你想過為什么會(huì)有時(shí)間嗎？時(shí)光真的可以倒流嗎,？如果你有強(qiáng)烈的好奇心的話,，一定會(huì)想過這個(gè)問題，對(duì)吧,？其實(shí)古人早就有相對(duì)論的思想了,，“天上一日，人間一年”的說法就是最好的證明,，那你知道愛因斯坦的相對(duì)論嗎,？相對(duì)論是人類第一次把時(shí)間和空間一起作為研究范疇的理論，那就讓我們來聊聊相對(duì)論吧,！

牛頓與他的萬有引力理論

這要先從牛頓的萬有引力理論說起,。在300多年前，科學(xué)家們已經(jīng)普遍接受了地球是繞著太陽轉(zhuǎn)的日心說,。而且更早期的天文學(xué)家開普勒通過天文觀測(cè)數(shù)據(jù)得出了更精確的結(jié)論,。地球和其他的行星的確是在繞著太陽旋轉(zhuǎn)的，不過它們的軌道并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓形,，而是橢圓形,。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家沒有搞明白這個(gè)引力到底是什么，它的大小會(huì)如何變化,。這時(shí)偉大的科學(xué)家牛頓提出了萬有引力理論,，并且證明了引力的大小跟這兩個(gè)物體的質(zhì)量乘積成正比，與它們距離的平方成反比的定律,?？茖W(xué)家哈雷利用牛頓的這個(gè)理論重新發(fā)現(xiàn)了哈雷彗星。

牛頓憑借他的研究成果一舉奠定了自己在科學(xué)方面大師的地位,，不只在當(dāng)時(shí)牛頓名聲大振,，更為后來蒸汽機(jī)的發(fā)明和工業(yè)革命提供了理論基礎(chǔ)，緊接著就出現(xiàn)了人類文明的大發(fā)展,。不過牛頓的理論也有遺憾的地方,，它雖然可以明確地指出萬有引力的大小，但沒有解釋清楚為什么會(huì)有萬有引力,，為什么所有的物質(zhì)都有這個(gè)吸引力,。

愛因斯坦在彈簧床上解釋了萬有引力

在牛頓死后的一百年后，又有一個(gè)人橫空出世，他提出了一套新的理論,，不只是終結(jié)了牛頓理論的絕對(duì)主宰,，還更進(jìn)一步地解釋了萬有引力到底是怎么產(chǎn)生的。這個(gè)人就是愛因斯坦,，這個(gè)理論就是相對(duì)論,。

牛頓是怎樣解釋萬有引力的呢?他說，這是物體所固有的,，只要有一個(gè)物體有重量,，那么它就有萬有引力。這句話好像沒毛病,，可是有一個(gè)東西不聽話,，那就是光，光沒有重量,，是不是不會(huì)受到萬有引力的吸引呢,？愛因斯坦說會(huì)的。星光就會(huì)被太陽吸引發(fā)生偏轉(zhuǎn),，可是想要看到這一點(diǎn)太難了,，因?yàn)榕赃吺怯刑柕模枏?qiáng)烈的光可以遮擋住任何的星星,，所以日食才是絕佳的觀測(cè)機(jī)會(huì),。1919年的5月底，日食如約而至,，愛因斯坦的第一大粉絲英國的大天文學(xué)家愛丁頓進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn),，他把日食發(fā)生時(shí)的星空拍下來，然后再拿出沒有太陽時(shí)星空的照片對(duì)比,，只要星星的位置發(fā)生變化,，那么就證明太陽的確會(huì)吸引光線。結(jié)果愛丁頓的觀測(cè)證明愛因斯坦是對(duì)的,，星光偏移了,。星光實(shí)驗(yàn)的成功讓愛因斯坦瞬間走紅全球，一戰(zhàn)成名,。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了愛因斯坦的相對(duì)論是對(duì)的,，愛因斯坦解答了牛頓解答不了的問題。

那么,，愛因斯坦是如何解釋萬有引力的呢,？他在彈簧床上放一個(gè)大鉛球，并告訴你這個(gè)鉛球就是太陽,，這個(gè)太陽鉛球很重會(huì)把床壓得凹陷下去,，這時(shí)他又舉起一個(gè)藍(lán)色的玻璃球,，告訴我們說這就是地球，他把這個(gè)玻璃地球拋在了床上,，我們看到這個(gè)玻璃地球圍繞著鉛球轉(zhuǎn)了幾圈后,，就會(huì)滾到鉛球壓下的大坑里去，和鉛球碰撞在一起,，這時(shí)愛因斯坦說,，現(xiàn)在,，因?yàn)椴Ａ蚝痛矄?、空氣是有摩擦力的，所以才?huì)越轉(zhuǎn)越慢,，最后碰到了鉛球,，如果沒有摩擦力呢？是不是就像我們的地球繞著太陽不停地旋轉(zhuǎn)呢,。

太陽在宇宙中也是會(huì)壓出一個(gè)大坑的,，只不過這個(gè)大坑不是床，而是空間本身,。其實(shí)不只是太陽,，任何物體只要有重量，都會(huì)扭曲空間,，使空間凹陷,，而且越重的物體扭曲空間越嚴(yán)重，凹陷得越深,，這樣其他物體就越是容易圍繞著它旋轉(zhuǎn),，甚至被它吸過去。而萬有引力本質(zhì)上就是空間扭曲后給人們產(chǎn)生的錯(cuò)覺,。

相對(duì)論,，到底相對(duì)的是什么？

這就是愛因斯坦認(rèn)為的萬有引力的本質(zhì)了,。按照他的理論的確可以解釋光線沒有重量還可以被太陽吸引,，但是對(duì)于我們?nèi)匀贿€有很多奧秘沒有解開，那么愛因斯坦的相對(duì)論到底講的是什么呢,？那我們要從伽利略的相對(duì)性原理開始講起,。

最早把相對(duì)的概念引入到科學(xué)中的并不是愛因斯坦，而是伽利略,。伽利略說運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,，到底是靜止還是運(yùn)動(dòng)，是快還是慢要看跟誰比,。后來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),，其他東西看起來都挺對(duì),，就是這個(gè)光太特別了，不論和誰比都在運(yùn)動(dòng),，而且運(yùn)動(dòng)的速度還都是30萬公里每秒,。不管你是沿著地球旋轉(zhuǎn)的方向發(fā)射的光，還是垂直于地球旋轉(zhuǎn)的方向發(fā)射的光,，光速都是一樣的,，這就是著名的邁克爾—莫雷實(shí)驗(yàn)，它被稱為籠罩在牛頓經(jīng)典物理學(xué)天空上的兩朵烏云中的一朵,。

為什么這樣說呢,？因?yàn)槿绻ｎD提出的光的傳播媒介以太是存在的，且光速在以太中的傳播服從伽利略速度疊加原理,，那這兩種情況下的光速是不一樣的,，可是實(shí)驗(yàn)證明光無論在何種情況下，光速都是一樣的,。為了解決光速奇怪的特點(diǎn),，科學(xué)家們嘗試了各種方法，最后還是愛因斯坦完善了伽利略的理論,，提出了兩條基本原理1,、在任何慣性系中，所有物理規(guī)律保持不變,，2,、光在真空中的傳播速度恒為c。

愛因斯坦運(yùn)用這兩個(gè)原理,，推出了“同時(shí)性的相對(duì)性”,、“運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變慢”、“運(yùn)動(dòng)的鋼尺變短”等一系列新穎的理論,。

這一下子就打破了人們幾千年來對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí),，很久以來時(shí)間應(yīng)該是一個(gè)非常特別的存在，它應(yīng)該是絕對(duì)公平的,，不會(huì)被任何事情所干擾,，可是現(xiàn)在時(shí)間好像也沒有想象中那么特別了，它也是可以被影響的,，只要在空間中運(yùn)動(dòng),，時(shí)間就會(huì)變慢。

如何理解這個(gè)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變慢呢,？我們用光子鐘來測(cè)量時(shí)間,，兩面平行的鏡子，光在兩個(gè)鏡面來回反射,，光的運(yùn)動(dòng)方向垂直于地面,，就構(gòu)成了光子鐘,。已知光速是C，假設(shè)鏡子間的距離是I,光從一面鏡子到另一面的時(shí)間是I/C,。我們可以利用光在鏡子間來回反射的次數(shù)來計(jì)時(shí),。

我們有兩個(gè)相同的光子鐘，其中一個(gè)在地面,，另一個(gè)在飛船上,，鏡面和飛船運(yùn)動(dòng)方向相同。見下圖,。

從地面的觀察者來說,。在地球上光從下面的鏡子運(yùn)動(dòng)到上面鏡子的時(shí)間為I/C。因?yàn)樗竭_(dá)上面的鏡子時(shí),，鏡子已經(jīng)運(yùn)動(dòng)了一段距離,，光的運(yùn)動(dòng)路線并不垂直于地面,，而是傾斜的,，它的運(yùn)動(dòng)距離更長。而光速不變,，所以時(shí)間更長,。也就是說地面上的光子鐘的時(shí)間已經(jīng)超過了I/C。

但對(duì)飛船上的觀察者來說,，飛船是靜止的,，光在鏡子中跑一次的時(shí)間仍然是I/C。

也就是說,，同樣的一件事,，即光從飛船上的鏡子到達(dá)另一面鏡子，飛船上的時(shí)間短于地面上的時(shí)間,。比如飛船上是1秒,，地面上是2秒。即飛船上的時(shí)間變慢了,。

這就是著名的鐘慢效應(yīng),，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢！你看,，狹義相對(duì)論里的世界多奇妙?。r(shí)間并不是絕對(duì)的,，而是相對(duì)的,，每個(gè)人的時(shí)間并不一樣。

愛因斯坦說,，既然時(shí)間也是相對(duì)的,，不如把時(shí)間和空間合在一起,，統(tǒng)稱為四維空間。

如果是在三維空間中,，我們可以運(yùn)動(dòng)也可以靜止,，運(yùn)動(dòng)最快也只能達(dá)到光速，而在四維空間中,，壓根就沒有靜止的概念,，任何事物都是以光速運(yùn)行著，我們平時(shí)說的靜止是在三維中的靜止,，而這個(gè)時(shí)候在時(shí)間維度上快速運(yùn)動(dòng),，這也就是說，靜止物體的時(shí)間流逝最快,，這個(gè)流逝的速度就是光速,。

這就是四維空間的奧秘，時(shí)間的流逝和空間的運(yùn)動(dòng)可以相互轉(zhuǎn)換,，而它們有個(gè)總數(shù)值就是光速,。任何物體任何狀態(tài)它在四維時(shí)空中總是以光速運(yùn)行著。光速是我們宇宙的一個(gè)基本特征,，是宇宙的基本常數(shù)之一,，在宇宙誕生的時(shí)候就已經(jīng)確定了——30萬公里每秒。

愛因斯坦認(rèn)為,，光速是宇宙中最快的速度,，任何速度都不能超過光速。光速的不可超越性,，可由狹義相對(duì)論的質(zhì)量與速度的的關(guān)系公式推導(dǎo)出來,。即：

可以看出，當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度接近光速,，其質(zhì)量將變得無窮大,，不可能將物體的速度提高到超光速。因此,，光速是不可超越的,。

那么，如果超光速會(huì)使時(shí)光倒流了嗎,？其實(shí)大多數(shù)人所理解的時(shí)間倒流,，是一種對(duì)“尺縮效應(yīng)”和“鐘慢效應(yīng)”的錯(cuò)誤理解，這些人大概是按照以下的邏輯思維來思考的：物體運(yùn)動(dòng)速度越快時(shí)間流逝得越慢,，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度到達(dá)光速時(shí),，時(shí)間便停止流逝了；當(dāng)物體速度超過光速時(shí),，時(shí)光倒流,。乍一聽貌似這番推導(dǎo)也不無道理,，但是仔細(xì)想想，如果時(shí)間倒流了,，那么時(shí)間就會(huì)變成負(fù)值（以變化的那一瞬間為時(shí)間參考零點(diǎn)）,，這與狹義相對(duì)論理論是相悖的。在狹義相對(duì)論理論體系下,，超光速時(shí)間倒流的理論是錯(cuò)誤的,。

除此之外，愛因斯坦還提出了一個(gè)非常重要的公式：讓我們了解了物質(zhì)的質(zhì)量和能量之間的相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系：能量=質(zhì)量×光速×光速,，這個(gè)關(guān)于質(zhì)能轉(zhuǎn)換的公式被稱為“愛因斯坦公式”,。根據(jù)這個(gè)公式，物質(zhì)可以通過減輕質(zhì)量的方式產(chǎn)生大量的能量,。雖然在我們所處的世界里,，似乎很少見到這種情景，但在太陽的中心,，和核電站的反應(yīng)堆里,，就會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象。

但是,，1905年愛因斯坦提出的相對(duì)論中并沒有包含這兩種情況：一是物體運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變的情況,；二是物體受到萬有引力的情況,。直到經(jīng)過十年的研究,，愛因斯坦終于證明了，即使在這兩種情況下相對(duì)論也是適用的,。前者被稱為狹義相對(duì)論,，后者被稱為廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論是由牛頓的萬有引力定律延伸出來關(guān)于重力的相對(duì)論,。

黑洞,、蟲洞、時(shí)空彎曲,，有比這更炫酷的宇宙嗎

廣義相對(duì)論是愛因斯坦在1915年發(fā)表的理論,，愛因斯坦提出了“等效原理”，即引力和慣性力是等效的,。根據(jù)等效原理,，愛因斯坦把狹義相對(duì)論原理推廣為廣義相對(duì)性原理，即：物理定律的形式在一切參考系都是不變的,。用廣義相對(duì)論來思考問題,，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些更加不可思議的事情，比如：時(shí)空彎曲,、時(shí)間因?yàn)橐Φ挠绊懚兟?，最神奇的現(xiàn)象就是黑洞,，連光都無法逃出。后來許多科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)都證明了廣義相對(duì)論的正確性,。

比如,，GPS系統(tǒng)能夠定位，全靠天空中的人造衛(wèi)星,，通過至少三個(gè)衛(wèi)星就可以定位到你的位置,。在定位時(shí)，需要精確地將天空和地面的時(shí)間同步,。因?yàn)樵诘厍蜍壍里w行的人造衛(wèi)星,，距離地面遠(yuǎn)很多，時(shí)間會(huì)比較快,，衛(wèi)星的時(shí)間每天總比赤道上的時(shí)間快幾十微秒,。微秒是非常小的時(shí)間單位，是一秒的一百萬分之一,。這么點(diǎn)時(shí)間,，雖然我們感覺不到，但是如果出現(xiàn)在GPS系統(tǒng)上,，就會(huì)導(dǎo)致定位不準(zhǔn),，如果使用這樣的系統(tǒng)來定位的話，汽車開著開著就會(huì)開到溝里去,。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)就是廣義相對(duì)論最好的論證之一,。

最近人們發(fā)現(xiàn)的引力波，也曾經(jīng)是愛因斯坦在廣義相對(duì)論中被預(yù)言過的,，被認(rèn)為是開啟了人類認(rèn)識(shí)世界的第三只眼,。因?yàn)橐Σǖ陌l(fā)現(xiàn)代表著，人類終于有了一種超越電磁波的方式去發(fā)現(xiàn)宇宙,，很多原來不可能被探知的秘密現(xiàn)在有了可能,。所以有人說引力波的發(fā)現(xiàn)是一件可以載入史冊(cè)的大事件。

現(xiàn)在,，我們來總結(jié)一下,，在相對(duì)論提出來之前，人們認(rèn)為物質(zhì)和承載物質(zhì)的時(shí)間和空間毫不相關(guān),，時(shí)間是絕對(duì)的,，是恒定不變的，但是狹義相對(duì)論提出以后,，人們首次認(rèn)識(shí)到時(shí)間和空間不是各自獨(dú)立的,，可以將其作為一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)空來考慮。之后，隨著廣義相對(duì)論的提出,，物質(zhì)和時(shí)空也成了統(tǒng)一體,。也就是說物質(zhì)的存在決定了時(shí)空彎曲的方式，反過來,，時(shí)空的彎曲方式也決定了物質(zhì)的運(yùn)動(dòng),。

五光十色的光，真是個(gè)神奇的東西,，只因?yàn)樗拇嬖?，人類在?duì)它的研究中，使科學(xué)向前邁進(jìn)了一大步,。武漢科技館新館專門為光開辟了一個(gè)展廳,，通過對(duì)光的神奇作用、光的科學(xué)探索,、光的技術(shù)應(yīng)用等幾方面的介紹,，把人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)與運(yùn)用做了一個(gè)系統(tǒng)的展示。您感興趣嗎,？那就快來開啟一段時(shí)光之旅吧,！

武漢科技館新館光展廳展品《光速世界》

光展廳展品《光所聯(lián)系的世界》

光展廳展品《光的波粒二象性》

（文中部分圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

參考資料

2、汪潔,，時(shí)間的形狀——相對(duì)論史話

2,、福江純（日），寫給小學(xué)生看的相對(duì)論

撰稿：數(shù)字科技館部 黃靜

編輯：數(shù)字科技館部