神奇的相对论——一个逐渐被证实的理论

现在物理学中两大支柱是爱因斯坦的相对论和量子力学，上几篇文章主要介绍了让人难于理解的量子力学，接下来几篇主要讲另外一大支柱——相对论。相对论几乎是爱因斯坦独自完成的，而量子力学则是很多人一起努力搭建起来的一个学科，所以真的很佩服爱因斯坦，还有另外一个原因，1905年年仅26岁的爱因斯坦提出了光电效应的解释和狭义相对论，从此走上了人生的巅峰，爱因斯坦也因解释光电效应获得1921年的诺贝尔物理学奖。我个人觉得相对论没能让爱因斯坦拿诺贝尔奖不是爱因斯坦的损失，而是诺贝尔奖的损失，也只能说明在爱因斯坦去世前（1955年）能看懂相对论的应该没有几个人。

迈克尔逊-莫雷实验

到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。为解决这一矛盾，物理学家提出了“以太假说”，即放弃相对性原理，认为麦克斯韦方程组只对一个绝对参考系（以太）成立。根据这一假说，由麦克斯韦方程组计算得到的真空光速是相对于绝对参考系（以太）的速度；在相对于“以太”运动的参考系中，光速具有不同的数值。但斐索实验和迈克耳孙-莫雷实验表明光速与参考系的运动无关。该实验结果否定了以太假说，表明相对性原理的正确性。在这种情况下，爱因斯坦的狭义相对论就应运而生了，很多人问没有爱因斯坦会不会有相对论，爱因斯坦曾经说过当迈克尔逊-莫雷实验出来时，就算他不提出光速不变原理也不出5年就会有人提出来。

相对论原来并不是叫相对论的，是洛伦兹为了区别爱因斯坦的论文和自己的论文而给爱因斯坦的论文起的名字。相对论分为狭义相对论和广义相对论，狭义相对论主要由两个原理：光速不变原理和狭义相对性原理。狭义相对性原理是指在所有惯性系中，物理定律有相同的表达形式。这是力学相对性原理的推广，它适用于一切物理定律，其本质是所有惯性系平权。举个简单点例子，比如一辆公共汽车上乘客给钱售票员，车就开动了，然后售票员就撕票给乘客，公共汽车下还站着一个等车的人，那么乘客觉得售票员给他撕票时是在同一个地方——静止的车上，而等车的人呢就看到却是车动了售票员才给乘客撕票的，相对性原理就体现出来了。有迈克耳逊莫雷实验了，否定了以太的存在，那么光速不变原理就很好理解了，光速在不同的惯性参考系中速度是不会变的。在我们经典物理学中，速度是叠加的，比如一个人在火车上跑步速度是2m/s，火车速度是1000m/s，那么人相对地面的速度应该是1002m/s，也就是速度简单的叠加。但是光速是恒定的，也就是不符合叠加原理的，如果一束光在火车上射出的速度是300000km/s，火车的速度是1000m/s，那么光相对地面还是300000km/s，光不会因为火车的速度而加快。其中最有趣的是三个效应质增效应、尺缩效应和钟慢效应，质增效应指的是物体的惯性质量随其运动速度的增加而加大，速度趋于光速时，惯性质量趋于无限大 ，简单点说同一个物体，在高速运动时的质量会比低速运动时大，这个也决定了光速是不可被有质量的物理超越的，当一个不停加速时，质量越大加速就越慢，除非质量消失。尺缩效应是指测量一把运动的尺子，特别是一把接近光速的尺子，那么就必须记录下时间差和空间差，就会出现缩短效应。简单而言，就好比你看一把移动的尺子，当它快到光速时，你就几乎看不到它的长度了，也就是变短了。钟慢效应是指一个高速运动的物体的时间会比低速运动的物体的时间慢很多，比如我们的人造卫星在高空中运行的很快，我们人类在地面速度很慢，那么人造卫星上的时间和我们的时间是有差别的，定位卫星上的时间要根据爱因斯坦的相对论去修正和我们的时间，这样我们的定位才能更加的准确，如果不根据爱因斯坦相对去修正定位卫星的时间，那么每天定位卫星给我们的定位每天大概会相差20米，一年过后，定位卫星就基本没啥用了。