时间竟可以变慢？一张清单解读爱因斯坦与狭义相对论

很多教材，讲到相对论，经常是罗列公式，让人看了满纸辛酸泪，

没什么意思。

今天，我们抛弃公式，通过几点说明，阐述狭义相对论的原理。

疑难杂症

首先我们引入一个概念，牛顿时空观。就是牛顿三大定律的那个牛顿。他在那部划时代的，集大成的著作《自然哲学的数学原理》中，提出了牛顿三大定律、万有引力定律。

《自然哲学的数学原理》

如果觉得高中物理动力学太难，那你就怪牛顿，哥们你能把书编简单点吗？牛顿时空观可以称之为经典时空观，主要特点是：

第一，对于时间和空间， 它们之间是彼此独立的。时间是在任何一个地方均匀流逝的，与空间无关。这什么意思？比如说，你在家里拿一块表，测一秒钟。那么，宇宙另外任何一个地点，不管那地方运动得多快，不管那里的人是坐火车上还是坐宇宙飞船上，时间也过了刚好精确的一秒。现在我们来看，这说的不是废话吗？我这儿过一秒，你那过的不是一秒是多少秒呢？

第二，各个直线运动的物体的速度，是可以直接线性叠加的（伽利略变换）。比如说，你坐在飞驰的火车上，往前扔一个篮球，这个篮球的速度在站台上的人看来，应该是火车速度，再加上球的速度。

因为牛顿的观点非常符合我们的直觉和经验，所以，牛顿经典力学良好地运行了200多年。但是，随着电磁理论的发展，这一套开始玩不转了。

我们在以前的节目提到过一个人，叫做麦克斯韦。他也是科学发展史上一个封神级的人物，他通过一支笔，一张纸，推导方程，预言了电磁波的存在。我们现在经常说手机信号不好，其实就是通信的电磁波强度不够高。

麦克斯韦通过计算就发现，哎尼玛？电磁波的速度等于一个常数！就是我们现在经常说的（大约）30万千米每秒。当时人类已经可以比较精确的测出光速，结果发现，光速和电磁波的速度怎么这么相近呢？这应该不是一个巧合吧？我们来研究一下。果然，人们就发现，牛顿、惠更斯这些以前的科学家，他们的光学定律，可以通过麦克斯韦的电磁理论的方程组推导出来。这就说明一个问题，光是电磁波的一种形式。光从此就跟电磁波统一起来，成为了一个东西。当然这不是重点。重点是，光速和电磁波的速度，它可以通过理论计算推导出来，它是大自然的一种内禀的属性！

所以我们现在就来做一个实验。

比如说，有两个人，小静和小动。小静在高铁站的站台上，静止不动地当吃瓜群众。如下：

小静

小动举着一只手电筒，打开手电筒，坐在这辆高铁上，朝向高铁的运行的前方，随着这辆高铁一起，做匀速直线运动。如下：

小动

现在有意思的问题就来了。

在站台上静止的观察者小静看来，这个手电筒发出的光，随着这辆高铁一起朝前方匀速直线运动。那么，手电筒发出的光的速度，应该是，光速加上这辆高铁运行的速度。

但是，对于这辆高铁中，举着手电筒的小动看来，他如果拿起笔和纸，效仿麦克斯韦，用麦克斯韦的方程计算推导一遍，他就会发现，诶？我算出来的光速，它只是光速，并没有叠加上高铁的这个速度！

矛盾就这样出现了！

如果你用牛顿的那一套算法，速度可以线性相加，这个地方就会出现不可调和的矛盾。我们平时没有出现这个矛盾的原因，是因为我们都处在一个低速的世界，如果这辆高铁，它的速度可以达到，光速的90%，甚至99%的时候，狭义相对论的效应就会出现，牛顿的时空观就会崩塌。

这个时候，物理学家就面临一个选择：要么承认一个运动的系统和一个相对静止的系统，他们互相之间分享两套不同的物理定律。但是，这个观点和光速是不变的这个结论是相违背的。要么，抛弃牛顿的时空观念，承认速度是不可以直接线性叠加的。（关于光速不变，还有一个实验，叫做迈克尔逊-莫雷的激光干涉实验，有兴趣的童鞋可以自己参阅）

这实际上，就是爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设的灵感来源。

巨人登场

速度不能线性叠加，那尼玛到底怎么算？爱因斯坦将电磁学中的洛伦兹变换，整合到了牛顿动力学中，产生了难以置信惊人的效果！

速度不再线性叠加，时间与速度有关！时间与空间产生了关联！我们直接忽略爱因网红的那些复杂物理计算和理论推导，直接看结果。经过这么一番改造，我们能得出什么结论？

第一，时间会变慢！在站台上静止的那个观测者小静看来，随高铁一起高速运动的小动，他的时间变慢了！Wait，这什么意思？比如说，我们把尺度放大夸张一点的说，比如你爸，乘坐宇宙飞船，以极快的速度，达到了95%，甚至99%光速的速度朝宇宙深空当中飞驰，往那边跑了个20年30年，然后再以极高的速度返回地球，你会惊讶地发现，我爸怎么比我还要年轻？？？因为他以极高的速度运行时，他的时间相对于你来说是变慢的，这个叫做钟慢效应！这个现象已经被精确度极高的实验所证实，现在我们头顶当中的那些GPS的定位卫星搭载的原子钟，已经充分地说明了这一点。

（当然这里还有一个双生子样谬的谬论，感兴趣可以参阅）

第二点呢，就是长度收缩效应。你在站台上看高速运行的火车中人的时候，他们的腰会变细！所以，对于那些天天嚷嚷着我要减肥的妹子们来说，减肥的办法还有一个，就是你每天飞速地跑，跑得非常快，别人看你啊，就变瘦了。

第三个呢，就是质量会增加。什么意思？就是当你以极高的速度奔跑，或者运行的时候，自身会变得越来越“沉重”。当然，这并不是一个非常精确的说法。但是我们可以畅想一下，比如说有的人说，光速不是不变吗？怎么可能呢？我现在骑自行车，虽然我骑得很慢，但是如果我做一个思想实验，我脚踩得飞快，能不能超过光速呢？对不起，如果你脚的脚踩得飞快的时候，你已接近光速，到光速的90%，甚至光速99.9%的时候，你自身的质量会飞速增加，大自然会阻止你，让你没有办法超越光速。也就是说，你踩得越快，越来越接近光速的时候，你会发现，这车TM怎么变得这么沉了？

各有所爱

说到这儿了，你可能会觉得，爱因斯坦的相对论好像把牛顿的整个力学给做了全盘否定，那为什么牛顿的这一套理论，还被人类所接受长达200年呢？是因为人类所处的这个时空系统，是一个低速运动的系统，当我们在讨论问题的时候，什么高铁的运动啊，骑个自行车啊，什么博尔特跑个一百米呀，老板跑个路啊，这些都是极低的速度，相对于光速来说。所以，在低速的环境下，爱因斯坦只不过对牛顿的力学做了一个非常小的修补，牛顿力学是完全适用的。

但是，一旦我们把这套系统扩展到接近光速的尺度，牛顿力学就会立刻崩塌，它的基础将不复存在。因为在高速运动环境下，它符合的是洛伦兹变换，速度是不可以直接线性叠加的。

牛顿的动力学和爱因斯坦相对论的动力学，他们之间的关系有点儿像我们在地球上处理运动。比如说你在一个小县城，由东走到西，那你完全可以按照平面上的运动方法进行计算。但是如果我们要处理环球航海，把运动的尺寸提升到环球这样一个大尺寸，那平面运动的计算就不合适嘛！因为地球在局部可以看成一个平面，但是整体来说，它就是一个球儿，是一个曲面呐！更多精彩内容请戳脱口秀视频。