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你想过为什么会有时间吗？时光真的可以倒流吗？如果你有强烈的好奇心的话，一定会想过这个问题，对吧？其实古人早就有相对论的思想了，“天上一日，人间一年”的说法就是最好的证明，那你知道爱因斯坦的相对论吗？相对论是人类第一次把时间和空间一起作为研究范畴的理论，那就让我们来聊聊相对论吧！ 牛顿与他的万有引力理论 这要先从牛顿的万有引力理论说起。在300多年前，科学家们已经普遍接受了地球是绕着太阳转的日心说。而且更早期的天文学家开普勒通过天文观测数据得出了更精确的结论。地球和其他的行星的确是在绕着太阳旋转的，不过它们的轨道并不是一个标准的圆形，而是椭圆形。当时的科学家没有搞明白这个引力到底是什么，它的大小会如何变化。这时伟大的科学家牛顿提出了万有引力理论，并且证明了引力的大小跟这两个物体的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比的定律。科学家哈雷利用牛顿的这个理论重新发现了哈雷彗星。  牛顿凭借他的研究成果一举奠定了自己在科学方面大师的地位，不只在当时牛顿名声大振，更为后来蒸汽机的发明和工业革命提供了理论基础，紧接着就出现了人类文明的大发展。不过牛顿的理论也有遗憾的地方，它虽然可以明确地指出万有引力的大小，但没有解释清楚为什么会有万有引力，为什么所有的物质都有这个吸引力。 爱因斯坦在弹簧床上解释了万有引力 在牛顿死后的一百年后，又有一个人横空出世，他提出了一套新的理论，不只是终结了牛顿理论的绝对主宰，还更进一步地解释了万有引力到底是怎么产生的。这个人就是爱因斯坦，这个理论就是相对论。 牛顿是怎样解释万有引力的呢?他说，这是物体所固有的，只要有一个物体有重量，那么它就有万有引力。这句话好像没毛病，可是有一个东西不听话，那就是光，光没有重量，是不是不会受到万有引力的吸引呢？爱因斯坦说会的。星光就会被太阳吸引发生偏转，可是想要看到这一点太难了，因为旁边是有太阳的，太阳强烈的光可以遮挡住任何的星星，所以日食才是绝佳的观测机会。1919年的5月底，日食如约而至，爱因斯坦的第一大粉丝英国的大天文学家爱丁顿进行了这个实验，他把日食发生时的星空拍下来，然后再拿出没有太阳时星空的照片对比，只要星星的位置发生变化，那么就证明太阳的确会吸引光线。结果爱丁顿的观测证明爱因斯坦是对的，星光偏移了。星光实验的成功让爱因斯坦瞬间走红全球，一战成名。因为这个实验证明了爱因斯坦的相对论是对的，爱因斯坦解答了牛顿解答不了的问题。  那么，爱因斯坦是如何解释万有引力的呢？他在弹簧床上放一个大铅球，并告诉你这个铅球就是太阳，这个太阳铅球很重会把床压得凹陷下去，这时他又举起一个蓝色的玻璃球，告诉我们说这就是地球，他把这个玻璃地球抛在了床上，我们看到这个玻璃地球围绕着铅球转了几圈后，就会滚到铅球压下的大坑里去，和铅球碰撞在一起，这时爱因斯坦说，现在，因为玻璃球和床单、空气是有摩擦力的，所以才会越转越慢，最后碰到了铅球，如果没有摩擦力呢？是不是就像我们的地球绕着太阳不停地旋转呢。  太阳在宇宙中也是会压出一个大坑的，只不过这个大坑不是床，而是空间本身。其实不只是太阳，任何物体只要有重量，都会扭曲空间，使空间凹陷，而且越重的物体扭曲空间越严重，凹陷得越深，这样其他物体就越是容易围绕着它旋转，甚至被它吸过去。而万有引力本质上就是空间扭曲后给人们产生的错觉。  相对论，到底相对的是什么？ 这就是爱因斯坦认为的万有引力的本质了。按照他的理论的确可以解释光线没有重量还可以被太阳吸引，但是对于我们仍然还有很多奥秘没有解开，那么爱因斯坦的相对论到底讲的是什么呢？那我们要从伽利略的相对性原理开始讲起。 最早把相对的概念引入到科学中的并不是爱因斯坦，而是伽利略。伽利略说运动是相对的，到底是静止还是运动，是快还是慢要看跟谁比。后来科学家们发现，其他东西看起来都挺对，就是这个光太特别了，不论和谁比都在运动，而且运动的速度还都是30万公里每秒。不管你是沿着地球旋转的方向发射的光，还是垂直于地球旋转的方向发射的光，光速都是一样的，这就是著名的迈克尔—莫雷实验，它被称为笼罩在牛顿经典物理学天空上的两朵乌云中的一朵。 为什么这样说呢？因为如果牛顿提出的光的传播媒介以太是存在的，且光速在以太中的传播服从伽利略速度叠加原理，那这两种情况下的光速是不一样的，可是实验证明光无论在何种情况下，光速都是一样的。为了解决光速奇怪的特点，科学家们尝试了各种方法，最后还是爱因斯坦完善了伽利略的理论，提出了两条基本原理1、在任何惯性系中，所有物理规律保持不变，2、光在真空中的传播速度恒为c。  爱因斯坦运用这两个原理，推出了“同时性的相对性”、“运动的时间变慢”、“运动的钢尺变短”等一系列新颖的理论。 这一下子就打破了人们几千年来对时间的认识，很久以来时间应该是一个非常特别的存在，它应该是绝对公平的，不会被任何事情所干扰，可是现在时间好像也没有想象中那么特别了，它也是可以被影响的，只要在空间中运动，时间就会变慢。 如何理解这个运动的时间变慢呢？我们用光子钟来测量时间，两面平行的镜子，光在两个镜面来回反射，光的运动方向垂直于地面，就构成了光子钟。已知光速是C，假设镜子间的距离是I,光从一面镜子到另一面的时间是I/C。我们可以利用光在镜子间来回反射的次数来计时。 我们有两个相同的光子钟，其中一个在地面，另一个在飞船上，镜面和飞船运动方向相同。见下图。  从地面的观察者来说。在地球上光从下面的镜子运动到上面镜子的时间为I/C。因为它到达上面的镜子时，镜子已经运动了一段距离，光的运动路线并不垂直于地面，而是倾斜的，它的运动距离更长。而光速不变，所以时间更长。也就是说地面上的光子钟的时间已经超过了I/C。 但对飞船上的观察者来说，飞船是静止的，光在镜子中跑一次的时间仍然是I/C。 也就是说，同样的一件事，即光从飞船上的镜子到达另一面镜子，飞船上的时间短于地面上的时间。比如飞船上是1秒，地面上是2秒。即飞船上的时间变慢了。 这就是著名的钟慢效应，运动的时钟会变慢！你看，狭义相对论里的世界多奇妙啊！时间并不是绝对的，而是相对的，每个人的时间并不一样。 爱因斯坦说，既然时间也是相对的，不如把时间和空间合在一起，统称为四维空间。 如果是在三维空间中，我们可以运动也可以静止，运动最快也只能达到光速，而在四维空间中，压根就没有静止的概念，任何事物都是以光速运行着，我们平时说的静止是在三维中的静止，而这个时候在时间维度上快速运动，这也就是说，静止物体的时间流逝最快，这个流逝的速度就是光速。 这就是四维空间的奥秘，时间的流逝和空间的运动可以相互转换，而它们有个总数值就是光速。任何物体任何状态它在四维时空中总是以光速运行着。光速是我们宇宙的一个基本特征，是宇宙的基本常数之一，在宇宙诞生的时候就已经确定了——30万公里每秒。 爱因斯坦认为，光速是宇宙中最快的速度，任何速度都不能超过光速。光速的不可超越性，可由狭义相对论的质量与速度的的关系公式推导出来。即： 可以看出，当物体的运动速度接近光速，其质量将变得无穷大，不可能将物体的速度提高到超光速。因此，光速是不可超越的。 那么，如果超光速会使时光倒流了吗？其实大多数人所理解的时间倒流，是一种对“尺缩效应”和“钟慢效应”的错误理解，这些人大概是按照以下的逻辑思维来思考的：物体运动速度越快时间流逝得越慢，当物体运动速度到达光速时，时间便停止流逝了；当物体速度超过光速时，时光倒流。乍一听貌似这番推导也不无道理，但是仔细想想，如果时间倒流了，那么时间就会变成负值（以变化的那一瞬间为时间参考零点），这与狭义相对论理论是相悖的。在狭义相对论理论体系下，超光速时间倒流的理论是错误的。 除此之外，爱因斯坦还提出了一个非常重要的公式：让我们了解了物质的质量和能量之间的相互转换的关系：能量=质量×光速×光速，这个关于质能转换的公式被称为“爱因斯坦公式”。根据这个公式，物质可以通过减轻质量的方式产生大量的能量。虽然在我们所处的世界里，似乎很少见到这种情景，但在太阳的中心，和核电站的反应堆里，就会产生这样的现象。 但是，1905年爱因斯坦提出的相对论中并没有包含这两种情况：一是物体运动发生改变的情况；二是物体受到万有引力的情况。直到经过十年的研究，爱因斯坦终于证明了，即使在这两种情况下相对论也是适用的。前者被称为狭义相对论，后者被称为广义相对论。广义相对论是由牛顿的万有引力定律延伸出来关于重力的相对论。 黑洞、虫洞、时空弯曲，有比这更炫酷的宇宙吗 广义相对论是爱因斯坦在1915年发表的理论，爱因斯坦提出了“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对论原理推广为广义相对性原理，即：物理定律的形式在一切参考系都是不变的。用广义相对论来思考问题，你会发现一些更加不可思议的事情，比如：时空弯曲、时间因为引力的影响而变慢，最神奇的现象就是黑洞，连光都无法逃出。后来许多科学家的发现都证明了广义相对论的正确性。  比如，GPS系统能够定位，全靠天空中的人造卫星，通过至少三个卫星就可以定位到你的位置。在定位时，需要精确地将天空和地面的时间同步。因为在地球轨道飞行的人造卫星，距离地面远很多，时间会比较快，卫星的时间每天总比赤道上的时间快几十微秒。微秒是非常小的时间单位，是一秒的一百万分之一。这么点时间，虽然我们感觉不到，但是如果出现在GPS系统上，就会导致定位不准，如果使用这样的系统来定位的话，汽车开着开着就会开到沟里去。GPS卫星定位系统就是广义相对论最好的论证之一。 最近人们发现的引力波，也曾经是爱因斯坦在广义相对论中被预言过的，被认为是开启了人类认识世界的第三只眼。因为引力波的发现代表着，人类终于有了一种超越电磁波的方式去发现宇宙，很多原来不可能被探知的秘密现在有了可能。所以有人说引力波的发现是一件可以载入史册的大事件。  现在，我们来总结一下，在相对论提出来之前，人们认为物质和承载物质的时间和空间毫不相关，时间是绝对的，是恒定不变的，但是狭义相对论提出以后，人们首次认识到时间和空间不是各自独立的，可以将其作为一个统一的时空来考虑。之后，随着广义相对论的提出，物质和时空也成了统一体。也就是说物质的存在决定了时空弯曲的方式，反过来，时空的弯曲方式也决定了物质的运动。 五光十色的光，真是个神奇的东西，只因为它的存在，人类在对它的研究中，使科学向前迈进了一大步。武汉科技馆新馆专门为光开辟了一个展厅，通过对光的神奇作用、光的科学探索、光的技术应用等几方面的介绍，把人类对光的认识与运用做了一个系统的展示。您感兴趣吗？那就快来开启一段时光之旅吧！  武汉科技馆新馆光展厅展品《光速世界》  光展厅展品《光所联系的世界》  光展厅展品《光的波粒二象性》 （文中部分图片来自网络） 参考资料 2、汪洁，时间的形状——相对论史话 2、福江纯（日），写给小学生看的相对论 撰稿：数字科技馆部 黄静 编辑：数字科技馆部 |
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