假設你在一艘豪華游輪上旅行，這艘游輪在海上開的速度很快瞧省，但是它非常平穩(wěn)季惯，沒有任何顛簸吠各。游輪上有個全封閉的大廳，里面有游泳池有球場勉抓，你甚至還可以在里面做物理實驗贾漏。

那請問，在不和外界發(fā)生任何聯(lián)系的情況下藕筋，你能判斷出這艘游輪是在前進還是靜止不動嗎纵散？

無法判斷，所以隐圾，

勻速直線運動和靜止沒有本質區(qū)別伍掀，速度都是相對的。

這個其實就是相對論暇藏，這就叫“伽利略的相對論”蜜笤。

廣義相對論的時候你還會知道，其實不一定是勻速直線運動盐碱，加速運動跟靜止也沒有本質區(qū)別……

力只能帶來*加*速度把兔，單純的速度跟力無關。勻速直線運動和靜止都沒有力瓮顽，所以物理定律在游輪和地面是一樣的县好。

假設站在游輪上的你不是向游輪前方射出一支箭，而是用手電筒打出一束光暖混，你猜這束光的速度應該怎樣缕贡。相對于你來說，光速是每秒30萬公里拣播。

那既然你跟站在地面上的我的相對速度是每小時360公里 —— 也就是每秒0.1公里晾咪，根據(jù)剛才伽利略的算法，我眼中這束光的速度就應該是每秒30萬.1公里贮配，對吧禀酱？

物理學家發(fā)現(xiàn)，不是這樣的牧嫉。不管你跟我的相對速度有多快剂跟，我測量和你測量這束光的速度”都是每秒30萬公里“！

1860年代初期酣藻，麥克斯韋提出一組總共四個方程曹洽，來描寫*所有的*電磁現(xiàn)象。這就是著名的麥克斯韋方程組辽剧，它們寫出來非常漂亮 ——?

前三個方程分別說的是（1）電荷產生電場送淆；（2）沒有磁荷；（3）變化的磁場也能產生電場怕轿。第（4）個方程右邊的第一項說的是電流產生磁場偷崩，所有這些都是當時已知的物理知識辟拷。

我們重點說說它的第二項。這一項就是麥克斯韋的獨特發(fā)現(xiàn)阐斜。一方面衫冻，是麥克斯韋考慮電和磁之間應該有一個對偶的關系。那既然法拉第的實驗證明變化的磁場能產生電場谒出，變化的電場是不是也能產生磁場呢隅俘？另一方面，這一項也是讓方程組在數(shù)學上自洽笤喳、讓電荷數(shù)守恒的要求为居。這一項，就是說變化的電場也能產生磁場杀狡。

后來人們用實驗證明麥克斯韋是對的蒙畴。但是請注意，麥克斯韋這個發(fā)現(xiàn)純粹是理論推導出來的呜象！這就好比說一個偵探膳凝，聽取了各方的信息之后突然就推斷出來一個人們意想不到的結論。而麥克斯韋用的僅僅是數(shù)學董朝。

好，現(xiàn)在麥克斯韋知道 ——

* 變化的磁場能產生電場

* 變化的電場又能產生磁場

那首先你就能看出來干跛，電和磁其實在某種程度上是“一回事兒”子姜，電場和磁場可以互相產生，就算沒有電荷楼入，用磁場也能產生電場哥捕。

但麥克斯韋緊接著想到，如果我用線圈弄一個震蕩的電流嘉熊，產生一個周期變化的磁場遥赚，那么這個周期變化磁場就能產生一個周期變化的電場，而這個周期變化的電場又能產生新的周期變化的磁場……以此類推阐肤，豈不是說這個電磁場可以一直傳播下去嗎凫佛？

這就是電磁波！二十多年以后人們真的在實驗中制造了電磁波孕惜，給后世生活帶來巨大的影響愧薛，不過麥克斯韋在意的不是電磁波的實用價值。

麥克斯韋可以用他的方程組直接計算這個電磁波的傳播速度衫画。他算出來電磁波速度毫炉，發(fā)現(xiàn)跟光速，它們的數(shù)值是一樣的削罩！

而現(xiàn)在麥克斯韋計算得出的電磁波的速度正好是光速瞄勾，于是麥克斯韋大膽宣稱费奸，光，其實就是電磁波进陡。后來人們證實果然是這樣愿阐，我們平時所見的可見光無非就是特定頻率的電磁波而已。

這是物理學家再一次看破了紅塵四濒。天上的東西和地上是一回事兒换况，勻速直線運動和靜止是一回事，電和磁是一回事兒盗蟆，而現(xiàn)在麥克斯韋說戈二，光跟電磁場，其實也是一回事兒喳资。

這么一來觉吭，物理學的邏輯結構就變得更簡單了。牛頓力學加上麥克斯韋電磁學仆邓，身邊的一切物理現(xiàn)象等于是都被理解了鲜滩。這絕對是英雄的壯舉。

但是這個成就里邊有一個危機节值。

那麥克斯韋方程組解出來的光速是相對于誰呢徙硅？這個問題可以有兩種答案。

老百姓的直覺是搞疗，光速肯定是相對于光源的嗓蘑。你打開手電筒射出去一束光，那這個光速肯定是相對于手電筒啊 —— 但是這個說法很快就被物理學家給否定了匿乃。

宇宙中有一種“雙星系統(tǒng)”桩皿，就是兩個臨近的恒星互相繞著對方旋轉，誰也離不開誰幢炸。從我們這里觀察泄隔，就總有一顆恒星在向著我們運動，另外一個恒星向著我們相反的方向運動 ——

可是天文學家觀測了各種雙星系統(tǒng)宛徊，從來都沒有看到任何延遲佛嬉。兩個恒星的光速始終都是一樣的！

這說明光速跟光源的速度無關闸天。物理學家對此并不感到驚訝巷燥，因為電磁波本來就是脫離最早產生它的電荷和電流而獨立存在。波号枕，畢竟不是射出去的箭缰揪。

物理學家設想，光其實是遍布宇宙空間的某種介質的波動，而光速就是相對于這個介質的速度……可是當時的人萬萬沒想到钝腺，這個解釋的問題更大抛姑。

好，水波是相對于水面的運動艳狐，聲波是相對于空氣的運動 —— 那既然光作為電磁波也是一種波動定硝，它就也應該是相對于某種介質的運動，對吧毫目？

這個假想中的介質蔬啡，就被稱為“以太”。

那以太到底是一種什么東西呢镀虐？物理學家可以推算它的性質箱蟆。

首先，既然我們能看到來自宇宙各處的星光刮便，以太就必須遍布整個宇宙空間空猜，無處不在。

其次恨旱，以太肯定是一種非常稀疏的物質辈毯。這是因為我們完全感覺不到它的存在，各種東西都是該怎么運動就怎么運動搜贤，以太不構成障礙谆沃。

但同時以太又必須得是一種很堅硬的東西。這是因為物理學家早就知道仪芒，波的傳播速度跟介質的堅硬程度有關：介質越硬唁影，波速就越快，比如聲波在水里的速度就比在空氣里快桌硫。

又很稀疏夭咬，又很堅硬啃炸，以太這個東西不是太奇怪了嗎铆隘？

更嚴重的問題是，如果以太真的存在南用，那物理學家關于“勻速直線運動和靜止沒有區(qū)別”這個信念膀钠，可就錯了。我們完全可以說“相對于以太的靜止”就是絕對的靜止裹虫，它跟運動有本質的區(qū)別肿嘲。

咱們還是回到那艘豪華游輪上。你做力學實驗的確無法判斷船是在運動還是靜止筑公，但是現(xiàn)在你可以做一個電磁學實驗雳窟！你打開手電筒制造一段光線，然后你測量一下它的速度匣屡。只要船在相對于以太運動封救，你就一定能找到一個方向拇涤，正好是船運動的方向，在這個方向上誉结，光速比其他方向要慢一些鹅士！那只要你能找到一個光速變慢的方向，不就證明船是在運動了嗎惩坑？

我們的地球就是這艘船掉盅。既然地球在公轉，它就肯定是在運動以舒。那如果以太存在趾痘，我們就一定能找到一個讓光速或者稍微變大、或者稍微變小的方向稀轨，對吧赖阻？

美國物理學家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson）發(fā)明了一個特別漂亮的測量光速變化的方法珠月。他把一束光分成兩束，在垂直的兩個方向前進，走過同樣的距離封锉，經過鏡子反射之后再回來。如果光速在兩個方向上是一樣的击困，兩束光就會形成一個完美的干涉條紋吮蛹。但是只要這兩束光的速度有一點點不一樣，這個干涉條紋也會被破壞狭魂。這個裝置足以發(fā)現(xiàn)極其微小的速度差異罚攀，現(xiàn)代人發(fā)現(xiàn)引力波的實驗裝置也是用了這個原理。

這就是發(fā)生在1887年的“邁克爾遜-莫雷實驗”雌澄。實驗結果是地球上的光速在所有方向上都是一樣的斋泄。

這也就是說根本就沒有以太。

這也就是說光根本不需要介質镐牺，就能在空間傳播炫掐。

這也就是說勻速直線運動和靜止還真是沒有本質區(qū)別。

但這也就是說睬涧，物理學家還是不知道光速到底是相對于誰的募胃。

1887年，全體物理學家都陷入了困惑畦浓。他們還得再等18年才能知道答案痹束。而提供答案的人，現(xiàn)在才只有8歲讶请。

1900年祷嘶。排前三名的學生都得到了正式的教職，從此就是職業(yè)科學家。而愛因斯坦和米列娃卻不得不為生計奔忙论巍。兩人又有了孩子剿牺，愛因斯坦為了養(yǎng)家糊口還去給人當了一陣家庭教師，后來好不容易在專利局找到了一個低級的工作环壤。這就是愛因斯坦在1905年之前的生活狀況晒来。

愛因斯坦16歲就寫了第一篇物理論文，這篇論文的題目就是……《磁場里以太的狀態(tài)的研究》郑现。他就問了一個問題湃崩，說如果我以光速在運動，那我看到的光接箫，會是什么樣的呢攒读？難道光會是靜止不動的嗎？

當時愛因斯坦就說辛友，他認為不會是那樣 —— 他說根據(jù)麥克斯韋的理論薄扁，不管我是什么速度，我做實驗弄出光波來废累，光波還是會以光速在運動邓梅。

現(xiàn)在我們一般把1905年稱為“愛因斯坦奇跡年”。我記得2005年的時候邑滨，物理學家們還專門組織活動紀念愛因斯坦奇跡年的一百周年 —— 別的名人都是紀念誕辰或者逝世多少周年日缨，而愛因斯坦應該按照奇跡年紀念。

伯爾尼瑞士專利局的助理鑒定員阿爾伯特·愛因斯坦掖看，利用業(yè)余時間開展科學研究匣距，于1905年發(fā)表了六篇物理學論文。其中四篇哎壳，用物理學家楊振寧的話說毅待，引發(fā)了人類關于物理世界的基本概念 —— 時間、空間归榕、能量尸红、光和物質 —— 的三大革命。

1905年6月9日蹲坷，愛因斯坦發(fā)表《關于光的產生和轉變的一個啟發(fā)性觀點》驶乾。當時物理學家認為光是一種連續(xù)的波動邑飒，而愛因斯坦在這篇論文里針對“光電效應”這個現(xiàn)象循签，提出一個解釋，說光的能量不是連續(xù)變化的疙咸，而是一份兒一份兒的 —— 是“量子”化的县匠。這篇論文開啟了量子力學。

7月18日，愛因斯坦發(fā)表《熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運動》乞旦，解釋了布朗運動贼穆。人們一直都在猜測世間的物質都是由分子和原子組成的，但是因為分子原子的尺度太小兰粉，顯微鏡根本看不到故痊，一直沒有直接的證據(jù)。而在將近80年前玖姑，英國植物學家羅伯特·布朗用顯微鏡觀察到水面上的花粉顆粒一直在做永不停息的不規(guī)則的運動愕秫。愛因斯坦這篇論文說，花粉之所以會動焰络，那是水分子的熱運動在不停地推它的結果 —— 而且他能據(jù)此準確計算水分子的性質戴甩。這篇論文是人類第一次實錘證明了分子和原子的存在。

9月26日闪彼，愛因斯坦發(fā)表《論運動物體的電動力學》甜孤，這篇論文就是狹義相對論。

11月21日畏腕，愛因斯坦發(fā)表《物體的慣性同它所含的能量有關嗎缴川？》，這篇論文用狹義相對論推導出現(xiàn)在盡人皆知的公式 —— E = mc^2描馅，并據(jù)此說明質量和能量其實是一回事兒二跋。

這些論文實在太革命，它們剛出來的時候都讓物理學家有點兒懵流昏。但是短短幾年之后扎即，就獲得了實驗上的證實，并且被普遍接受况凉。到1921年谚鄙，講光電效應的那篇論文還得了一個小獎，叫“諾貝爾獎”刁绒。

我有時候就想闷营，如果把一個現(xiàn)代物理學家穿越到1905年去，他敢不敢用這個速度發(fā)表那些論文知市，敢不敢一個人獨占這么多革命的榮譽 —— 我覺得小說都不敢這么寫傻盟。

沒錯，愛因斯坦是專門來改變世界的嫂丙。

麥克斯韋電動力學解出來的光速娘赴，到底是相對于誰的。實驗證明光速與光源的速度無關跟啤，而以太不存在诽表，地球上哪個方向的光速都一樣唉锌。那這件事兒你到底怎么面對。

愛因斯坦提出相對論的論文題目叫做《論運動物體的電動力學》竿奏，直接說的就是光速危機袄简。愛因斯坦的解決方案是一個撥云見日的斷言 ——

一切勻速直線運動或者靜止的坐標系下，物理定律都是一樣的泛啸，句號绿语。

這句話叫做“相對性原理”。它是伽利略相對論的推廣候址。伽利略說*力學*在一切勻速直線運動和靜止的坐標系中是一樣的汞舱，而愛因斯坦現(xiàn)在說不用非得是力學，一切物理定律 —— 包括電動力學 —— 都是一樣的宗雇。

這也就意味著昂芜，不管你是站在地面靜止不動，還是在飛奔的高鐵上赔蒲，還是在以接近光速飛行的宇宙飛船上泌神，當你看到一束光的時候，這束光的速度永遠都是 c舞虱。

那怎么會是這樣呢欢际？難道不同坐標系下的速度不應該疊加嗎？難道我迎著光走的時候光速相對于我不應該更快一點嗎矾兜？

愛因斯坦說损趋，不是。不是光有問題椅寺，是你的時空觀有問題浑槽。

3.時間的膨脹

只要你堅信相對性原理和光速不變，狹義相對論的各個結論就都可以用數(shù)學推導出來返帕。

咱們現(xiàn)在來做一個思想實驗桐玻，看看真實時空的一個小秘密。

下面這張圖中是個長條形的盒子荆萤。盒子的一端（A）有一個發(fā)射裝置镊靴，它可以在垂直方向發(fā)射一個光脈沖，另外一端（B）是一面鏡子链韭。我們要研究的就是光從盒子的一端出來偏竟，到達鏡子，然后再反射回來敞峭，這么一個過程踊谋。

為此，我們首先要定義兩個“事件”儡陨。在相對論里時間和空間都是相對的褪子，但是事件是絕對的，發(fā)生了就是發(fā)生了骗村，沒發(fā)生就是沒發(fā)生嫌褪。

我們把光離開盒子的發(fā)射端這件事兒稱為“事件1”，把光經過鏡子反射之后又回到這個地方胚股，稱為“事件2”笼痛。我們假設盒子兩個端點之間的距離是 L。

好±虐瑁現(xiàn)在請問缨伊，事件1跟事件2這兩件事之間，間隔了多長時間呢进宝？

如果你跟盒子是在同一個坐標系內 —— 也就是說刻坊，盒子相對于你是靜止的 —— 那么答案非常簡單，小學生都會算：光走的路線是兩倍的 L党晋，而光速是 c谭胚，所以時間是 Δt = 2 L/c.

但是，如果你跟盒子不在同一個坐標系內未玻，答案就不是這樣了灾而。我們假設你站在地面不動，而盒子相對于你扳剿，以速度 v 在水平的方向上有一個運動旁趟，如下圖 ——

斜邊總是比直角邊長，D > L庇绽，所以 Δt' > Δt锡搜。也就是說，地上的旁觀者看到兩事件的間隔要長瞧掺，跟隨盒子運動的人經歷兩事件可能只要10年的時間時余爆，地上的旁觀者經歷兩事件的時間卻可能需要30年。所以夸盟，相同的兩事件間蛾方，運動的物體經歷的時間要地球上短，少上陕，也就是說桩砰，相比地球上的時間變慢了。而地球上的時間相比運動的飛船上的時間變快了（以運動的飛船上的時間為標準時間释簿，無論是飛船上還是地面上亚隅，時間的間隔變化快慢卻是一樣的）。

1941年庶溶，物理學家拿μ子驗證了相對論煮纵。華盛頓山的高度大約是2公里懂鸵。這些0.994c 的μ子從山頂?shù)竭_山底大約需要走6.7微秒。如果這些高速μ子的半衰期跟靜止μ子一樣行疏，那么這6.7微秒可是好幾個半衰期匆光，山底收集到的μ子數(shù)應該是山頂?shù)?8.5 分之一。實驗結果酿联，山底收集到的μ子數(shù)是山頂?shù)?1.3 分之一终息。這些μ子真的通過高速運動保持了青春 —— 這正是相對論預言的結果，數(shù)值絲毫不差贞让。

1979年物理學家又做了一次實驗周崭，他們用歐洲核子中心的粒子加速器把μ子加速到了0.9994c，結果這些μ子的平均壽命就被延長了29.3倍喳张！

相對論不但正確续镇，而且非常精確。

如果永遠不聯(lián)系销部，你在飛船的生活跟我在地面的生活就沒有任何區(qū)別磨取。可是一旦要聯(lián)系柴墩，咱倆的數(shù)字就非常不一樣忙厌。而所有這些不一樣，又恰恰是因為光速在所有坐標系下都一樣江咳。

相對論是如此地讓人不好接受逢净，卻又是如此的簡單。

跟時間膨脹相對應的一個效應是“長度收縮”歼指。

飛船開始出發(fā)和飛船到達目的地的兩事件中爹土，由于在我們看來還是在他看來，飛船相對于這段距離的飛行速度可是一樣的踩身，所以胀茵，當乘以不同的時間間隔，就造成了運動的飛船所經歷的路程變短（相比地面的看到的路程）挟阻。我們還是說宇航員琼娘。同樣是一段距離，我們在地面看他應該飛25年才能到附鸽，在他自己看來脱拼，飛15年就到了。而且請注意坷备，不管

那么這就意味著熄浓，宇航員看到的這個距離，比我們看到的要短省撑。

所以赌蔑，長度是個相對的概念俯在。一個物體的長度在相對于它靜止的坐標系中是最大的，如果你跟它有一個相對的運動娃惯，你會覺得它比靜止的時候短一些跷乐。這就是長度收縮。