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19世纪，随着实验技术的提高，以牛顿力学为首的经典物理理论在解释很多现象时出现问题。现代物理学的两大支柱——相对论和量子力学应运而生。其中狭义相对论描述的是物体的运动，它是牛顿力学在高速情形下的扩展。狭义相对论指出光速是物体运动速度的极限，在速度接近光速时，会有许多神奇的现象发生。 1、光速不变 光速不变原理是狭义相对论的两个基本原理之一，该原理已由迈克耳孙-莫雷实验所证实，它的内容是：无论观察者作何种运动，所观测到的真空中的光都会以常数c运动。 也就是说不管你是在路上奔跑，还是乘坐飞船以99%的光速飞行，你所看到（观测到）真空中的光仍然以光速c飞行。 2、同时的相对性 这可以由光速不变原理推理得出。假设一辆列车以超高速行驶，在列车中间同时向车头和车尾发出一束光线。在列车中间的人和列车相对静止，他会看到两束光同时到达车头和车尾。列车相对地面运动，而光速不变，地面上的人会看到光先到达车尾，后到达车头。 3、质量增加 运动物体的质量会比它静止时更大，这由狭义相对论的质量公式指出。 质量方程 4、速度极限 有静质量的物体运动速度的极限是真空中的光速c，而且不能达到，这是由狭义相对论的质能方程和质速关系限制的。通俗地讲，就是当给一个物体加速时，所施加的能量有一部分会转化成物体的质量，更大的质量会进一步阻碍加速。最终无限接近光速就需要无限大的能量。 5、时间膨胀 根据狭义相对论推导出的时间膨胀公式（下图），运动的物体时间流逝会变慢，速度越接近真空中的光速c，这种变慢的效应越明显。试想地面上的人看到自己的手表秒针1秒动一下，根据公式，以1/2光速飞行的飞船上的人，秒针需要1.33秒的时间才动一下。而这种现象不是因为船上的表坏了或者其他实验误差，而是真正的“时间流逝变慢了”导致的，或者说“时间膨胀了”。 6、长度收缩 观察者会观测到运动物体在运动方向上长度收缩。一条1米长的棍子放在高速飞船里以接近光速飞行，地上的人会“看”到它的长度不足1米。长度收缩本质上是第2条“同时的相对性”导致的。 通过狭义相对论的公式计算就会发现，地上的人同时测量棍子的两端，但是飞船里的人看来，地上的人并不是同时测量棍子的两端。飞船的人会看到地上的人先测量棍子前端的坐标，在棍子前进了一段时间后，再测量棍子后端的坐标，所以这两点的坐标差比1米更小。 ps：同时的相对性是真正的“相对性”，并不存在对错，或者说大家都是对的，并不矛盾。就好像A会看到远处的B比自己的手更小，远处的B也会认为A比自己的手更小。这里并没有对错，只是所在角度不同，观测到的结果会有相对性。 |
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