在科學(xué)史上，1905年被稱為：愛因斯坦奇跡年。在這一年，愛因斯坦共發(fā)表了4篇學(xué)術(shù)論文，每一篇都是諾獎(jiǎng)級(jí)別的理論，并且也是開創(chuàng)性的科學(xué)成果。

其中，在1905年6月30號(hào)發(fā)表的《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，后來也被叫做：狹義相對(duì)論。

今天是狹義相對(duì)論發(fā)表的114周年。這都100多年前的理論，我們沒有理由看不懂它。今天，我就來給你好好講一講：狹義相對(duì)論到底講了些什么？

一場跨越200年的恩怨

狹義相對(duì)論能夠誕生，其實(shí)主要源于一場跨越200年科學(xué)史的恩怨。

讓我們先把鏡頭切換到17世紀(jì)，首先出場的一號(hào)男配角是號(hào)稱近代物理學(xué)之父的伽利略。

伽利略曾經(jīng)提出過了一個(gè)“伽利略變換 ”：

在一個(gè)參考系中建立起來的物理定律，通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，可以適用于任何參考系。

是不是有不明覺厲的感覺？其實(shí)這都是唬人的。舉個(gè)例子你就懂， 如果你在火車上，旁邊正好也有一輛火車，這時(shí)候只要有一輛車子動(dòng)了，坐在車上的人是很難分得清是自己所在的火車動(dòng)了，還是旁邊的動(dòng)了。

這其實(shí)可以理解成運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，如果用一個(gè)簡單的模型來說就是：

A和B相互靠近，如果選擇A為參考系，我們就可以得出A是靜止的，B在運(yùn)動(dòng)，如果選B為參考系，那B就是靜止的，A在運(yùn)動(dòng)。

沒錯(cuò)，這就是初高中物理課上都會(huì)講的“參考系”或者“參照物”

如果你在車上內(nèi)向前走，那站在地面上的小伙伴看來，

你的速度=火車的速度+你在車上的速度，你的速度=10+5=15m/s。發(fā)現(xiàn)沒有，在這個(gè)理論當(dāng)中，速度是可以疊加的。

后來，牛頓把伽利略變換納入到的自己的力學(xué)體系當(dāng)中。我們?cè)谶\(yùn)用牛頓定律的時(shí)候，都得先規(guī)定好一個(gè)參考系。

不過，我們要搞清楚一點(diǎn)，牛頓其實(shí)做了一個(gè)假設(shè)：空間和時(shí)間是絕對(duì)的，是獨(dú)立的。

說白了就是，地球上所有的物體對(duì)于時(shí)間的感受都是一樣的。空間也一樣，空間的距離對(duì)于每個(gè)人來說都是一樣的。如果非要簡單總結(jié)一下就是：

空間、時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)！

空間、時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)！

空間、時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)！

（重要的事情說三遍）

牛頓理論后來被廣泛運(yùn)用，甚至還能預(yù)言海王星的存在，成為了物理學(xué)堅(jiān)定的基石理論。

后來科學(xué)家開始研究“電”和“磁”。尤其是到了麥克斯韋的時(shí)代，麥克斯韋提出了麥克斯韋方程。

統(tǒng)一了“電”和“磁”，并提出了電磁波的概念，還預(yù)言光是一種電磁波。

物理學(xué)家赫茲通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了麥克斯韋的觀點(diǎn)?？蓡栴}恰恰就出在這里，麥克斯韋方程是不需要參考系的，說白了就是：

電磁波速度，或者說光速是不需要相對(duì)于某個(gè)參考系而言的。在任何慣性參考系下，光速都是3×10^8m/s。

這就和牛頓力學(xué)是相互矛盾的?？墒牵ｎD力學(xué)是那么正確，觀測和理論完美的匹配。而麥克斯韋方程也同樣堅(jiān)如磐石，能夠很好地解釋電磁現(xiàn)象。那到底是哪里出了錯(cuò)？

科學(xué)家們的妥協(xié)

要知道伽利略，牛頓，麥克斯韋都是物理學(xué)史上前五的選手，絕對(duì)的大神。神仙打架，一般的物理學(xué)家只能做個(gè)吃瓜群眾。只是物理學(xué)總是要向前發(fā)展的，但大神又得罪不起，總得一碗水端平。

于是，科學(xué)家們就想到：水波的傳播是需要介質(zhì)的，那就是水。那光傳播是不是也需要介質(zhì)？

因此，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家就認(rèn)為這個(gè)光傳播的速度應(yīng)該是相對(duì)于它的介質(zhì)的，而不是絕對(duì)的。因此，科學(xué)家認(rèn)為空間中布滿了一種叫做“以太”的物質(zhì)。以太對(duì)于光（電磁波），就如同水對(duì)于水波這般。看起來十分完美有沒有？但科學(xué)不能光靠想象力，得找出證據(jù)證明“以太”真的存在。

結(jié)果呢？很抱歉，科學(xué)家想盡了一切辦法，最后得出了一個(gè)結(jié)果：以太不存在！

這下子可完了，搞了半天，牛頓和麥克斯韋的矛盾還是沒解決。于是，科學(xué)家們又開始開腦洞，憋大招。其中最有名的就是洛倫茲和彭加萊。如果非要給兩個(gè)人找到共同點(diǎn)，那一定是：距離狹義相對(duì)論最近的男人。

洛倫茲簡直是個(gè)左右逢源的高手，左手一個(gè)“伽利略變換”，右手一個(gè)“光速在慣性參考系下速度不變”，然后把它們結(jié)合起來，弄出了一個(gè)連他自己都無法理解的東西，這東西就叫做：洛倫茲變換。

彭加萊則是從哲學(xué)的層面提出了一些想法，尤其是同時(shí)性的相對(duì)性。說的就是同一個(gè)事件，不同的人（參考系）看到的很可能不是同時(shí)發(fā)生的，這取決于他們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。不過，彭加萊也就想一想，可誰也沒能真正意義上提出一個(gè)令大家滿意的結(jié)果。

楊振寧曾經(jīng)在他的文章《機(jī)遇與眼光》寫到，

洛倫茲有數(shù)學(xué)，但沒有物理學(xué)；龐加萊有哲學(xué)，但也沒有物理學(xué)。正是 26 歲的愛因斯坦敢于質(zhì)疑人類關(guān)于時(shí)間的原始觀念，堅(jiān)持同時(shí)性是相對(duì)的，才能從而打開了通向微觀世界的新物理之門。

專利局三級(jí)技術(shù)員

是的，在一堆學(xué)術(shù)界大神失敗后，我們故事的主人公橫空出世。不過，在講述他的傳奇之前，我們先來了解一下他的情況。

1905年6月30號(hào)，愛因斯坦發(fā)表了他的論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》。他一開始應(yīng)該也是和洛倫茲，彭加萊一樣，想來一個(gè)左右逢源，于是，從兩條基本假設(shè)：

1. 相對(duì)性原理（伽利略變換）

2. 光速不變?cè)恚ü馑僭趹T性參考系下速度不變）

這兩條假設(shè)，一條是伽利略提出來的，而另外一條則是基于麥克斯韋的理論。然后進(jìn)行推導(dǎo)得出洛倫茲變換（畢竟用的辦法都一樣），剛才也說到洛倫茲看不懂這個(gè)這東西。但愛因斯坦和洛倫茲，彭加萊不一樣的是，愛因斯坦左右逢源的功夫了得，還能順手倒弄出了一個(gè)全新的世界。

那這個(gè)全新的世界是什么呢？

愛因斯坦的叛逆

應(yīng)該說是愛因斯坦的叛逆，在他之前，沒有人敢于質(zhì)疑空間和時(shí)間。大家都覺得空間和時(shí)間是絕對(duì)的，什么叫做空間和時(shí)間是絕對(duì)的呢？意思就是說，

對(duì)于你來說的一秒，對(duì)于其他所有的人來說也是一秒，每個(gè)人的一秒都是一樣的。

但愛因斯坦覺得這不對(duì)，讓我們來想象一個(gè)畫面，你站在地面上，而你的朋友在一艘飛船上。這時(shí)候你朋友拿出一個(gè)光鐘，這東西現(xiàn)實(shí)生活中不存在，不過原理和時(shí)鐘計(jì)時(shí)是一個(gè)道理。畢竟愛因斯坦就喜歡這種“思想實(shí)驗(yàn)”，這個(gè)光鐘的計(jì)時(shí)方法就是：

光上下往返一次的時(shí)間設(shè)定為一秒。

其實(shí)道理和時(shí)鐘跑一圈是一樣的。如果我們假設(shè)光速在任何參考系下都是一樣的（光速不變?cè)恚?，那?strong>飛船上的人看到的光就是一上一下的，而地面上的看到的光其實(shí)走到路徑是傾斜的。

愛因斯坦認(rèn)為時(shí)間=路程/光速在任何慣性參考系下是不變的，而光速也是不變的。所以，飛船上的人看光往返一次是1秒，但是在地面上的人看來由于路徑變長了，需要的時(shí)間就更長一些，我們就假定是2秒。

如果飛船上有人跟著“光鐘”的節(jié)奏在做廣播體操，那么在飛船上1秒鐘能做完的動(dòng)作，地面上的人看就需要2秒，說白了就是看到的是廣播體操的慢動(dòng)作。

反過來，如果地面上的人也拿著一個(gè)“光鐘”，其實(shí)由于運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，情況會(huì)正好倒過來。地面上的人看就是1秒，飛船上的人看就是2秒，也就是說，如果地面上的人也跟著“光鐘”的節(jié)奏在做廣播體操，那飛船上的人看到的也是廣播體操的慢動(dòng)作。

這種效應(yīng)就被稱為：時(shí)間膨脹。它真實(shí)存在，科學(xué)家通過μ（miù）子實(shí)驗(yàn)證明這一點(diǎn)。如果我們把飛船換成高鐵，那么高鐵內(nèi)的鐘表其實(shí)會(huì)變慢十億分之一秒，正因?yàn)檫@個(gè)差異如此之小，所以我們才沒有感覺到。當(dāng)速度特別快時(shí)，尤其是越接近光速，時(shí)間膨脹的效果越明顯。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們一個(gè)道理：

時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)！

時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)！

時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)！

（重要的事情說三遍）

愛因斯坦說，不僅僅時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，空間也是這樣。我們還拿剛才的飛船來說事。同樣是一段距離，由于時(shí)間膨脹效應(yīng)，我們?cè)诘孛嫔峡纯赡苄枰?秒才能走完，但是在飛船中的人，1秒就走完了。而且無論是飛船中的人還是地面上的人，飛船相對(duì)于這段距離的飛行速度都是一樣的。這就說明，飛船上的人看到的這段距離其實(shí)要比地面上的人更短一些。這就是長度收縮。

如果飛船是以0.1倍的光速飛過，地面上看到飛船的情況就是下面這樣：

如果飛船是以0.8倍的光速飛過，那飛船就會(huì)變短，

如果飛船是以0.95倍的光速飛過，飛船還會(huì)變得更短。

所以，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，速度越接近于光速，長度收縮得越嚴(yán)重。這說明：

空間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)！

空間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)！

空間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)！

（重要的事情說三遍）

愛因斯坦更進(jìn)一步，提出了一個(gè)很顛覆三觀的概念：同時(shí)性的相對(duì)性。具體來說就是：

在一個(gè)坐標(biāo)下看是同時(shí)發(fā)生的兩件事情，換一個(gè)坐標(biāo)系就很有可能不是同時(shí)發(fā)生的了。

那具體咋回事呢？

我們也來向愛因斯坦學(xué)習(xí)，玩一玩思想實(shí)驗(yàn)。首先，我們可以想象一下，有兩列大小一模一樣的火車，它們相向而行，并且相對(duì)于地面速度的大小是一樣的。

只不過兩個(gè)火車不是在同一個(gè)軌道上，而是雙層的平行軌道，一輛火車在上面，另一輛在下面。我們規(guī)定，“事件A”是上面火車車頭和下面火車車尾相遇；“事件B”是下面火車車頭和上面火車車尾相遇。

那么，問題來了，到底是'事件A“先發(fā)生，還是“事件B”先發(fā)生呢？

當(dāng)然，如果你是在地面上看，兩個(gè)事件確實(shí)是同時(shí)發(fā)生的。

但是，如果你是在上面的火車上，那下面的火車相對(duì)于你是有運(yùn)動(dòng)的。上面我們也講到了尺縮效應(yīng)。所以，你看到的是：下面的火車比你所在的火車要短一些。因此，你看到的場景就會(huì)是這樣：

也就是說，在上面的火車?yán)锟吹降氖牵?strong>'事件A“發(fā)生在前，“事件B”發(fā)生在后。

如果你是在下面的火車上，那上面的火車相對(duì)于你也是有運(yùn)動(dòng)的。還是因?yàn)槌呖s效應(yīng)。所以，你會(huì)發(fā)現(xiàn)上面的火車比你所在的火車要短一些。所以，你看到的場景應(yīng)該是這樣：

也就是說，在下面的火車?yán)锟吹降氖牵?strong>'事件B“發(fā)生在前，“事件A”發(fā)生在后。

不過，這里要注意一點(diǎn)，只有速度非常大的時(shí)候，越接近于光速，這種效應(yīng)才會(huì)越明顯。低速的情況下，我們?nèi)庋鄹究床怀鋈魏尾顒e來。

因此，“同時(shí)”也是一個(gè)相對(duì)的概念，都是基于參考系而言的，不同的參考系，情況是不同的。

基于這樣的認(rèn)知，愛因斯坦曾經(jīng)的數(shù)學(xué)老師，閔可夫斯基提出了“光錐”的概念。

我們可以基于任意事件建立一個(gè)坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)代表空間，縱坐標(biāo)代表時(shí)間，畫出關(guān)于一個(gè)事件在坐標(biāo)系中的時(shí)空位置。

要注意了，這個(gè)光錐是專門針對(duì)事件而言的，未來光錐指的是：

現(xiàn)在對(duì)未來的事件的影響。

比如，下圖中此刻的事件A，就很有可能對(duì)事件B產(chǎn)生影響。

而過去光錐指的是

對(duì)現(xiàn)在有影響的過去事件。

意思是說，只有發(fā)生在“過去光錐”之內(nèi)的事件，才會(huì)影響現(xiàn)在。在“過去光錐”之外的過去事件，由于光速的限制，還無法對(duì)現(xiàn)在產(chǎn)生影響。

比如：我寫下這篇文章是事件A，而你看到這篇文章則是事件B。

所以，有一句很有名的話是這么說的：

光錐之內(nèi)就是命運(yùn)。

所有現(xiàn)狀，都是過去光錐的事件導(dǎo)致的，而過去的事件已經(jīng)發(fā)生，我們根本無能為力去改變。如果更進(jìn)一步，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們永遠(yuǎn)無法活在當(dāng)下，因?yàn)槲覀兯^的“當(dāng)下”都是過去造成的。

舉個(gè)例子，你照鏡子，你看到的其實(shí)是過去的自己，而不是現(xiàn)在的自己，這是因?yàn)槟愕哪樂瓷涔獾界R子上，鏡子再反射光到你的眼睛里，光走過這段路程需要時(shí)間，因此，你看到的其實(shí)是過去的自己。

也就是說，你看到的所有事件其實(shí)都是發(fā)生在過去的，過去的事件影響到當(dāng)下是需要時(shí)間的；而當(dāng)下發(fā)生的事件影響的不是當(dāng)下，而是未來，這就是時(shí)間光錐給我們的啟示?？梢哉f，愛因斯坦通過狹義相對(duì)論只統(tǒng)一了時(shí)間和空間，但這還沒完。

質(zhì)量就是能量

1905年9月份，在發(fā)表了狹義相對(duì)論之后，愛因斯坦又發(fā)表了另外一篇論文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》，愛因斯坦在這篇文章當(dāng)中統(tǒng)一了質(zhì)量和能量，并提出了那個(gè)著名的質(zhì)能方程：

那我們?cè)撊绾卫斫赓|(zhì)能方程呢？

在愛因斯坦之前，拉瓦錫提出了“質(zhì)量守恒定律”，而牛頓力學(xué)中，能量是守恒的。不過，愛因斯坦認(rèn)為：

能量和質(zhì)量并非獨(dú)立保持不變的，它們其實(shí)是一回事。

著名科學(xué)家大栗博司曾舉過這樣一個(gè)例子：

假如你在中國和美國都有存款賬戶，兩個(gè)賬戶的存款價(jià)值不會(huì)發(fā)生改變。但是由于是分屬兩個(gè)國家，想要把錢從一個(gè)賬戶轉(zhuǎn)移到另一個(gè)賬戶，就需要通過匯率進(jìn)行換算。這里，我們可以把人民幣看成是能量，把美元看成是質(zhì)量，如果總和保持不變，能量和質(zhì)量能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)化。那么E=mc^2就表示了能量和質(zhì)量的匯率，其中光速c就是匯率制。

這個(gè)公式解釋了為什么原子彈的威力如此之大，這是因?yàn)樵雍吮ㄇ昂蟮馁|(zhì)量有虧損，這些質(zhì)量都轉(zhuǎn)換成了能量。

關(guān)于狹義相對(duì)論其實(shí)內(nèi)容還有很多，這次就說這么多。想要深入地了解狹義相對(duì)論，其實(shí)需要?jiǎng)庸P做做數(shù)學(xué)計(jì)算，這是因?yàn)橄鄬?duì)論是反常識(shí)的。為什么會(huì)反常識(shí)呢？

我們生活在宏觀低速的世界里，在這個(gè)尺度下，相對(duì)論效應(yīng)實(shí)在太小。是人無法感受到的，連儀器都很難測到。在宏觀低速的情況下，相對(duì)論是和牛頓力學(xué)等效的。而相對(duì)論效應(yīng)只有在速度越接近于光速時(shí)，才越明顯。

這是因?yàn)檫@個(gè)原因，我們才會(huì)覺得相對(duì)論很反常識(shí)。這告訴我們一個(gè)道理：

不要被眼前的生活所欺騙，多去看看外面的世界，只有跳出自己的生活，才能夠更深刻地理解世界。