物理學(xué)的重要研究對象之一就是研究物質(zhì)的運動規(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)運動規(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“絕對時空觀”,，愛因斯坦的這種“奇思妙想”就成了后來的“相對論”,。這個顛覆又晦澀的理論，過了一百多年,，直至今日還是有不少朋友對它迷惑不解,，今天阿怪就試著為大家解開這其中的奧妙。

“相對論”誕生的背景

1. 19世紀(jì)后半葉，光速的精確測定為“光速不變”提供了實驗依據(jù),；
2. 1865年,，麥克斯韋的《電磁場的動力學(xué)理論》證明了電磁波的傳播速度只取決于傳播介質(zhì)的性質(zhì)，為“光速不變”提供了理論依據(jù),；
3. 1890年,，赫茲根據(jù)《電磁場的動力學(xué)理論》，明確提出電磁波傳播速度（即光速）與波源運動速度無關(guān),，此觀點的理論支持雖無破綻,，卻與伽利略變換原理（也叫速度疊加原理：兩物相向運動速度相加，同向運動速度相減）形成巨大矛盾,；
4. 1892-1905年,，洛倫茲、拉摩,、彭加勒等科學(xué)家試圖解釋以上矛盾,，但始終未能跳出“絕對時空觀”的框架，沒有給出邏輯自洽的解釋,；
5. 1904年,，彭加勒第一次提出了“相對性原理”。

直到1905年,，愛因斯坦在《論動體的電動力學(xué)》一文中,，提出了嶄新的時空觀，并且完美的解決了“光速不變”與伽利略變換之間的矛盾,。后來愛因斯坦稱該理論為“相對性理論”,，簡稱“相對論”，再后來又改為“狹義相對論”,。十年后,，愛因斯坦又提出“廣義相對論”將“相對性理論”推廣到非慣性系（具有加速度的參考系）。

狹義相對論

• “狹義”對應(yīng)于“慣性參考系”（相對靜止或做勻速直線運動的參照系統(tǒng)）,。
• 狹義相對論研究的是

  不同速度

  的兩個慣性參考系內(nèi),，彼此的時間與空間的關(guān)系。
• 狹義相對論的兩個前提假設(shè)：

1. 狹義相對性原理

   ：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力學(xué)定律在所有慣性系中均等效,；（把引力排除在外是因為,，狹義相對論研究的是慣性系，如果考慮引力,，必然就會產(chǎn)生加速度,，變成非慣性系了。所以,，狹義相對論跟萬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。）

2. 光速不變原理

   ：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動狀態(tài)和觀察者所處的慣性系無關(guān),。

解釋以上實驗結(jié)果（光速不受地球運動影響）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)順著這個問題無論如何都找不到答案的時候,，他決定把問題倒過來去思考：先不管這個矛盾,，直接假定（真空中）光速在任何情況下都是不變的，再根據(jù)其他運動力學(xué)定律在這個前提下去推導(dǎo),，看看會出現(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)運動的物體時間會變慢,，長度會縮短，質(zhì)量會增加,！

于是,，相對論應(yīng)運而生，為人們揭示了一個隱藏在現(xiàn)象背后的時空規(guī)律,。接下來阿怪就帶著大家跟愛因斯坦一起在狹義相對論的世界中推導(dǎo)出物體時間變慢,、長度縮短、質(zhì)量增加的奧秘,。

時間的相對性（鐘慢效應(yīng)）

看圖說話：車上人觀察到光從紅點發(fā)出經(jīng)過車頂?shù)溺R子反射再回到紅點的用時是t（上）=2h/c,，而車外站在地上的人觀察到光從紅點發(fā)出經(jīng)過車頂?shù)溺R子反射再回到紅點的用時是t（下）=2h/√（c2-4v2）,，只要小車的速度v（相對于地面）不為零,，那么t(上)就必然小于t（下）。再表述一次,，車上人以運動的車為參考系,，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，簡而言之,，車的運動速度讓它本身的時間變慢了,。

我們再來看一個神奇的實驗——“同時發(fā)生的事”其實“不同時”

看圖說話：在勻速行進(jìn)的火車中間有個發(fā)光器向火車兩頭同時發(fā)出光束,，火車兩頭的光敏開關(guān)接收到光束就會打開。在火車?yán)锩娴募t人看來,，火車兩頭的開關(guān)是同時打開的（因為光到兩頭的距離相等）,；而在火車外面的黃人看來，火車尾的開關(guān)要先于火車頭的開關(guān)打開（因為光到車尾的距離比到車頭短）,。同樣一個事件,，在紅黃兩人看來竟然得出了兩個截然不同的結(jié)論，所以在相對論的世界中,，“同時”與否不再是一個絕對的概念，而取決于你選取的參考系,。

空間的相對性（尺縮效應(yīng)）

思想實驗：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,，飛船要10年后能到達(dá)火星；由上面時間相對性的結(jié)論可以知道,，飛船里的人時間過得更慢，實際只用了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,。

對于這個問題阿怪再給出一個更簡單的理解辦法：學(xué)過初中物理,，我們就知道速度,、距離,、時間三者是緊密聯(lián)系在一起的,，根據(jù)相對論對于時間相對性的考慮,，時間變慢了（而速度不變）,，距離勢必會跟著變短（距離=時間*速度）,。

也許看到這里,，大家會產(chǎn)生疑問了：“你上面的解釋都是思想實驗、理論推理，到底現(xiàn)實生活中有沒有實實在在觀察到時間變慢,、距離變短的現(xiàn)象呢,？”

你別說還真有,！

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)生出來的,，科學(xué)家在實驗室也能通過粒子撞擊來制造,。μ介子的壽命（即衰變期，這里的壽命是在實驗室里μ介子靜止?fàn)顟B(tài)下測定的壽命）只有2.20微妙,，運動速度為0.998倍光速,，我們能理解情況下，μ介子最多運動600米左右就會消失,，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)家探測到,。這個現(xiàn)象就說明了，高速運動的μ介子其時間相對于地球時間大大減慢,，同時在μ介子看來6000米厚的大氣層只有不到600米,。

現(xiàn)在我們再來看這個小節(jié)提出的實驗結(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：

因為實驗過程中地球具有一定的速度，這就使得時間,、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)歷的實際時長與距離也相應(yīng)的變化，所以最終測得的光速是不變的,，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)一個巨大的邏輯漏洞呢？是的,，我實際上是用一個假設(shè)（即：光速不變）推導(dǎo)出了一個結(jié)論（運動的物體,，其時間、長度等會變化）,，再用這個結(jié)論返回去證明假設(shè),，整個過程中，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創(chuàng)造出一個多世紀(jì)的輝煌！原因在于人們對物理學(xué)包括其他科學(xué)的研究都是基于自然現(xiàn)象的實際觀察或?qū)嶒灲Y(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,，存在許多暫時無法解釋的“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。

質(zhì)量的相對性（質(zhì)速關(guān)系與質(zhì)能方程）

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)保持自身運動狀態(tài)不變的本性,，換句話說質(zhì)量越大的物體慣性越大,，作用力對它速度的改變效果就越弱。

對于兩個完全相同的小球,，一個相對于地球靜止（1號球）,，一個相對于潘多拉星球靜止（2號球），現(xiàn)在用相同的力作用在兩個小球上使它們的速度分別增加了v1和v2,，接下來兩個小球飛行一段時間后，1號球飛行s1米,，2號球飛行了s2米,。如果潘多拉星球相對于地球速度是v0，那么2號球相對于地球速度就是v2+v0,，是大于1號球的,，由之前的空間相對性我們知道（以地球為參考系）2號球速度比1號球更快，它的距離會變短,，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,，完全相同的兩個小球,，相對于地球，速度更快的2號球質(zhì)量比1號球要大（也可用時間相對性來給出類似說明,，只是稍微要多轉(zhuǎn)幾道彎）,。這就是質(zhì)量的相對性，即質(zhì)速關(guān)系：對于同一個慣性參考系,，物體的速度越大質(zhì)量也越大,。

簡述質(zhì)能方程

在狹義相對論世界里,，物體動能E=mc2-m₀c2=Δmc2

這個方程的意思是：一個物體的總質(zhì)量m，包含了一個動質(zhì)量Δm,，和一個靜止質(zhì)量m0（這點根據(jù)上面的質(zhì)速關(guān)系很好理解）,。同時也暗示，一個靜止且質(zhì)量不為零的物體,，存在一個固有能量m0c2,，這就是質(zhì)能方程E=mc2的由來。

關(guān)于質(zhì)能方程,，阿怪只想說一點,，其實質(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！這個問題非常容易混淆,，以至于有段時間阿怪的物質(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)化而來的,，實際上質(zhì)量的虧損并非消失,，而是轉(zhuǎn)化成了新生成核的動質(zhì)量和光子的動質(zhì)量；那么核聚變釋放的能量又從哪里來的呢,？很簡單,，就是由聚變前物質(zhì)的固有能量轉(zhuǎn)化而來的!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,。所以說核聚變的實質(zhì)其實還是質(zhì)量之間的互相轉(zhuǎn)化，同時能量之間的互相轉(zhuǎn)化,，并不違背質(zhì)量守恒與能量守恒,。

未完待續(xù)