胡搅蛮缠：诡异相对论 | 老和山下的小学僧

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导读

相比玄而又玄的量子力学，相对论也不遑多让。两大理论同宗同源，同一时间诞生自物理学的两朵乌云，这哥俩联手摧毁了经典物理学大厦，却又有着截然不同的秉性。科学之魅力，便在于荒诞不经的表象背后所蕴藏的严丝合缝的惊人巧合。

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爱因斯坦说：“科学没有宗教如同瘸子，宗教没有科学如同盲人。”相比玄而又玄的量子力学，相对论也不遑多让。两大理论同宗同源，同一时间诞生自物理学的两朵乌云，这哥俩联手摧毁了经典物理学大厦，却又有着截然不同的秉性。
科学之魅力，在于荒诞不经的表象背后所蕴藏的严丝合缝的惊人巧合。如果说量子力学是物理学家的群魔乱舞，那么相对论就是爱因斯坦的独角戏；如果说量子力学是积小流成江海，那么相对论就是横空出世；量子力学是从实验现象拼揍出理论公式，相对论则是凭空捏造后再寻找实验验证；量子力学收割了成堆的诺贝尔奖，相对论只是少数人的孤芳自赏；量子力学早已落地生根，相对论依然空中楼阁；量子力学只管微观（电子质子），相对论只管宏观（时间空间）……
相对论和量子力学仿佛商量好一般，默契到无以复加！这两个理论是如此矛盾，却又都如此准确，真是折磨了一代又一代的物理人！不多废话，下面有请专利局的小科员爱因斯坦同学，为我们演绎“独角戏”。先等等，大家知道我比较啰嗦，正戏哪有这么快开始，先听段前奏吧！
物理学家大多秦始皇转世，天生有“大一统思想”，最好把宇宙所有规律归纳成一个公式。经典物理经历了开枝散叶的“牛顿时代”后，又逐渐归拢走向统一，但凡能在“大统一”事业上有所建树的科学家都能名垂史册。
“大统一”路上的巅峰之作，非“麦克斯韦方程组”莫属，至少排名人类最伟大公式前三甲！原本“电”和“磁”是两路人，但自从法拉第发现电磁感应后，大家都知道电和磁早就有一腿了，却苦于没有牵线搭桥的媒婆。正当大家干着急时，麦克斯韦大笔一挥，从此电、磁成了一家人。 麦克斯韦方程组以如此优美的形式，完整阐述了电和磁的相互转化规律，堪称物理学难得一见的白富美！“光”也是电磁波，爱因斯坦一直对“光”情有独钟，于是他就很痴迷的看着这个白富美。这情景神似杨过悟出黯然销魂掌，爱因斯坦看着看着，豁然顿悟，提出了一个销魂的假设：光速不变原理！

这是何意？举个例子：你站在路边不动，我骑车速度10km/s，妹子开车速度50km/s，那么妹子对你来说速度是50，对我来说速度是40。这个是我们正常的理解，对吧？

同样的场景，把妹子换成“光”，那么应该是：光对你来说是300000km/s，对我来说是（300000-10）km/s，对吧？爱因斯坦说，你们太不了解“光”妹子了，无论你们的速度是多少，她的速度永远都是300000km/s。极端一点，你的速度是0，而我的速度是299999km/s，同一束“光”，对你来说速度是300000km/s，对我来说依然是300000km/s！要崩溃了，有木有！兄弟，无论哥追的有多块，咱离妹子都是一样的远呐！

那这到底是一束光还是两束光啊？当然只是一束光，只不过，这束光在不同的人看来，永远都是一样的速度。相对论的起点就是来自这么一个无比荒诞的假设：光速不变原理！ 既然光速绝对不变，那应该叫“绝对论”，干嘛叫“相对论”？相对论是与“绝对时空观”相对应的，学术点说，一切物理定律在所有惯性参照系中具有相同的数学形式，学名“相对性原理”，这是相对论的第二个假设。
这个话题又有点哲学的味道了。回到刚才的场景，我骑车的速度是10，而你站在路边不动，假设整个系统或者说全宇宙只剩下你我，那么到底是谁在动，谁不动？在你看来我在动，在我看来你在动，为了搞清楚谁在动，就把这事说成：我相对于你的速度是10。这是高中物理的内容，今天的人不难理解，不过在当时“以太”学说的背景下就不一样了。
什么是“以太”？又是亚里士多德这位老同学提出的概念：空间是以太组成的，静止和运动都是相对空间而言，也就是说“我相对于空间的速度是10”，而不是“我相对于你的速度是10”。这种观点，再算上亘古不变的一维时间，称之为牛顿时代的“绝对时空观”。  “光速不变原理”+“相对性原理”，好吧，那然后呢？凭这两下子就想颠覆世界？大家注意，老司机爱因斯坦开始飚车了，心脏不好的备好速效救心丸！
假设光速是30，老司机把车速飙到26，车厢高度是15。然后，车厢天花板发出一束光，垂直照到地板上。对车厢内的人来说（即以车厢为参照系），车厢是没有速度的，所以这束光走过的路程就是车厢的高度，根据光速不变原理，花费时间：车厢高度/光速=0.5。但对车厢外的人来说（即以地面为参照系），光束在移动的过程中，车厢也在移动，所以光走的路径是一条斜线，显然路程比原来更多了，而光速是不变的，根据时间=路程/光速，这事情就大条了！
咱算算，假设花费时间为t，那么这段时间车厢的移动距离是26t，根据勾股定理，光束走的路程30t的平方=车厢高度15的平方+车厢移动距离26t的平方，解方程得t=1。同样一件事，车厢外比车厢内多花了一倍的时间！

爱因斯坦说，光速是不变的，只能委屈时间了，没错，车厢内的时间膨胀了！这事儿怎么听着怎么怪，再走一段看看。
老司机飚车的过程中，在车厢中间闪一下光，对车厢内的人来说，显然光是同时达到前壁和后壁。对车厢外的人来说，车在前进，而光速不变，所以光先到后壁，再到前壁。如果前后壁分别有个接收器，那么这两个接收器接收到信号，是同时？还是不同时？
爱因斯坦说，你们压根不知道啥叫“同时”，如何判断在两个地方发生的两个事件是否同时？当这两个事件发生的瞬间各自发出一个闪光信号，如果光同时到达这两个地方的中点，那么就认为这两个事情是同时发生的，不然就是不同时的。所以车厢内的人看是同时的，车厢外的人看是不同时的，“同时”也是相对的。
各位看明白没？这“光”真是集爱因斯坦万千宠爱于一身，连时间都要按照光的脚步走。本学渣表示不服，这说法太赖皮了！那岂不是说，我身边发生的一切都是延时的，我永远生活在过去？因为他们的光信号跑到我这都需要时间！举个例子，假设太阳突然消失了，8分钟后，地球就会知道，那地球人有没有可能在太阳消失的一瞬间就知道？爱因斯坦说，完全不可能，太阳消失后，地球依然可以感受到阳光，感受到太阳引力，无论用什么方法都无法在8分钟内得知太阳消失了，就算你在太阳上找个人给你打电话，无线电信号也得经过8分钟才能飞到地球。那么问题来了，对于地球人而言，太阳到底是8分钟后消失的，还是现在消失的？好吧，我承认已经有点整糊涂了，索性再把问题搅乱些。
车厢内的人测量车厢长度（相当于车厢静止），把车厢两端在刻度尺上的位置记下就行。车厢外的人测量车厢长度，车厢在运动而刻度尺是静止的，所以必须在某一瞬间“同时”记下车厢两端在刻度尺上的位置，这个“同时”是爱因斯坦定义的同时。这样的话，运动的车厢比静止的车厢短，这个结论会不会有点扯？
爱因斯坦说，在“光”面前，时间都能委屈，长度算什么！物体沿着运动方向的长度会收缩，这叫“长度收缩效应”，简称“尺缩效应”。得了，那质量多半也节操难保了。
没错，因为时间和速度相关，速度和动能相关，动能和质量相关，这样推导下来，质量也就不是原来的质量了。爱因斯坦说：质量会随着速度增加而增加，然后结合动量和动能公式，就得到了大名鼎鼎的质能方程：
虽然爱因斯坦把时间、长度、质量都搅的一塌糊涂，但本质上，无非就是运动参照系和静止参照系之间的公式转化而已。数学好的同学开始得瑟了，时间膨胀、长度缩短、质量增加，都可以按照“洛伦兹变换”推导：看这些公式，你就明白为什么爱因斯坦不喜欢超光速了，按照上面的公式，一旦物体到达了光速，时间变得无限慢、长度变得无限小、质量变得无限大，这种扯蛋程度终于连爱因斯坦自己都不能接受。到现在大家觉得还能勉强接受的话，那么接下来老司机要开始漂移了。刚刚说的那些假设都是在匀速和静止的前提下讨论的，这种场景只适用于理想情况，所以叫“狭义相对论”。

如果在参照系中加上引力或者加速度什么的，基本就能适用所有情况，顾名思义，这就是“广义相对论”。
广义相对论不仅内容奇葩，而且数学艰深，爱因斯坦不得不求助数学家格罗斯曼，共同完成论文《广义相对论纲要和引力论》。除了数学系和物理系的同学，其他同学还是别看了，太辣眼睛！
英国科学家爱丁顿是第一个向英语世界介绍广义相对论的人。某日，有人问爱丁顿：“尊敬的教授，听说世界上只有三个人懂得相对论，是这样吗？”爱丁顿略加思索后回答：“您也许说得不错，不过，我在想第三个人是谁呢？”

显然，我肯定不是第三个人，对广义相对论连囫囵吞枣都谈不上，只能生搬硬套，各位就听个味道。
老司机狠踩油门，汽车加速前进，注意是加速中。一束光从车顶照到地板，光速是不变的，而车子在加速，就好像水流往下流，车子在加速，那么水流应该是弯曲的，也就是说，光应该是弯曲的。

　　爱因斯坦说，光速不能变，只能委屈空间了，是空间弯曲了！太耍懒了，有木有！明明你自己弯了，非说是空间弯了！

　　爱因斯坦接着说，“引力”和“加速度”是等效的，所以引力也会引起空间弯曲。接着展开一下想象，如果引力足够大，空间足够弯曲，像折纸一样，把远端的两个点，弯曲重叠在一起会发生什么？没错，虫洞的概念有了！开个虫洞撕裂空间，就可以从这个点直接到另一个点，梦幻般的空间跳跃！

这还没完，引力导致空间弯曲，进而使得光线走的路程变了，根据光速不变原理，时间=路程/光速，所以时间也就变慢了。

用一句话概括广义相对论，那就是：引力和加速度，使空间弯曲，使时间变慢。
目前为止，你还可以认为这一切都是胡搅蛮缠，大骂爱因斯坦是哗众取宠的神棍！此时的相对论，就像是埋设在物理学大厦里的炸药，就差一个导火线。然而，很快人们就找到了无数导火线，引爆了这座数百年的经典大厦。

1911年爱因斯坦发表《引力对光传播的影响》，由于太阳的引力和质量会使周边空间产生弯曲，使得光线经过太阳附近时也会弯曲，这一现象可在日全食进行观测。忠实粉丝爱丁顿忽悠英国政府资助了这次荒唐的测试，最终，观测数据基本符合爱因斯坦的预测，爱丁顿感慨道：这个小小的移动，改变了世界。由于媒体的介入，爱因斯坦一夜爆红。卓别林有句俏皮话，恰如其分的概括了当时的场景：“人们为我欢呼，是因为他们懂我的艺术，人们为爱因斯坦欢呼， 是因为没人懂他的理论。”
困扰了天文学多年的水星近日点进动问题也得到了圆满解释。水星运行到近日点时有些多余的进动（可理解为抖动），多余进动值为每百年43角秒，当时没人能解释。爱因斯坦计算了太阳对空间的弯曲曲率，ε=24π2a2/T2c2（1-e2）=43″/百年，完全吻合，这多余的进动是空间弯曲造成的。后来测到的金星、地球的数据也都相符相对论。

为了验证引力对时间的影响，不断有科学家把原子钟送到外太空，由引力产生的时间偏差也完全符合相对论。相对论还可以解释“为何光在水、空气等不同介质里的速度不一样”，原子核的质量使周边空间发生弯曲，导致光的路程变多，从宏观上看光速就慢了。相对论以势不可挡的姿态揭开了这个荒诞世界的外衣，再次让人类意识到自身的无知和渺小。我得再次膜拜一下爱因斯坦！要知道，当时的人们已经沉浸在量子力学带来的巨大震撼中：东西都是一段一段的、位置也是随机的，而相对论的空间描述是连续的、是可精确计算的、是与量子力学完全矛盾的，这简直是逆天下大势！

        任谁也没想到，上天竟会同时送给人类两件截然不同的礼物！更难能可贵的是，爱因斯坦既是量子力学的奠基人，也是相对论的开创者，这一手“左右互搏”的功夫，不敢说“后无来者”，至少是“前无古人”了。

        不过，相对论的应用少之又少，仅仅只是用来校准各种观察数据或实验设备，比如GPS精度校准，高能粒子质量和寿命的变化，或是预言一下引力波的存在，等等。

回头再看这个烂摊子，爱因斯坦撩完妹子，拍拍屁股走人了，但对于这个理论的起点：光速不变原理，已经弄疯了无数的数学家和物理学家。相对论和量子力学把科技树主干硬生生掰成了两个方向，这一百年来，所有物理学家梦寐以求的就是统一这两大理论，但无一不是折戟沉沙！尚未阵亡的仅剩“超弦理论”。最后说个趣闻，前几年有个新闻说科学家发现了中微子“超光速”现象，轰动一时，不知各位是否有印象？当时我看到新闻差点吓尿，记者同志可能分不清“超光速”和“超音速”的区别，超光速意味着基础物理的再一次颠覆！于是赶紧跑学校请教有关老师，后来一听说是意呆利做的，大家都松了一口气。果然，半年后，发现线路接错了。其实在国外，高校里的科学神棍也很多（注意这个“也”字），英、美、德、日的消息相对靠谱一些。物理学家固执地认为事物的本源最终都是相通的，乐此不疲地奔波在大统一的路上。作为一个曾经追逐过统一梦的物理人，期待有生之年能再一次遇见物理学的大变革，也期待中华民族能在这次大变革中为人类文明贡献应有的智慧！
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背景简介：本文作者老和山下的小学僧，著名科普作家。文章2017年1月24日发表于微信公众号 老和山下的小学僧（胡搅蛮缠：诡异相对论），风云之声获授权转载。

责任编辑：孙远