從光速到狹義相對論

先說結果山害，狹義相對論用一套完美的數(shù)學語言解決了“光速恒定不變”和“伽利略變換”的矛盾嘉涌。“伽利略變換”升級為“洛倫茲變換”饼丘，相對于光速趁桃，在經(jīng)典世界中的速度，比如人奔跑的速度，火車卫病、飛機的運動速度實在太小了油啤，小到可以忽略不計。所以解決經(jīng)典世界中物體的動量問題蟀苛，用“伽利略變換”就足夠了益咬。比如小明在火車上奔跑那個故事，非要用“洛倫茲變換”來計算帜平，那么計算出來的結果就是105后面很多0幽告，最后一位是1~9中的一個數(shù)字，譬如105.000000000000000001公里/小時這樣（并未實際計算裆甩，僅是舉例）评腺。很顯然這個看似精確的數(shù)字并沒有什么用，因為在經(jīng)典世界中我們不需要那么精確的數(shù)字淑掌。而在科學研究蒿讥、航空航天等高科技領域，就必須用到洛倫茲變換了抛腕，例子在下一篇我會舉芋绸。

簡單來說，狹義相對論從更高維的邏輯角度解釋了在光速恒定不變的狀態(tài)下担敌，宇宙中各種物體之間的關系摔敛。當然我們都知道愛因斯坦的狹義相對論最著名的部分便是解釋了時間膨脹、空間收縮全封、質能轉換等式等問題马昙，這些思維模型都非常有趣，我也很想一一展開和各位小伙伴們來討論刹悴，但本文的主旨是通過故事讓小伙伴們更深刻的理解“邏輯”的概念行楞，用更豐富多樣的角度去解釋“邏輯”，所以小編會挑選對本文主旨相關性高的知識來進行闡述土匀。那么下面我們來看看在狹義相對論中時間膨脹這個概念子房。

時間膨脹，簡單的來說就是時間變慢就轧。時間這個概念在接觸到狹義相對論之前证杭，在常識范疇內小伙伴們都會認為時間是絕對的，也就是每個人和每個人的時間都是絕對相等的妒御，我過1秒解愤，你也過1秒，我過1年乎莉，你也過1年送讲。但下面的結論可能要讓你大跌眼鏡了：“時間不是絕對的奸笤，也是相對的”，換句話說就是李茫，你的時間和我的時間是不一樣的。

什么肥橙？魄宏？？很多小伙伴要發(fā)起提問攻勢了存筏，“怎么可能宠互，我從未見過誰的時間和我不一樣⊥旨幔”“如果每個人時間都不一樣予跌，那世界標準時間還有什么意義？”

別著急善茎，這部分比較燒腦券册，小編盡量用簡單的例子來讓小伙伴們理解為什么時間不是絕對的。我們都知道光速是恒定的垂涯，速度約為30萬公里/秒∷副海現(xiàn)在請你和小編一起來做一個思想實驗：

你和小編各拿著一個光子鐘，這個光子鐘由平行的兩面鏡子組成耕赘，距離15米骄蝇，光在這兩面鏡子之間垂直折返一次用時為一千萬分之一秒（光速c=30萬千米/秒除以折返一次距離30米），也就是說操骡，光子在鏡子之前來回折返1000萬次是一秒九火，這是一種很精確的時鐘〔嵴校可以很方便的確認你的時間和小編的時間有什么不同岔激。

小編拿著光子鐘坐上了宇宙飛船，而你在原地不動是掰，這個時候鹦倚，小編的宇宙飛船以亞光速起飛了，因為是思想實驗冀惭，我們假設你可以看到小編的光子鐘震叙，那么從你的視角來觀察小編的光子鐘會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？

我們來用慢動作拆分散休，看看你觀察到了什么媒楼。小編起飛那一刻，你和小編的光子鐘的光子由下鏡面自上鏡面運動戚丸，不同的是划址，在你眼中你看到自己的鐘的光子垂直上升到上鏡面又垂直反彈回到下鏡面扔嵌，一共走了30米，時間過了一千萬分之一秒夺颤；而你看到小編的光子鐘的景象是痢缎，光子一上一下的過程構成了一個等腰三角形的兩條相等邊，因為在你的視角里飛船在亞光速移動世澜，所以你看到小編的光子移動方向一定不是垂直而是傾斜的独旷。

細心的小伙伴可能發(fā)現(xiàn)問題了，在你視角的坐標系中寥裂，小編手中的光子鐘光子折返一次的的運動距離變長了嵌洼，也就是說你手中的光子鐘折返了一次，小編手中的光子鐘并未完成一次折返封恰。那么我們可推導得出你手中的光子鐘折返了1000萬次麻养，也就是渡過了一秒鐘，你眼中小編的光子鐘只折返了500萬次（1000萬和500萬只是一個比方诺舔，不必糾結具體是怎么求得的）鳖昌，你的一秒鐘和你眼中小編的一秒鐘長度并不相等。所以低飒，在你看來遗遵，小編的時間變慢了，時間膨脹了逸嘀。

同理车要，我們來到小編的視角中，小編坐在宇宙飛船上以亞光速移動崭倘，小編自己是相對靜止的翼岁，而你對于小編是以亞光速移動的，小編看到你的光子鐘也是變慢的司光，你的時間相對于小編也是膨脹的琅坡。

而為什么以亞光速的宇宙飛船為例？是因為如果換成飛機的速度残家，千萬分之一秒的光子傾斜是幾乎看不出來的榆俺，飛機的速度相對于光速實在太慢了。不如我們可以算一下坞淮，飛機的速度按800公里/時來計算茴晋，就是222米/秒，在一千萬分之一秒內回窘，飛機前行了0.022毫米诺擅，這么短的距離內用三角函數(shù)計算來求得小編的時間比你的慢了多少是微乎其微到可以忽略不計的。

通過以上啡直，我們得出了結論：在你看來烁涌，小編的時間比你慢苍碟，小編的時間膨脹了；在小編看來撮执，你的時間比小編慢微峰，你的時間膨脹了。

愛因斯坦的狹義相對論從時間膨脹的這個更高的邏輯維度給我們解釋了時間為什么是相對的而不是絕對的抒钱，完美的解決了光速恒定與經(jīng)典物理學的矛盾沖突蜓肆。

看到這個結論聰明的小伙伴又要發(fā)問了：“時間膨脹我理解了，可為什么非要從某一個的視角去看呢继效？難道不能從一個外部的視角去觀察小編和我的時間到底誰更慢嗎症杏？”

當然可以装获，可是這個問題就不是狹義相對論可以解決的了瑞信，我們要從1905年繼續(xù)前進到1915年，看看愛因斯坦提出的廣義相對論是怎么解決這個問題的穴豫。

關于“洛倫茲變換”的具體公式及推導過程凡简，包括相關的一些實驗過程，因為篇幅關系我就不一一列舉了精肃，有興趣的小伙伴可以自行了解秤涩。

今天的內容比較燒腦，有興趣的小伙伴可以多看幾遍司抱，理解了時間膨脹這個概念筐眷，是理解相對論的前置條件。明天小編會和大家聊聊廣義相對論及其應用习柠。