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,，每一篇都是諾獎級別的理論,，并且也是開創(chuàng)性的科學(xué)成果。

其中,，在1905年6月30號發(fā)表的《論動體的電動力學(xué)》，后來也被叫做：狹義相對論,。

今天是狹義相對論發(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：狹義相對論到底講了些什么？

一場跨越200年的恩怨

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

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

伽利略曾經(jīng)提出過了一個“伽利略變換 ”：

在一個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,？其實這都是唬人的。舉個例子你就懂,， 如果你在火車上,，旁邊正好也有一輛火車，這時候只要有一輛車子動了,，坐在車上的人是很難分得清是自己所在的火車動了,，還是旁邊的動了。

這其實可以理解成運(yùn)動是相對的,，如果用一個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,，如果選B為參考系，那B就是靜止的,，A在運(yùn)動,。

沒錯，這就是初高中物理課上都會講的“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,。我們在運(yùn)用牛頓定律的時候，都得先規(guī)定好一個參考系,。

不過,，我們要搞清楚一點，牛頓其實做了一個假設(shè)：空間和時間是絕對的,，是獨立的,。

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

空間,、時間與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)！

空間,、時間與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān),！

空間、時間與物體的運(yùn)動狀態(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)家赫茲通過實驗驗證了麥克斯韋的觀點,。可問題恰恰就出在這里,，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于某個參考系而言的,。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?，牛頓力學(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如磐石,，能夠很好地解釋電磁現(xiàn)象。那到底是哪里出了錯,？

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,，絕對的大神。神仙打架,，一般的物理學(xué)家只能做個吃瓜群眾,。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)時的科學(xué)家就認(rèn)為這個光傳播的速度應(yīng)該是相對于它的介質(zhì)的,，而不是絕對的。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),。以太對于光（電磁波），就如同水對于水波這般,?？雌饋硎滞昝烙袥]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。如果非要給兩個人找到共同點,，那一定是：距離狹義相對論最近的男人,。

洛倫茲簡直是個左右逢源的高手，左手一個“伽利略變換”,，右手一個“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，尤其是同時性的相對性,。說的就是同一個事件,，不同的人（參考系）看到的很可能不是同時發(fā)生的，這取決于他們的運(yùn)動狀態(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)于時間的原始觀念,，堅持同時性是相對的,，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,，愛因斯坦發(fā)表了他的論文《論動體的電動力學(xué)》,。他一開始應(yīng)該也是和洛倫茲，彭加萊一樣,，想來一個左右逢源,，于是,，從兩條基本假設(shè)：

1. 相對性原理（伽利略變換）

2. 光速不變原理（光速在慣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全新的世界,。

那這個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)疑空間和時間。大家都覺得空間和時間是絕對的,，什么叫做空間和時間是絕對的呢,？意思就是說，

對于你來說的一秒,，對于其他所有的人來說也是一秒，每個人的一秒都是一樣的,。

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

光上下往返一次的時間設(shè)定為一秒,。

其實道理和時鐘跑一圈是一樣的,。如果我們假設(shè)光速在任何參考系下都是一樣的（光速不變原理），那在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走到路徑是傾斜的,。

愛因斯坦認(rèn)為時間=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作。

反過來,，如果地面上的人也拿著一個“光鐘”,，其實由于運(yùn)動是相對的，情況會正好倒過來,。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作。

這種效應(yīng)就被稱為：時間膨脹,。它真實存在,，科學(xué)家通過μ（miù）子實驗證明這一點。如果我們把飛船換成高鐵,，那么高鐵內(nèi)的鐘表其實會變慢十億分之一秒,，正因為這個差異如此之小，所以我們才沒有感覺到,。當(dāng)速度特別快時,，尤其是越接近光速，時間膨脹的效果越明顯,。

這個實驗告訴我們一個道理：

時間與物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān),！

時間與物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)！

時間與物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān),！

（重要的事情說三遍）

愛因斯坦說,，不僅僅時間與物體的運(yùn)動狀態(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，由于時間膨脹效應(yīng),，我們在地面上看可能需要2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,，那飛船就會變短,，

如果飛船是以0.95倍的光速飛過，飛船還會變得更短,。

所以,，我們會發(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)動狀態(tài)有關(guān)！

空間與物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān),！

空間與物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān),！

（重要的事情說三遍）

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

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

那具體咋回事呢,？

我們也來向愛因斯坦學(xué)習(xí),，玩一玩思想實驗。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,，并且相對于地面速度的大小是一樣的。

只不過兩個火車不是在同一個軌道上,，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,，兩個事件確實是同時發(fā)生的,。

但是,，如果你是在上面的火車上，那下面的火車相對于你是有運(yùn)動的,。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，那上面的火車相對于你也是有運(yùn)動的,。還是因為尺縮效應(yīng),。所以，你會發(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,，只有速度非常大的時候,，越接近于光速，這種效應(yīng)才會越明顯,。低速的情況下,，我們?nèi)庋鄹究床怀鋈魏尾顒e來。

因此,，“同時”也是一個相對的概念,，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坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)代表空間,，縱坐標(biāo)代表時間,，畫出關(guān)于一個事件在坐標(biāo)系中的時空位置。

要注意了,，這個光錐是專門針對事件而言的,，未來光錐指的是：

現(xiàn)在對未來的事件的影響,。

比如，下圖中此刻的事件A,，就很有可能對事件B產(chǎn)生影響,。

而過去光錐指的是

對現(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，我們會發(fā)現(xiàn),，我們永遠(yuǎn)無法活在當(dāng)下,，因為我們所謂的“當(dāng)下”都是過去造成的。

舉個例子,，你照鏡子,，你看到的其實是過去的自己，而不是現(xiàn)在的自己,，這是因為你的臉反射光到鏡子上,，鏡子再反射光到你的眼睛里，光走過這段路程需要時間,，因此，你看到的其實是過去的自己,。

也就是說,，你看到的所有事件其實都是發(fā)生在過去的，過去的事件影響到當(dāng)下是需要時間的,；而當(dāng)下發(fā)生的事件影響的不是當(dāng)下,，而是未來，這就是時間光錐給我們的啟示,?？梢哉f,，愛因斯坦通過狹義相對論只統(tǒng)一了時間和空間，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，并提出了那個著名的質(zhì)能方程：

那我們該如何理解質(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)量并非獨立保持不變的,，它們其實是一回事,。

著名科學(xué)家大栗博司曾舉過這樣一個例子：

假如你在中國和美國都有存款賬戶，兩個賬戶的存款價值不會發(fā)生改變,。但是由于是分屬兩個國家,，想要把錢從一個賬戶轉(zhuǎn)移到另一個賬戶，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。

這個公式解釋了為什么原子彈的威力如此之大,，這是因為原子核爆炸前后的質(zhì)量有虧損，這些質(zhì)量都轉(zhuǎn)換成了能量。

關(guān)于狹義相對論其實內(nèi)容還有很多,，這次就說這么多。想要深入地了解狹義相對論,，其實需要動筆做做數(shù)學(xué)計算，這是因為相對論是反常識的,。為什么會反常識呢,？

我們生活在宏觀低速的世界里,，在這個尺度下,，相對論效應(yīng)實在太小,。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,，相對論是和牛頓力學(xué)等效的,。而相對論效應(yīng)只有在速度越接近于光速時,，才越明顯,。

這是因為這個原因,，我們才會覺得相對論很反常識,。這告訴我們一個道理：

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,。