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当你看到这个标题，还依然义无反顾地点进来时，我要向你表达敬意。 我相信，大多数都听说过爱因斯坦的相对论，而且绝大多数的理工科学生在大学期间都会有修相对论相关的课程。然而时至今日，如果想让我们回忆一下相对论的原理和推导过程，我想大多数人会一脸懵逼。 不过，相对论绝对是一个很有意思的话题，即使不知道原理，你大概还是知道一些他推导出来的灵异的结论。比如，一个物体在高速运动的时候，它的时间会变慢，它的长度会变短。甚至，你可能还了解过一些有趣的思想实验，比如著名的“双生子佯谬”。 这个故事是这样的，你有一个双胞胎妹妹，在你们20岁的这一年，你接到了一个乘坐高速宇宙飞船前往外太空探险的任务。临行之前，你们相拥在一起，这一别就不知道是多少年以后才能相见了。 然后你出发了，在太空中，你历尽千难万苦，打过妖怪，得过宝物，见过太阳风暴，躲过太空垃圾。终于，整整30年后，你回到了地球。你迫不及待地找到妹妹，想要与她分享这些年的所见所得，没想到，她已经70岁了。走的时候你们两人一样大，回来的时候，你妹妹比你老了20年。 为什么会这样，这是玄幻小说吗？不是的，这是真实会发生并且已经被实验证明了的效应，物理学家们，甚至可以通过你飞船的速度和行驶的距离，准确地计算出你会比你妹妹年轻多少。这就是相对论效应。 太反人类直觉了。所以相对论是个非常精深难懂的理论么？确实如此，据说爱因斯坦刚刚发表狭义相对论的时候，全世界只有2.5人能理解。但那是相对论刚刚诞生时候的状况了，现在呢？要知道，相对论可是在1905年发表的，我们以现代人的智商和知识储备，没有理由无法理解一个清朝末年诞生的理论。 而当你了解了一些相对论知识以及他的推导过程，你会体会到我之前多次提到的那个论点：我们生活的世界真的非常精彩。 在开始之前，让我们回忆一下，学生时代曾经多次折磨我们的牛顿三大定律的前两个（学霸们忽略这句话）。 牛顿第一定律是说，在没有外力作用的情况下，物体会保持匀速直线运动或者静止。 牛顿第二定律是说，力，会改变物体的运动方式。注意，这里说的是，力是改变运动的原因，而不是使其运动的原因。 这两个定理，想必大家都非常熟悉，但这里面其实蕴含了一个很深刻的道理，那就是，匀速直线运动和静止，其实是*一回事*。 怎么能是一回事呢，我在高速路上以150公里每小时的速度，进行匀速直线运动，你能跟交警说，我跟静止其实是一回事，你不能罚我款么？ 确实是一回事，你这个150公里每小时是有个相对的参照物的，那就是地面。想象一下，如果有一辆跟你速度完全一样的汽车在你旁边开着，你往他那看，是不是感觉他就像是静止了一样。这时候，你相对于那辆车，就是静止的。所以脱离参照系谈速度，都是在耍流氓。只不过，我们日常生活中，已经默认了参照系就是地面，所有的速度都是相对地面而言的，所以才会省略参照系，直接说速度。 但我们的地面是静止的么？当然不是，我们知道，地球每个时刻都在对太阳进行着公转，自己还有自转。而我们太阳系还绕着银河系中心进行着那个级别的公转。简而言之，我们的地面完全不是静止的，而是在时时刻刻进行着非常复杂的运动。 因此，我们完全可以进行这样一个思想实验。假设，我们其实是生活在一个巨大的豪华游轮之上，这个游轮非常平稳，没有任何颠簸。在游轮上有一个全封闭的大厅，你可以做任何想做的物理实验。那，在不和外界发生任何联系的情况下，你能通过实验来判断游轮是静止还是运动的么？ 比如，你垂直向上抛一个小球，看看他会不会落回到原地？会的。比如，你向船里不同的方向用同样的力踢出一个足球，看看他们在各个方向上的速度会不会一致？会的。 总而言之只要游轮一直保持平稳，你通过任何的力学实验，都是无法判断游艇是运动还是静止的。这个道理是伽利略想明白的，其实这个道理就是相对论，是“伽利略的相对论”。 听完刚刚的描述，你会感觉相对论很简洁，很完美，还很有哲理含义。我们生活的世界里，万事万物都是相对的，没有什么东西是特殊的。如果，你立志当一名哲学家，你甚至可以马上开始思考世界的本源，发掘人性的堕落，然后洋洋洒洒地写出一本哲学观念大部头。 且慢，如果相对论如此平凡和简单，今天我们憧憬膜拜的爱因斯坦大神也就没什么可称赞的了。 刚刚，伽利略发现的事实是，你做任何*力学*实验，都无法判断自己是运动还是静止。而爱因斯坦大神把这句话扩展了一下，变成了，不用限制在力学，你*不管做什么*实验，都无法判断自己是运动还是静止。 这句话有什么问题么，有，通过这一判断，可以推断出一个所有人的目瞪口呆的事实： 这件事就是，光速，在所有的坐标系下，都是一样的！ 如果你一眼看上去，还没什么感觉，我举个例子。比如，你正在开着一辆时速360公里每小时，也就是每秒0.1公里，的车向我驶过来，在车上，你以50公里每小时的速度，向我扔一个石头，那请问，石头相对于我的速度是多少呢？ 这个题，小学生都会做，答案是360 + 50 = 410公里每小时。很简单。 但是我把条件换一下，如果你不是向我扔一个石头，而是用一个手电筒向我照过来，已知光速是30万公里每秒，你车的速度是0.1公里每秒，所以光相对于我的速度是不是每秒30万.1公里呢？ 不是！不管我和你的相对速度是多少，无论是我来测量还是你来测量，我们之间，这束光的光速*都是每秒30万公里*。 也就是说，光速在任何坐标系下都是一样的！ 怎么可能，我们的世界怎么会是这样的？这到底是怎么推理出来的？且听下回分解。 假如你喜欢本文，请点击右下角的“在看”予以支持。 |
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