物理學(xué)的重要研究對(duì)象之一就是研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。自從偉大的牛頓被蘋果砸頭之后，人們普遍將牛頓三定律奉為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律最完美的詮釋，直到愛因斯坦的出現(xiàn)。這位“外星人”用他的“奇思妙想”對(duì)牛頓定律進(jìn)行了更科學(xué)的修正，并且嚴(yán)重的沖擊了牛頓定律框架下的“絕對(duì)時(shí)空觀”，愛因斯坦的這種“奇思妙想”就成了后來(lái)的“相對(duì)論”。這個(gè)顛覆又晦澀的理論，過了一百多年，直至今日還是有不少朋友對(duì)它迷惑不解，今天阿怪就試著為大家解開這其中的奧妙。
直到1905年，愛因斯坦在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文中，提出了嶄新的時(shí)空觀，并且完美的解決了“光速不變”與伽利略變換之間的矛盾。后來(lái)愛因斯坦稱該理論為“相對(duì)性理論”，簡(jiǎn)稱“相對(duì)論”，再后來(lái)又改為“狹義相對(duì)論”。十年后，愛因斯坦又提出“廣義相對(duì)論”將“相對(duì)性理論”推廣到非慣性系（具有加速度的參考系）。
年輕時(shí)候的愛因斯坦
不同速度
的兩個(gè)慣性參考系內(nèi)，彼此的時(shí)間與空間的關(guān)系。狹義相對(duì)性原理
：除引力
外的力學(xué)定律、電磁學(xué)定律以及其他相互作用的動(dòng)力學(xué)定律在所有慣性系中均等效；（把引力排除在外是因?yàn)?，狹義相對(duì)論研究的是慣性系，如果考慮引力，必然就會(huì)產(chǎn)生加速度，變成非慣性系了。所以，狹義相對(duì)論跟萬(wàn)有引力定律是兩條平行線，它還不能處理解決有加速度的問題。）光速不變?cè)?/strong>
：光在真空中總是以確定的速度c傳播，速度的大小同光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和觀察者所處的慣性系無(wú)關(guān)。
1887年，邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)，證明光速不受地球速度影響
解釋以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果（光速不受地球運(yùn)動(dòng)影響）與伽利略變換原理之間的矛盾
太多物理學(xué)家為了解釋這個(gè)矛盾而絞盡腦汁，愛因斯坦也是如此。而愛因斯坦智慧的地方就在于，當(dāng)他發(fā)現(xiàn)順著這個(gè)問題無(wú)論如何都找不到答案的時(shí)候，他決定把問題倒過來(lái)去思考：先不管這個(gè)矛盾，直接假定（真空中）光速在任何情況下都是不變的，再根據(jù)其他運(yùn)動(dòng)力學(xué)定律在這個(gè)前提下去推導(dǎo)，看看會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果。
結(jié)果是相當(dāng)驚人的！在光速不變的前提下，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)間會(huì)變慢，長(zhǎng)度會(huì)縮短，質(zhì)量會(huì)增加！
于是，相對(duì)論應(yīng)運(yùn)而生，為人們揭示了一個(gè)隱藏在現(xiàn)象背后的時(shí)空規(guī)律。接下來(lái)阿怪就帶著大家跟愛因斯坦一起在狹義相對(duì)論的世界中推導(dǎo)出物體時(shí)間變慢、長(zhǎng)度縮短、質(zhì)量增加的奧秘。
時(shí)間的相對(duì)性（鐘慢效應(yīng)）
車上車下的人發(fā)現(xiàn)光運(yùn)動(dòng)的時(shí)間不同
看圖說話：車上人觀察到光從紅點(diǎn)發(fā)出經(jīng)過車頂?shù)溺R子反射再回到紅點(diǎn)的用時(shí)是t（上）=2h/c，而車外站在地上的人觀察到光從紅點(diǎn)發(fā)出經(jīng)過車頂?shù)溺R子反射再回到紅點(diǎn)的用時(shí)是t（下）=2h/√（c2-4v2），只要小車的速度v（相對(duì)于地面）不為零，那么t(上)就必然小于t（下）。再表述一次，車上人以運(yùn)動(dòng)的車為參考系，車下人以地面為參考系，在同樣一束光的行進(jìn)路程中，車上人觀察到光的用時(shí)比車下人短，舉特例講車上人1秒鐘相當(dāng)于車下人1.1秒鐘，簡(jiǎn)而言之，車的運(yùn)動(dòng)速度讓它本身的時(shí)間變慢了。
我們?cè)賮?lái)看一個(gè)神奇的實(shí)驗(yàn)——“同時(shí)發(fā)生的事”其實(shí)“不同時(shí)”
火車內(nèi)外的人發(fā)現(xiàn)開關(guān)打開的時(shí)間不一致
看圖說話：在勻速行進(jìn)的火車中間有個(gè)發(fā)光器向火車兩頭同時(shí)發(fā)出光束，火車兩頭的光敏開關(guān)接收到光束就會(huì)打開。在火車?yán)锩娴募t人看來(lái)，火車兩頭的開關(guān)是同時(shí)打開的（因?yàn)楣獾絻深^的距離相等）；而在火車外面的黃人看來(lái)，火車尾的開關(guān)要先于火車頭的開關(guān)打開（因?yàn)楣獾杰囄驳木嚯x比到車頭短）。同樣一個(gè)事件，在紅黃兩人看來(lái)竟然得出了兩個(gè)截然不同的結(jié)論，所以在相對(duì)論的世界中，“同時(shí)”與否不再是一個(gè)絕對(duì)的概念，而取決于你選取的參考系。
空間的相對(duì)性（尺縮效應(yīng)）
思想實(shí)驗(yàn)：一飛船以1/2光速向火星飛行（火星距地球約5光年），地球上的人看來(lái)，飛船要10年后能到達(dá)火星；由上面時(shí)間相對(duì)性的結(jié)論可以知道，飛船里的人時(shí)間過得更慢，實(shí)際只用了8年就到達(dá)火星了，結(jié)果是，在飛船里的人看來(lái)只飛行了4光年（1/2光速*8年）就到達(dá)了5光年外的地方，換句話說，飛船的速度讓兩地的距離縮短了。
對(duì)于這個(gè)問題阿怪再給出一個(gè)更簡(jiǎn)單的理解辦法：學(xué)過初中物理，我們就知道速度、距離、時(shí)間三者是緊密聯(lián)系在一起的，根據(jù)相對(duì)論對(duì)于時(shí)間相對(duì)性的考慮，時(shí)間變慢了（而速度不變），距離勢(shì)必會(huì)跟著變短（距離=時(shí)間*速度）。
也許看到這里，大家會(huì)產(chǎn)生疑問了：“你上面的解釋都是思想實(shí)驗(yàn)、理論推理，到底現(xiàn)實(shí)生活中有沒有實(shí)實(shí)在在觀察到時(shí)間變慢、距離變短的現(xiàn)象呢？”
你別說還真有！
μ介子穿越大氣層
自然界中存在一種基本粒子叫μ介子，它是由宇宙射線與地球大氣相撞擊產(chǎn)生出來(lái)的，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室也能通過粒子撞擊來(lái)制造。μ介子的壽命（即衰變期，這里的壽命是在實(shí)驗(yàn)室里μ介子靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)定的壽命）只有2.20微妙，運(yùn)動(dòng)速度為0.998倍光速，我們能理解情況下，μ介子最多運(yùn)動(dòng)600米左右就會(huì)消失，但是它卻能穿過約6000米厚的大氣層到達(dá)地表然后被科學(xué)家探測(cè)到。這個(gè)現(xiàn)象就說明了，高速運(yùn)動(dòng)的μ介子其時(shí)間相對(duì)于地球時(shí)間大大減慢，同時(shí)在μ介子看來(lái)6000米厚的大氣層只有不到600米。
現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)看這個(gè)小節(jié)提出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與伽利略變換原理之間矛盾的問題，回答就變得容易了：
因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中地球具有一定的速度，這就使得時(shí)間、距離等因素本身產(chǎn)生了變化，光在這種環(huán)境中（參考系中）經(jīng)歷的實(shí)際時(shí)長(zhǎng)與距離也相應(yīng)的變化，所以最終測(cè)得的光速是不變的，與伽利略變換原理并不矛盾。
不知道各位朋友看到這里有沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)巨大的邏輯漏洞呢？是的，我實(shí)際上是用一個(gè)假設(shè)（即：光速不變）推導(dǎo)出了一個(gè)結(jié)論（運(yùn)動(dòng)的物體，其時(shí)間、長(zhǎng)度等會(huì)變化），再用這個(gè)結(jié)論返回去證明假設(shè)，整個(gè)過程中，核心問題“光速為什么不變”始終沒有得到解決。那我的這番操作是不是毫無(wú)意義呢？
當(dāng)然不是的！不然愛因斯坦的這番逆向思維就不會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)多世紀(jì)的輝煌！原因在于人們對(duì)物理學(xué)包括其他科學(xué)的研究都是基于自然現(xiàn)象的實(shí)際觀察或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，然后從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并推導(dǎo)出結(jié)論，然后用得到的結(jié)論繼續(xù)一步步探究其他問題，如此往復(fù)，科學(xué)的大廈就這樣慢慢建成。但在這座大廈的基層，存在許多暫時(shí)無(wú)法解釋的“基本現(xiàn)象“（比如為什么物質(zhì)具有慣性、為什么存在萬(wàn)有引力等），“光速不變”自然也屬于其中之一，為了能繼續(xù)往下探究，人們就把這些“基本現(xiàn)象”作為定理，以此作為基礎(chǔ)，繼續(xù)修建科學(xué)的大廈。
科學(xué)的大廈
質(zhì)量的相對(duì)性（質(zhì)速關(guān)系與質(zhì)能方程）
質(zhì)速關(guān)系的定量表達(dá)方程式
我們初中就學(xué)過質(zhì)量是物質(zhì)慣性大小的量度，而慣性是物質(zhì)保持自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的本性，換句話說質(zhì)量越大的物體慣性越大，作用力對(duì)它速度的改變效果就越弱。
對(duì)于兩個(gè)完全相同的小球，一個(gè)相對(duì)于地球靜止（1號(hào)球），一個(gè)相對(duì)于潘多拉星球靜止（2號(hào)球），現(xiàn)在用相同的力作用在兩個(gè)小球上使它們的速度分別增加了v1和v2，接下來(lái)兩個(gè)小球飛行一段時(shí)間后，1號(hào)球飛行s1米，2號(hào)球飛行了s2米。如果潘多拉星球相對(duì)于地球速度是v0，那么2號(hào)球相對(duì)于地球速度就是v2+v0，是大于1號(hào)球的，由之前的空間相對(duì)性我們知道（以地球?yàn)閰⒖枷担?號(hào)球速度比1號(hào)球更快，它的距離會(huì)變短，于是得出s1>s2，最后得出v1>v2。那么根據(jù)慣性與質(zhì)量的定義，我們不難得出，完全相同的兩個(gè)小球，相對(duì)于地球，速度更快的2號(hào)球質(zhì)量比1號(hào)球要大（也可用時(shí)間相對(duì)性來(lái)給出類似說明，只是稍微要多轉(zhuǎn)幾道彎）。這就是質(zhì)量的相對(duì)性，即質(zhì)速關(guān)系：對(duì)于同一個(gè)慣性參考系，物體的速度越大質(zhì)量也越大。
簡(jiǎn)述質(zhì)能方程
在狹義相對(duì)論世界里，物體動(dòng)能E=mc2-m0c2=Δmc2
這個(gè)方程的意思是：一個(gè)物體的總質(zhì)量m，包含了一個(gè)動(dòng)質(zhì)量Δm，和一個(gè)靜止質(zhì)量m0（這點(diǎn)根據(jù)上面的質(zhì)速關(guān)系很好理解）。同時(shí)也暗示，一個(gè)靜止且質(zhì)量不為零的物體，存在一個(gè)固有能量m0c2，這就是質(zhì)能方程E=mc2的由來(lái)。
關(guān)于質(zhì)能方程，阿怪只想說一點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)能方程體現(xiàn)的僅僅是物體的固有能量跟物體質(zhì)量之間存在正比的數(shù)量關(guān)系，或者說物體的固有能量可以用其質(zhì)量進(jìn)行量度。這個(gè)方程并不能表明物質(zhì)與能量之間可以互相轉(zhuǎn)化，更不能說能量跟質(zhì)量是一回事！這個(gè)問題非常容易混淆，以至于有段時(shí)間阿怪的物質(zhì)觀有相當(dāng)多的矛盾之處。
說到這里就不得不提一下核聚變中質(zhì)量虧損的問題，不少人們都認(rèn)為核聚變釋放的能量是由于虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化而來(lái)的，實(shí)際上質(zhì)量的虧損并非消失，而是轉(zhuǎn)化成了新生成核的動(dòng)質(zhì)量和光子的動(dòng)質(zhì)量；那么核聚變釋放的能量又從哪里來(lái)的呢？很簡(jiǎn)單，就是由聚變前物質(zhì)的固有能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的!可以看到，在核聚變過程中，能量與質(zhì)量分別遵守各自的守恒定律。所以說核聚變的實(shí)質(zhì)其實(shí)還是質(zhì)量之間的互相轉(zhuǎn)化，同時(shí)能量之間的互相轉(zhuǎn)化，并不違背質(zhì)量守恒與能量守恒。
未完待續(xù)
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