親眼看到電磁波的誕生。沒過幾年，德國青年物理學(xué)家赫茲在實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)，震驚了全世界，全世界物理學(xué)家都開始忙碌起來，最終證明麥克斯韋的電磁理論全部正確。赫茲測出了電磁波的頻率和波長，相乘就是電磁波的傳播速度了，計(jì)算的結(jié)果是31.5萬千米/秒，一個驚人的速度。

  等等，稍等一下，這個數(shù)字怎么這么熟悉，天啊！！竟然和光速一樣。這是巧合嗎？怎么會有這么巧的事情。難道光是一種電磁波？？這個發(fā)現(xiàn)讓全世界的科學(xué)家興奮不已，各種實(shí)驗(yàn)接踵而至，實(shí)驗(yàn)表明光確實(shí)和電磁波表現(xiàn)出了相同的性質(zhì)，最后一致認(rèn)同，光就是一種電磁波

• 物極必反，經(jīng)典物理學(xué)大廈要崩塌？

  也許您已經(jīng)著急了，但這絕對是我們主角登場前最最關(guān)鍵的也是最后一次鋪墊。

  波的傳播速度是傳播介質(zhì)的波長乘以頻率，也就是由介質(zhì)所決定。當(dāng)一個石子投進(jìn)水里，在這個漣漪產(chǎn)生的瞬間，水波的傳播也就和石子沒有了任何關(guān)系，水波會相對于水（介質(zhì)）傳播出去，所以談到水波的速度，隱含的參考系是水，而不是石子。再說光，光速的參考系也不是你的手電筒，在手電筒發(fā)出光線的一瞬間，光的傳播已經(jīng)和手電筒沒有了任何關(guān)系，決定它速度的是介質(zhì)。眾所周知，光可以在真空中傳播，遙遠(yuǎn)的星光穿過空無一物的宇宙空間，到達(dá)地球，那這個參考系、這個傳播介質(zhì)是什么呢？

  還記得前面說到的牛頓的絕對時空觀嗎？一個叫‘以太’的物質(zhì)一直沒有被證實(shí)。既然知道了光在以太中的傳播速度，那光速就是成了證明‘以太’存在的最佳證人。我們的地球高速圍繞太陽公轉(zhuǎn)，可以設(shè)想一下：假設(shè)地球公轉(zhuǎn)速度是V（忽略自轉(zhuǎn)的影響），光速為C，我們迎著這個‘以太風(fēng)’，發(fā)射一個光線，那我們觀測到的光的傳播速度應(yīng)該是C-V，因?yàn)楣庠谕芭?#xff0c;我們也同樣在往前跑。背著‘以太風(fēng)’發(fā)射一個光線，那我們觀測到的光的傳播速度應(yīng)該是C+V，因?yàn)槲覀兒凸獾姆较蛳啾场Ｖ灰C明了這一點(diǎn)，那‘以太’這種物質(zhì)就是存在的。那經(jīng)典物理學(xué)的大廈就正式宣布建造完成了。

  世上最最成功的失敗實(shí)驗(yàn)，邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)，這個實(shí)驗(yàn)確實(shí)想證明以太的存在，但是無論實(shí)驗(yàn)精確到什么程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明‘以太’是不存在的，光的速度沒有受到任何影響。理論錯了？不可能，科學(xué)家不愿意相信，因?yàn)榕ｎD的絕對時空觀和以太學(xué)說看上去是那么完美。然后開始出現(xiàn)了各種各樣的解釋，一切的解釋都是建立在牛頓的絕對時空觀的基礎(chǔ)之上。特別是以韋伯（愛因斯坦的物理老師）為首的科學(xué)家，他們相信，只要再多做一些實(shí)驗(yàn)，最終的勝利依然屬于牛頓。風(fēng)起云涌，這股熱潮從19世紀(jì)刮到了20世紀(jì)，但是極少有人站出來質(zhì)疑理論的根基是否出了問題。好，歡迎主角登場吧！！

人類文明的徹底洗禮-愛因斯坦的狹義相對論

• 主角登場

  
  愛因斯坦，22歲，瑞士人，蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)物理系本科畢業(yè)，取得數(shù)學(xué)和物理雙本科學(xué)位，不愛寫作業(yè)，愛思考，沒有經(jīng)過親自驗(yàn)證的理論不會輕易承認(rèn)，敢于質(zhì)疑權(quán)威，導(dǎo)致和老師關(guān)系都不好，畢業(yè)后想留校當(dāng)助教，申請過多次，都被拒絕，甚至有些就沒有回信。畢業(yè)之后8個月沒有穩(wěn)定工作，不顧母親反對，和自己喜歡的女孩在一起，為解決生計(jì)，當(dāng)過高中代課數(shù)學(xué)老師，1902年在瑞士的一家專利局找到一份工作，職稱為“三級技術(shù)員”，無任何成就。（未婚就把女友的肚子搞大，這個算成就嗎）

  主角終于登場，不過簡歷真心寒磣，在教授、博導(dǎo)多如牛毛的歐洲物理學(xué)界，真為他感到擔(dān)憂。不過專利局的工作給了他充裕的思考時間，經(jīng)常滿桌子都是數(shù)學(xué)草稿，左手抱孩子，右手寫字。。。。但是這個年輕人超強(qiáng)的思維能力和推理能力絕對讓你不寒而栗，當(dāng)你理解他的時候，你會感到興奮不已，數(shù)秒的思考之后，你會感到無比恐慌。

• 絕對光速，你以接近光速（假設(shè)）和一束光同時離開地球向宇宙進(jìn)發(fā)，地球上的人看到你和光幾乎齊頭并進(jìn)，這一點(diǎn)毋庸置疑。那你看到的也是相對靜止，齊頭并進(jìn)？絕不可能，你看到的必然是這束光以光速離你而去。

  我們再一次回到光速，下面這段話改了很多遍，怕多說一句影響讀者的思路，也怕少說一句使得整個推理不嚴(yán)謹(jǐn)，大家注意力集中，開始吧。

  光是一種電磁波，從麥克斯韋方程組可以得知，震蕩的電場產(chǎn)生震蕩的磁場，震蕩的磁場再次產(chǎn)生震蕩的電場，如此循環(huán)下去，就形成了電磁波。就像是一個隊(duì)列的人報(bào)數(shù)一樣，1，2，3。。。。傳播的速度取決于報(bào)數(shù)的頻率。火車從A移動到B，是這個實(shí)體在移動，電磁波不同，波的傳播依靠的是介質(zhì)，而介質(zhì)并沒有向前移動。例如水波，肉眼看到的是水波在擴(kuò)散沒錯，但是單獨(dú)的每一滴水，它僅僅是在上下震蕩，水并沒有向前移動。電磁波的傳播可以理解為報(bào)數(shù)的話，那電磁波的速度就取決于報(bào)數(shù)人反應(yīng)速度了，真空這個介質(zhì)就充當(dāng)于報(bào)數(shù)人的角色。

  偉大的麥克斯韋方程組，已經(jīng)證明了，電磁波的傳播速度與波源的運(yùn)動速度無關(guān)。試想我們將一個石子扔入湖中，不管我們是垂直仍還是斜著扔，水波的傳播速度是不變的。

  思維實(shí)驗(yàn)： 我一個人在黑漆漆的宇宙，因?yàn)樯磉厸]有參照物，所以不管以高速飛行還是靜止不動，我都是完全不知道的。假如現(xiàn)在我的速度提升到接近光速（我依然不知道，因?yàn)闆]有任何參照物），這時候如果我發(fā)出一束光，我將看到什么？一個和我保持相對靜止的光？一個震蕩的電磁場，卻沒有感應(yīng)下去？這不可能，根據(jù)偉大的麥克斯韋方程組，光速和光源是沒有關(guān)系的，而且介質(zhì)沒有變，我看到的應(yīng)該還是光速（而且我真心不知道我當(dāng)時的速度），我看到的應(yīng)該還是交替震蕩下去的電場和磁場。再次想象一下隊(duì)列報(bào)數(shù)，這個報(bào)數(shù)的反應(yīng)速度在地面上和在火車上不一樣嗎？顯然很荒謬。不管在哪，這個報(bào)數(shù)的反應(yīng)速度絕對不會變的。再次強(qiáng)調(diào)一下，物體往前走是這個實(shí)體真的移動了，但是波的介質(zhì)沒有移動，只是依次傳遞下去。

  眾所周知，我們地球人測量出了光速C，那測量的時候是在絕對靜止的條件下嗎？顯然不是，我們的地球在不停地自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的呦！！

  再次回到邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，它不就是證明了光速不變嗎？這個實(shí)驗(yàn)犯了一個致命的錯誤，他先假設(shè)以太是存在的，結(jié)果證明了以太確實(shí)不存在，顯然很矛盾，只是當(dāng)時科學(xué)家真的不敢懷疑牛頓。想想前面說到的奧卡姆剃刀原理

  小愛童鞋在紙上寫下：對于任何參考系來說，在真空中光的傳播速度恒為C。
  

• 愛因斯坦對經(jīng)典物理學(xué)的第一次困惑

  小愛已經(jīng)確定，光速恒為C，假設(shè)你在空無一物的宇宙中，那你能通過測量光速來，確定自己是靜止的還是勻速運(yùn)動的呢？顯然不會，因?yàn)楣馑偈冀K不變。小愛并沒有停止他的思考，小愛認(rèn)為，應(yīng)該是在慣性系中，一切物理規(guī)律保持不變才對。試想，如果在不同的慣性系（勻速或靜止）中，物理規(guī)律發(fā)生了變化，那科學(xué)家早早地就可以在實(shí)驗(yàn)室測出地球的公轉(zhuǎn)速度了，而且不僅力學(xué)實(shí)驗(yàn)不變，熱學(xué)，光學(xué)，電磁學(xué)都應(yīng)該不會發(fā)生變化。小愛對于現(xiàn)在的成就很滿意，但是馬上又困惑起來：“光速恒定看起來是如此地簡潔，嚴(yán)謹(jǐn)，美妙。根據(jù)經(jīng)典的速度合成公式，如果火車的速度是V，一個小鳥在火車中以速度W飛行，那站在地面上的人看到小鳥的速度應(yīng)該是V+W，這點(diǎn)沒錯，如果火車上有一個人打出一束光，那站在地面上的人看到的光的速度應(yīng)該是C+V？這又和自己的光速恒定很矛盾，經(jīng)典物理學(xué)在過去的幾百年中在各個領(lǐng)域取得了非常大的成就，但是我的推理也是分毫不差，該相信誰？難道這個世界有高速低速之分？”想著想著，小愛睡著了，做了一個非常美妙的夢。。。。見下文。

• 高速列車殺人事件，攝像機(jī)的記錄更讓人困惑。

  背景：A和B同時愛上了一個女人，兩人決定來一次公平的決戰(zhàn)，在高速列車（0.5倍的光速）的同一個車廂，車廂中間有一盞燈，兩人站在車廂的兩邊，燈會在1分鐘之后自動打開，當(dāng)兩人看到燈光的時候，就向?qū)Ψ介_槍。

  結(jié)果A被干掉了，B手臂受了重傷。警方（小愛）來到了現(xiàn)場，了解情況之后，警方說：“如果你能提供證據(jù)證明你們是公平?jīng)Q斗的，那你將無罪。” 就在車廂中間有一臺高速攝像機(jī)，記錄了整個過程（如下圖），觀看完錄像，警方說：從錄像中看到，光同時到達(dá)你們，而且你們是看到光之后才開槍的，你無罪。
  
  就在警方上車，準(zhǔn)備離開現(xiàn)場的時候，后面有個人追了上來，大聲喊：“不是這樣的，這一切都是B精心設(shè)計(jì)的陰謀。我是站臺的管理員，槍擊發(fā)生的時候，列車正好經(jīng)過我們站，站臺的攝像機(jī)也同樣記錄了發(fā)生的一切，警官，一塊兒看一下錄像吧。” 錄像顯示：列車在高速行駛，B面對的方向正好是列車行駛的方向，光線確實(shí)是先到達(dá)B，也就是B在遵守規(guī)則的情況下，看到光后開了槍（如下圖）。
  
  看到眼前的一切，小愛童鞋大腦一片空白。這關(guān)鍵時刻掉鏈子豈不是很沒面子，小愛果斷開啟外掛模式：“兩臺攝像機(jī)都沒有任何問題，光速與光源的運(yùn)動無關(guān)，從這兩個事實(shí)來看，時間是相對的，對于站臺上的人和高速列車上的人來說，沒有真正的同時，任何所謂同時發(fā)生的事情，都只能是對同一個慣性系中的人才成立”。

• 徹底拋棄絕對時間觀念

  繼續(xù)回到一起舉過的例子，你坐在宇宙飛船中以接近光速和一束光同時向宇宙進(jìn)發(fā)，地面上的人看到是你與光幾乎不分前后地離他而去，光只比你快一點(diǎn)點(diǎn)。你看到的是這束光以光速C離你而去，如果你對這個依然百思不得其解的話，只能說明絕對時間觀念在你腦海中根深蒂固。如果你能感受到你的時間和地面上的人的時間是不同的，你過了1秒，地球上已經(jīng)過了1個小時。對你來說，1秒鐘內(nèi)，那束光跑的很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)了，但是在地球上的人看到的是這束光用了1個小時才拉開與你的距離。這些解釋貌似合情合理，但是卻無法用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，全靠意淫是不行的，下面不得不呈現(xiàn)支撐這個邏輯的理論基礎(chǔ)了---思維實(shí)驗(yàn)+數(shù)學(xué)。

• 時間膨脹

  我們該如何描繪時間變慢呢？注意，這里不是你的勞力士走得慢了，是時光的流逝，流的慢。
  
  我們用一個光子鐘來衡量時間，因?yàn)楣馑偬?#xff0c;所以我們假設(shè)光子往返10億次是過了1秒鐘。這時候A拿著光子鐘站在地面，B拿著光子鐘坐在高速飛行的宇宙飛船上。從圖上可以看到，B的光子鐘要想滴答一次，光子走過了更多的距離。由于光速是恒定不變的，A的光子鐘震蕩10億次，B的光子鐘是斜著走的，沒有震蕩10億次，假設(shè)是5億次。那A過了1秒，B的時間只過了0.5秒。換個角度說，就是B的光子滴答這一下用的時間更長了。推導(dǎo)一下公式：根據(jù)畢達(dá)哥拉斯定理（勾股定理），可以推導(dǎo)出速度與時間的關(guān)系：
  
  

  (ct′)2+(vt)2=(ct)2 c2t′2+v2t2=c2t2 c2t′2=c2t2?v2t2 t′2=c2t2?v2t2c2 t′2=（1?v2c2）t2 t′=t1?v2c2??????√

  這個公式推導(dǎo)比較簡單，簡要說明一下含義：c是光速，當(dāng)我們的速度v很小的時候，比如火車60米/秒，那

  1?v2c2??????√ 的值是0.999999983，非常接近1，等式幾乎成立，你坐火車100年，下來之后之比陸地上的人年輕53.6秒，也就是坐火車和靜止在地面上的人的時間快慢非常接近。我們的登月飛船的速度是10500米/秒，已經(jīng)夠快了吧，那這個值僅僅是0.999387312，和陸地上的時間還是非常接近，也就是在飛船上飛100年下來，你也僅僅年輕了22天左右。如果v很大，是0.99c，那這個值就是0.004，你的一年相當(dāng)于地球上的250年。速度越接近光速，這個公式體現(xiàn)出的時間膨脹越明顯。如果超過光速呢？這個值就是虛數(shù)，沒有意義（到底有沒有意義？難道可以穿越時空？）

  暢想一下你長生不老的場景吧：假如你坐上了0.99c的宇宙飛船，一年之后飛回來，地球上已經(jīng)過了250年。但是你真的是僅僅過了一年，絕不是你體驗(yàn)了250年的精彩生活僅老了一歲。你一天也沒有多過，并且每天都是24小時。如果地球的人能時時刻刻看到你的話，地球人撒尿用2分鐘，因?yàn)槟愕臅r間過的很慢，地球人看你撒一次尿用了將近一天的時間。但是，當(dāng)你回到地球的時候，地球真的已經(jīng)過了250年，你來到了將來。

  這里談?wù)摰臅r間變慢了，不是你的勞力士不準(zhǔn)確了，是時間本身變慢了，與時間有關(guān)的一切都變慢了，———時間膨脹了。有個更好的理解方法：你把時間想象成一個實(shí)體，剛開始從起點(diǎn)到終點(diǎn)是100米，時間膨脹之后，同樣的時間，起點(diǎn)到終點(diǎn)變成了500米。

• 空間收縮了

  愛因斯坦沒有停下他的腳步，繼續(xù)推導(dǎo)公式(L代表長度)：

  L=L′1?v2c2??????√ 和沒有絕對的時間是一樣的，也沒有絕對的空間，表現(xiàn)出速度越大，長度會收縮。牛頓這時候活著的話，肯定瘋了。我們所說的收縮是相對與另一個空間的收縮效應(yīng)，地球上的人看飛船上的人，確實(shí)變小了，但是飛船上的人拿尺子測量發(fā)現(xiàn)自己沒有變小，那是因?yàn)槌咦右沧冃×恕Ｅ懿降娜讼鄬τ陟o止來說也變小了，不過根據(jù)上一節(jié)的計(jì)算，縮小的量真是微乎其微。如果是高速運(yùn)動的物體，那收縮的就相當(dāng)明顯了。

• 新的速度合成

  在經(jīng)典物理學(xué)里面，我們學(xué)習(xí)過速度合成。火車相對地面的速度是V，如果人在火車上以V'同樣向前行動，那地面上的人看到火車上的人的速度應(yīng)該是V+V'，但是在愛因斯坦的相對論里面，由于火車的行駛，導(dǎo)致火車的時間膨脹和空間收縮。地面上的人看到的合成速度應(yīng)該是什么呢？

  w=u+v1+uvc2 可以看出，當(dāng)u和v相對于光速無限小的時候，這個等式幾乎和經(jīng)典的速度合成公式是一樣的 w=u+v

• 質(zhì)量和速度，牛頓真的要瘋了

  在經(jīng)典物理學(xué)里面，我們研究一切運(yùn)動的基礎(chǔ)就是質(zhì)量守恒。不管小球如何運(yùn)動，小球的質(zhì)量是不會變的。現(xiàn)在擺在愛因斯坦面前的是動量守恒定律：

  m0v0=m1v1+m2v2 ,
  根據(jù)洛倫茲變化是和動量守恒定律，愛因斯坦推算出了質(zhì)量和速度的關(guān)系： m=m01?v2c2??????√ ，速度越大的物體，他的質(zhì)量會變得越大。牛頓如果真的在天有靈的話，看到愛因斯坦這一切舉動，是不是要瘋掉？？

• 光速極限

  愛因斯坦認(rèn)為，任何信息或能量的傳遞都無法超越光速。思維實(shí)驗(yàn)：有一個力作用在小球上使它加速，根據(jù)前面的推導(dǎo)，速度越大小球的質(zhì)量就會變得越大，這時候就需要用更大的力才能保持住一定的加速度，當(dāng)加速到無限接近光速的時候，這個小球的質(zhì)量也就會變得無限大，這時雖然用較小的力依然能讓它加速，但是由于質(zhì)量非常大了，加速度幾乎可以忽略，為了讓這個質(zhì)量無窮大的小球繼續(xù)朝光速進(jìn)發(fā)，必須用無窮大的力，但是無窮大的力是不存在的。以上是在數(shù)學(xué)上展現(xiàn)的特性。就不列舉公式了，多一個公式，少5%的讀者。（在量子物理學(xué)，光速極限到底有沒有被推翻呢？推薦《上帝會擲骰子嗎？》曹天元，相當(dāng)棒的一本關(guān)于量子的書）地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，是因?yàn)樘柡偷厍蛑g存在引力，想象一下，如果太陽突然消失，會發(fā)生什么？地球會突然被甩得很遠(yuǎn)？不，愛因斯坦認(rèn)為，這個信息的傳遞不會超越光速，地球會在8分鐘后被甩開。

• 質(zhì)能方程

  看到這個名詞，大家肯定覺得無比親切。這就是大部分人對相對論的初步認(rèn)識。
  質(zhì)量為m小球以速度v向前運(yùn)動，那他擁有的動能是

  12mv2 ，愛因斯坦結(jié)合相對論理論，對這個公式進(jìn)行推導(dǎo)（查閱了各種資料，真心看不懂怎么推導(dǎo)出來的，貌似用到了“無窮級數(shù)展開”的數(shù)學(xué)知識），結(jié)果出現(xiàn)了如此簡潔美妙的質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)換的方程： E=mc2 記得高中老師講過：一克的木炭，質(zhì)量完全轉(zhuǎn)化成能量，可以讓一個100瓦的燈泡亮100萬年。有些人該說我腦殘了，一斤的木炭燃燒完全后，連頓飯都做不熟。對，沒錯，您說的燃燒，是化學(xué)反應(yīng)，只是碳結(jié)合氧氣轉(zhuǎn)化成了二氧化碳而已，整個過程質(zhì)量完全沒有減少，碳的質(zhì)量只是轉(zhuǎn)移到了二氧化碳當(dāng)中。這個質(zhì)能方程說明的是質(zhì)量真的少了，少的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量。這個方程解釋了放射性元素為什么會釋放如此大的能量。

• 看了上面的內(nèi)容，您也許感覺狹義相對論還是比較好理解的，沒想象的那么難，看看下面的問題吧，相信你再次懷疑了自己的智商

  經(jīng)典的問題，雙生子佯謬：想象一下，你即將坐上一艘亞光速飛船告別地球上的雙胞胎弟弟去太空旅行，當(dāng)你弟弟看到你的飛船瞬間沖上云霄，一下子就飛得不見蹤影時，他在心里想，等哥哥回來的時候，我就比他老了，哥哥會比我顯得更年輕。可是，你在飛船上可不一定這么想，在你的感覺來說，你覺得是地球載著你的弟弟突然飛離你而去了，你越想越覺得有道理，不一會兒，你就感慨到：“等我再見到弟弟的時候，我就更老了。”親愛的讀者，你覺得他們見面的時候，到底是誰變得更年輕？
  要想知道答案，您還得再堅(jiān)持會兒。。。

時空彎曲-廣義相對論

廣義相對論和狹義相對論只有一字之差，卻是人類認(rèn)識宇宙的一大步，意義無法估量。如果沒有愛因斯坦，狹義相對論也會在5年之內(nèi)由別人提出，包括龐加萊，洛倫茲，還有愛因斯坦的導(dǎo)師，閔科夫斯基，他們對狹義相對論已經(jīng)有了初步的思考和成果，但是如果沒有愛因斯坦，人類對宇宙的真正認(rèn)識還不知道要推遲多少年，絕對是獨(dú)門絕技。

• 等效原理

  愛因斯坦有一點(diǎn)很不滿，那就是為什么物理規(guī)律不變的前提是慣性系呢？上帝在創(chuàng)造這個宇宙的時候，把慣性系擺在了如此重要的地位嗎？上帝應(yīng)該創(chuàng)造一個普世的規(guī)律才對。況且，我們所說的慣性系真的存在嗎？我們經(jīng)常說靜止或者勻速狀態(tài)為慣性系，但是我們的地球卻在公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)，絕對的慣性系是不存在的。

  又是愛因斯坦的思維實(shí)驗(yàn)：假設(shè)你在一個密閉的電梯里睡著了，當(dāng)你醒來的時候，發(fā)現(xiàn)你漂浮在電梯當(dāng)中。那你能知道你是在自由落體運(yùn)動還是漂浮在太空中？顯然不知道。假如你醒來之后發(fā)現(xiàn)你站在電梯里，電梯對你有支撐，你對電梯有壓力，那你能分辨你是在地球上，還是這個電梯在太空中推著你做加速運(yùn)動？顯然還是不能。反過來說：你現(xiàn)在站在地球上，受到了地球的引力。想在太空中感受到同樣的感覺該怎么做？對，只要有一個作用在你身上產(chǎn)生大小為g的加速度的力就可以了。愛因斯坦的結(jié)論是引力和加速度等效。

  萬物的規(guī)律終于得到了統(tǒng)一，狹義相對論提到：在慣性系中，一切物理規(guī)律不變，在非慣性系當(dāng)中呢？只要我們將這個變速的參考系，等效為一個引力場就可以了。非慣性系就是慣性系加一個引力場。看似不起眼的思維轉(zhuǎn)變，能得出什么樣的驚人推論呢？

• 引力造成的時空彎曲

  
  試想，在自由落體的電梯當(dāng)中，你向正前方拋出一個小球，那你看到的這個小球必然是直線運(yùn)動，但是地面上的人看到的是這個小球做拋物線運(yùn)動。
  
  試想，你站在電梯中，向前打出一束光，這光線必然是直的，地面上的人看到的也是直的。假如電梯自由落體降落，如果你看到的光線是直的，那地面上看到的光線必然是彎曲的。當(dāng)然，光速太快了，我們無法感受到光線的彎曲而已，但是我們真的可以相信光線真的彎曲了，只是彎曲的程度太小了。

  根據(jù)上面的兩個例子，小球和光線都有向下的加速度，加速度和引力又是等效的，那我們可不可以這樣理解：引力使光線彎曲了？地球的引力彎曲了光線？好大膽的想法！！
  
  狹義相對論提到過，運(yùn)動的物體，時間會膨脹（也就是時間會變慢）。引力可以使一個靜止的小球運(yùn)動起來，結(jié)論是引力會讓時間膨脹，這么說會不會更深刻呢？

  我們把上述現(xiàn)象稱之為“廣義相對論的時空彎曲效應(yīng)”。

• 超級無敵星光實(shí)驗(yàn)，為愛因斯坦正名

  我們對愛因斯坦已經(jīng)崇拜地五體投地了。但是在當(dāng)時群星璀璨的歐洲物理學(xué)界，并沒有得到普遍的認(rèn)可，思維實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推理確實(shí)無懈可擊，但是這些都沒有得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，特別是諾貝爾獎的評委會更是反對相對論學(xué)說。

  
  如何驗(yàn)證引力可以使光線彎曲呢？如上圖，Z為恒星，在位置A能觀測到恒星Z，那在位置B依然可以觀測到Z出現(xiàn)在相同的位置，只是距離遠(yuǎn)了，但是角度不會有任何偏差。這時太陽處在位置B和恒星Z之間，如果真的如愛因斯坦所說，引力可以使光纖彎曲，那在B觀測Z恒星的位置會發(fā)生變化。事實(shí)比想象中殘酷，您已經(jīng)看出問題來了，在位置B的時候，是白天，火紅的太陽當(dāng)頭照，根本無法看到天上的星星。
  
  愛因斯坦：可以，日全食的時候！！
  1919年一支英國科學(xué)考察隊(duì)遠(yuǎn)征西非，在日食期間觀察到天空中太陽附近一顆恒星位置的微小移動。這證實(shí)了愛因斯坦的論斷，恒星發(fā)出的光線經(jīng)過太陽時，被引力彎曲了。愛因斯坦紅遍全世界，一戰(zhàn)成名。要知道這時候愛因斯坦依然沒有獲得諾貝爾物理學(xué)獎，因?yàn)樵u委會真的不懂相對論（那個年代懂相對論的人真的沒幾個），但是愛因斯坦又如此推崇備至，評委會想辦法給自己一個臺階，在1921年愛因斯坦由于光電效應(yīng)的研究，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

• 引力的本質(zhì)

  這才是廣義相對論研究的核心問題。引力到底是什么？牛頓認(rèn)為引力就是一個看不見的線。例如地球繞著太陽轉(zhuǎn)，一旦太陽消失，這個線會立刻斷開，地球會立刻被甩出去。狹義相對論證明，沒有任何信號傳遞是超過光速的，地球應(yīng)該在8分鐘后被甩出去。引力不是看不見的線，那引力到底是什么？

  在前面的推理中我們知道，引力可以使時空彎曲。試想，在一個未被彎曲的時空里面，向前投出一個小球，那小球必然會勻速直線運(yùn)動，運(yùn)動軌跡不會有弧線。在一個被彎曲的時空里面，拋出一個小球，小球就不會勻速直線運(yùn)動，而是順應(yīng)著這個彎曲的時空前進(jìn)。假設(shè)一個籃球是一個被彎曲的時空，一個螞蟻想從該時空的一個點(diǎn)移動到另外一個點(diǎn)，即使走的是最短的距離，那走的也是一個弧線。愛因斯坦認(rèn)為引力并不是引起小球曲線運(yùn)動的根本原因，根本原因應(yīng)該是時空彎曲，彎曲的時空決定了小球的運(yùn)動軌跡，引力只是一種表象。
  
  想象一下，如果一個籃球放在一個網(wǎng)上，靠近籃球的網(wǎng)就會凹陷下去，當(dāng)一個小的玻璃球從小球旁邊劃過時，會受到凹陷部分的影響，進(jìn)而改變運(yùn)動的方向。把空間想象成一個個的大網(wǎng)，地球放在網(wǎng)上，一顆流星如果速度很快，就會劃過天際，掠過地球而去，如果流星速度不夠快，那就會陷入那個凹陷部分，降落在地球上。

• 黑洞

  
  我們已經(jīng)承認(rèn)了，引力可以彎曲時空，那什么產(chǎn)生的引力呢？是質(zhì)量。質(zhì)量越大，引力就會越大，造成的時空彎曲也就最厲害。把宇宙當(dāng)成一個網(wǎng)（參考上圖），上面的星球質(zhì)量越大，體積越小則陷得越深，如果有一顆小行星分別從他們旁邊劃過，肯定最后面的那個是最難劃過的。任何一個星球如果質(zhì)量保持不變，體積不斷縮小，那都會有這種越陷越深的趨勢，所以任何星球他的質(zhì)量和體積都有那樣的臨界值。
  
  如果體積小到一定程度就會發(fā)生上圖的這種現(xiàn)象。這就是黑洞了，任何行星經(jīng)過它的邊界，都無法穿過它，包括光，都會陷進(jìn)去，也就是黑洞會將一切進(jìn)入它邊界的行星吸收掉。

• 從黑洞到蟲洞

  愛因斯坦和羅森塔爾在推演廣義相對論的公式過程中出現(xiàn)了一種解，如下圖
  
  說存在這種連接，連著著宇宙中的相隔非常非常遠(yuǎn)的兩個區(qū)域。兩個黑洞的連接可以組成一個蟲洞了。《星際穿越》中的蟲洞就是這個。這個蟲洞不但可以突然讓你穿越幾百光年的距離出現(xiàn)在另一個地方，也可以讓你從一個時間穿越到另一個時間。不僅是從現(xiàn)在到將來，還可以從現(xiàn)在到過去。所以蟲洞也就成了現(xiàn)代科幻小說和科幻電影常用的一個標(biāo)準(zhǔn)。通過黑洞可以達(dá)到時間旅行的效果，那黑洞里面都有什么呢？霍金說：所謂黑洞，就是一切你無法了解的事件真相的集合。暈倒，他直接說不知道不得了。不過想想也知道，那么多的宇宙射線都被黑洞吸進(jìn)去了，一旦進(jìn)去，差不多也必死無疑吧。

• 是什么嚇到了愛因斯坦

  愛因斯坦在推導(dǎo)他的廣義相對論公式時發(fā)現(xiàn)了他自己都無法相信的結(jié)論：宇宙不可能是穩(wěn)定的，要么膨脹要么收縮。這讓愛因斯坦惶恐不安，他抬頭仰望星空，在有歷史記錄以來，星空都是同樣的景象。愛因斯坦真的無法接受這個理論，然后他就在公式中假設(shè)了一個常量，等著以后去證明這個值（物理研究的一種手法，先假設(shè)有這個值，然后根據(jù)結(jié)果返回來驗(yàn)證這個值），愛因斯坦常出了一口氣，又一次被自己的聰明折服了，這下宇宙穩(wěn)定了，洗洗睡覺。
  
  真相總會呈現(xiàn)。哈勃發(fā)現(xiàn)了距離地球幾十萬光年的仙女星系，我們的宇宙真的比想象中大很多。更重要的是我們所看到的所有星系都在離我們遠(yuǎn)去，而且距離越遠(yuǎn)的星系，跑得越快。我們的宇宙正在膨脹，而且是加速膨脹。愛因斯坦看到哈勃的成果之后追悔莫及，當(dāng)初怎能偷懶畫蛇添足？但是這卻反過來證明了廣義相對論的偉大。不要停下來，既然宇宙是膨脹的，那是不是宇宙有一個誕生的時刻，宇宙先從一個點(diǎn)開始，然后突然爆炸出來呢？這就是宇宙大爆炸

• 未完，待續(xù)。。。。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的相对论并非遥不可及的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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