「相对论」到底牛在哪？这次给你讲清楚（1）

文/老余

1905年，东方世界发生了对后世影响深远的很多大事：

日俄战争中，俄国战败退出旅顺口岸；慈禧委派五大臣准备去西方考察宪政到底怎么搞；几千年的科举制度寿终正寝；孙中山合并兴中会、华兴会、光复会，同盟会正式成立；《革命军》的作者邹容死于狱中，《猛回头》的作者陈天华，为唤醒国人，跳海自杀。

此时的东方古国，正在经历“千年未有之大变局！”

也正是这一年，对整个人类世界有着巨大影响的「狭义相对论」横空出世！

据说这个理论发表时，全球只有2.5个人能搞明白这是啥意思，为何这么难懂？因为它实在是太反直觉了，比如：

关于时间的问题——高速运动物体的时间会变慢。

时间不是客观不变的吗？怎么可能会变慢呢？

这是因为我们没有“看破”时间，而爱因斯坦看破了。

比如《三体》里，大刘说三体星离我们的距离是4光年（光以三十万公里/秒的速度，跑4年的距离），书上说三体飞行器的最高的速度是光速的0.1倍，假设这个飞行器匀速以0.1倍的光速向地球前进，到达地球的要花40年，没错吧？

如果你就在这艘飞船上，出发时你30岁，到达地球时你应该70岁了，没错吧？

但我们错了，根据相对论效应，高速运动的物体时间会变慢，我们眼里的40年对你来说只有39.8年，你到达的时候不到70岁。

且你越接近于光速运动，你的时间就会越慢，如果你能以99.5%的光速飞行，你的时间将会比我们慢10倍！

（TIPS：小说里三体飞船并不能一直以最高速飞行，且高速飞行会形成航迹，三体飞船为了不暴露三体星的位置，要离开很远后才会加速，所以大刘把三体人到达地球的时间设定为450年后。）

也就是说，天天在天上飞的空姐会老得比我们慢，神话传说中的“山中一日，世上千年”原来是真的，是不是很不可思议？

爱因斯坦不仅“看破”了时间，还看破了很多东西，比如长度、质量与能量——高速运动的物体长度会变短；质量与能量其实是一回事儿（E=MC²）。

而最牛掰的是看破了「光」，以前大家都觉得光是连续的，但爱因斯坦在《关于光的产生和转变的一个启发性观点》中推导出了「光不是连续的，而是一份一份的，是量子化的」，这篇论文不仅获得了诺贝尔奖，还直接推开了一个新领域的大门：

——量子力学（虽然他本人极力反对量子力学，这个前因后果后面会说到）。

以上壮举单拿一件出来，任何一个物理学潜心研究一辈子都无疑称得上伟大，都能在历史上留下浓墨重彩的一笔了。

但这所有不可思议的壮举都发生在爱因斯坦一个人身上，且还是在同一个年份（1905年），这简直是人类史上最大的“马太效应”事件了。

爱因斯坦的这些发现已经过去了100多年，我们作为二十一世纪的人，没有理由搞不明白100多年前的理论，如果你没搞懂，只有两个原因：

1. 你对这个世界到底是怎么回事不感兴趣；
2. 老师教的方法有问题。

其实，相对论简单而深刻，一旦你搞明白了，你眼里的世界就会截然不同。

如果你有孩子，也可以读完这个小系列后讲给孩子听，或许隐藏在他/她内心深处的物理天赋与兴趣就此被激发，成为下一个可改天换地的爱因斯坦。

为了让你把「相对论」彻底弄明白，我们得从麦克斯韦看破了「电与磁其实是一回事」开始讲起... ...

麦克斯韦

（一）麦克斯韦的伟大

物理学家，其实就是一次次看破宇宙万物的过程。

哥白尼（1473年-1543年）看破了天与地。他说地球与天上的日月星辰没有本质区别，我们这里不是宇宙的中心，地球与星星们其实是一回事。

开普勒（1571年-1630年）看破了天体运动的引力本质。那些天体并不需要什么小精灵来推，只要太阳给行星们一个吸引力就够了。

牛顿（1643年-1727年）坐在苹果树下，就把地球引力看破了。不但天体与天体之间有引力，宇宙万物只要有质量，都会有引力。

这几位牛人，基本把天上、地下关于运动的所有问题都说清楚了。

而麦克斯韦（1831年-1879年）之所以伟大，是因为他看破了「电、磁与光」的关系。学过初中物理的朋友都知道，「电」的本质是电荷之间的相互作用。电子带负电，离子带正电，电子与离子之间有吸引力，电子与电子、离子与离子之间有排斥力，这就是“同性相斥，异性相吸。”

那什么是磁呢？电荷的运动产生磁，一段电线通了电，它的周围就会有磁性。

在麦克斯韦之前，物理学家们对电与磁做了非常多的研究，但始终没有搞明白电与磁之间的关系，即使伟大如法拉第，也只能看到「变化的磁场能产生电流」，也就是说法拉第看破了「磁能生电」。

麦克斯韦出场，就补齐了法拉第在电磁上的另一组对偶关系——电，也能生磁。

但这还不是他最伟大的地方，最伟大的是由此打开了「电磁学」的大门，我们现在所有的家用电器、手机、5G都是建立在麦克斯韦电磁学的基础之上的，也就是说没有他，我们可能还处于飞鸽传书的原始时代。

当麦克斯韦推导出了“变化的电场也能产生磁场，而变化的磁场又能产生电场时”，他就想：

如果我做出一个震荡的电流，产生一个周期性变化的磁场，那这个磁场又能产生电场，接着这个电场又能产生磁场... ...

那这个「电与磁」的交替不就能一直往下传播下去了吗？这，就是我们熟悉的电磁波。

——原来，电与磁是一回事。

（注意：这都是麦克斯韦纯数学上的推导，真正的电磁波在这个理论推导出来20多年后被制造了出来。）

麦克斯韦并没有打住，他用他的「麦克斯韦方程组」继续计算电磁波的速度，又发现了一个惊天大秘密：电磁波传播的速度，竟然和光速是完全一样的。

于是麦克斯韦大胆预测：

——光，就是电磁波。

后世的人们做实验证明了这一点，所有的光都是特定波长下的电磁波而已。

到此，物理学家把这个混沌、复杂再次简化。

牛顿的伟大是用几个简洁漂亮的公式解释了宇宙万物的运动，而麦克斯韦也用了一组简洁漂亮的公式解释了「电与磁是一回事儿，光与电磁场也是一回事」。

也就是到此，我们身边的一切物理现象，都被物理学家破解了。

但麦克斯韦断定「光也是电磁波的一种」后，还有一个问题没有解决，那就是：

——这个光的速度，是相对于谁的？

正是因为这个问题，直接催生了爱因斯坦的相对论。

我们接着往下看。

爱因斯坦

（二）麦克斯韦留给后世的难题

从我们朴素的直觉来看，这简直就不是一个问题，因为这看上去实在太简单了：

——光的速度，当然是相对于光源的。

真的是这样吗？（注意：以下描述非常反直觉）

不是！

我们先看一个迎合直觉的例子：

比如你坐在400公里/小时（111米/秒）的高铁上，在车厢里以时速700米/的速度射出子弹。

相对于你来说，子弹的速度是700米/秒，没错吧？

如果我站在地面上，子弹的速度应该是高铁的速度 子弹的速度=700 111=811米/秒，这也没错吧？

但要是把子弹换成手电筒，你在高铁上打一束光，这束光相对你的速度就是光速本身，没错吧？

那站在地面上的我，这束光相对于我的速度还是高铁的时速 光速吗？

不是了——这束光于我的速度和你一样，还是光速！

科学家用实验证明了这一点：

宇宙中有一种「双星系统」，就是两颗恒星相互缠绕旋转，从地球上观察，总会有一颗恒星在这一阶段是向着地球运动，而另一颗是朝我们远去的方向运动的。

如果光速是相对于光源的，那朝着地球运动的恒星发出的光速就应该更快一些（叠加自己的速度），离我们远去的光速就应该更慢一些（减去自己的速度）。

是这样吧？

但科学家观测的结果不是这样的，虽然两颗星速度差别并不大，但由于双星离地球十分遥远，即使两颗星相对于相向的速度很小，我们也能观测到明显差异。

而科学家观测了很多双子星的光，都没有发现这个差异，也就是说：

——光的速度跟光源没有关系，光速是独立存在于运动之外的。

同理，在高铁上的你打开手电筒后，这束光相对于你的速度是30万公里/秒‬，相对于地面上的我来说，这束光的速度也是30万公里/秒‬。

这也太怪异了！

不只是你我，当时的物理学家们也集体陷入了困境：

光速啊，你到底是相对于谁的？！

而找到这个问题答案的人，此时还是一个小孩子，他就是爱因斯坦。

篇幅有限，欲知后事如何，关注我，下篇我们再分解。

（本篇完）

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拓展：

1、时间变慢的计算公式（钟慢系数）：

例子：你以99.5%的光速前进，即V=0.995，那你的钟慢系数=0.0999≈0.1，也就是你的时间快慢是常人的0.1倍，即慢10倍。