胡攪蠻纏：詭異相對論 | 老和山下的小學僧_風聞

導讀

相比玄而又玄的量子力學，相對論也不遑多讓。兩大理論同宗同源，同一時間誕生自物理學的兩朵烏雲，這哥倆聯手摧毀了經典物理學大廈，卻又有着截然不同的秉性。科學之魅力，便在於荒誕不經的表象背後所藴藏的嚴絲合縫的驚人巧合。

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愛因斯坦説：“科學沒有宗教如同瘸子，宗教沒有科學如同盲人。”相比玄而又玄的量子力學，相對論也不遑多讓。兩大理論同宗同源，同一時間誕生自物理學的兩朵烏雲，這哥倆聯手摧毀了經典物理學大廈，卻又有着截然不同的秉性。

科學之魅力，在於荒誕不經的表象背後所藴藏的嚴絲合縫的驚人巧合。如果説量子力學是物理學家的羣魔亂舞，那麼相對論就是愛因斯坦的獨角戲；如果説量子力學是積小流成江海，那麼相對論就是橫空出世；量子力學是從實驗現象拼揍出理論公式，相對論則是憑空捏造後再尋找實驗驗證；量子力學收割了成堆的諾貝爾獎，相對論只是少數人的孤芳自賞；量子力學早已落地生根，相對論依然空中樓閣；量子力學只管微觀（電子質子），相對論只管宏觀（時間空間）……

相對論和量子力學彷彿商量好一般，默契到無以復加！這兩個理論是如此矛盾，卻又都如此準確，真是折磨了一代又一代的物理人！不多廢話，下面有請專利局的小科員愛因斯坦同學，為我們演繹“獨角戲”。

先等等，大家知道我比較囉嗦，正戲哪有這麼快開始，先聽段前奏吧！

物理學家大多秦始皇轉世，天生有“大一統思想”，最好把宇宙所有規律歸納成一個公式。經典物理經歷了開枝散葉的“牛頓時代”後，又逐漸歸攏走向統一，但凡能在“大統一”事業上有所建樹的科學家都能名垂史冊。

“大統一”路上的巔峯之作，非“麥克斯韋方程組”莫屬，至少排名人類最偉大公式前三甲！原本“電”和“磁”是兩路人，但自從法拉第發現電磁感應後，大家都知道電和磁早就有一腿了，卻苦於沒有牽線搭橋的媒婆。正當大家乾着急時，麥克斯韋大筆一揮，從此電、磁成了一家人。

麥克斯韋方程組以如此優美的形式，完整闡述了電和磁的相互轉化規律，堪稱物理學難得一見的白富美！“光”也是電磁波，愛因斯坦一直對“光”情有獨鍾，於是他就很痴迷的看着這個白富美。這情景神似楊過悟出黯然銷魂掌，愛因斯坦看着看着，豁然頓悟，提出了一個銷魂的假設：光速不變原理！

這是何意？舉個例子：你站在路邊不動，我騎車速度10km/s，妹子開車速度50km/s，那麼妹子對你來説速度是50，對我來説速度是40。這個是我們正常的理解，對吧？

同樣的場景，把妹子換成“光”，那麼應該是：光對你來説是300000km/s，對我來説是（300000-10）km/s，對吧？愛因斯坦説，你們太不瞭解“光”妹子了，無論你們的速度是多少，她的速度永遠都是300000km/s。極端一點，你的速度是0，而我的速度是299999km/s，同一束“光”，對你來説速度是300000km/s，對我來説依然是300000km/s！要崩潰了，有木有！兄弟，無論哥追的有多塊，咱離妹子都是一樣的遠吶！

那這到底是一束光還是兩束光啊？當然只是一束光，只不過，這束光在不同的人看來，永遠都是一樣的速度。相對論的起點就是來自這麼一個無比荒誕的假設：光速不變原理！

既然光速絕對不變，那應該叫“絕對論”，幹嘛叫“相對論”？相對論是與“絕對時空觀”相對應的，學術點説，一切物理定律在所有慣性參照系中具有相同的數學形式，學名“相對性原理”，這是相對論的第二個假設。

這個話題又有點哲學的味道了。回到剛才的場景，我騎車的速度是10，而你站在路邊不動，假設整個系統或者説全宇宙只剩下你我，那麼到底是誰在動，誰不動？在你看來我在動，在我看來你在動，為了搞清楚誰在動，就把這事説成：我相對於你的速度是10。這是高中物理的內容，今天的人不難理解，不過在當時“以太”學説的背景下就不一樣了。

什麼是“以太”？又是亞里士多德這位老同學提出的概念：空間是以太組成的，靜止和運動都是相對空間而言，也就是説“我相對於空間的速度是10”，而不是“我相對於你的速度是10”。這種觀點，再算上亙古不變的一維時間，稱之為牛頓時代的“絕對時空觀”。

 “光速不變原理”+“相對性原理”，好吧，那然後呢？憑這兩下子就想顛覆世界？大家注意，老司機愛因斯坦開始飈車了，心臟不好的備好速效救心丸！

假設光速是30，老司機把車速飆到26，車廂高度是15。然後，車廂天花板發出一束光，垂直照到地板上。對車廂內的人來説（即以車廂為參照系），車廂是沒有速度的，所以這束光走過的路程就是車廂的高度，根據光速不變原理，花費時間：車廂高度/光速=0.5。

但對車廂外的人來説（即以地面為參照系），光束在移動的過程中，車廂也在移動，所以光走的路徑是一條斜線，顯然路程比原來更多了，而光速是不變的，根據時間=路程/光速，這事情就大條了！

咱算算，假設花費時間為t，那麼這段時間車廂的移動距離是26t，根據勾股定理，光束走的路程30t的平方=車廂高度15的平方+車廂移動距離26t的平方，解方程得t=1。同樣一件事，車廂外比車廂內多花了一倍的時間！

愛因斯坦説，光速是不變的，只能委屈時間了，沒錯，車廂內的時間膨脹了！

這事兒怎麼聽着怎麼怪，再走一段看看。

老司機飈車的過程中，在車廂中間閃一下光，對車廂內的人來説，顯然光是同時達到前壁和後壁。對車廂外的人來説，車在前進，而光速不變，所以光先到後壁，再到前壁。如果前後壁分別有個接收器，那麼這兩個接收器接收到信號，是同時？還是不同時？

愛因斯坦説，你們壓根不知道啥叫“同時”，如何判斷在兩個地方發生的兩個事件是否同時？當這兩個事件發生的瞬間各自發出一個閃光信號，如果光同時到達這兩個地方的中點，那麼就認為這兩個事情是同時發生的，不然就是不同時的。所以車廂內的人看是同時的，車廂外的人看是不同時的，“同時”也是相對的。

各位看明白沒？這“光”真是集愛因斯坦萬千寵愛於一身，連時間都要按照光的腳步走。

本學渣表示不服，這説法太賴皮了！那豈不是説，我身邊發生的一切都是延時的，我永遠生活在過去？因為他們的光信號跑到我這都需要時間！舉個例子，假設太陽突然消失了，8分鐘後，地球就會知道，那地球人有沒有可能在太陽消失的一瞬間就知道？愛因斯坦説，完全不可能，太陽消失後，地球依然可以感受到陽光，感受到太陽引力，無論用什麼方法都無法在8分鐘內得知太陽消失了，就算你在太陽上找個人給你打電話，無線電信號也得經過8分鐘才能飛到地球。那麼問題來了，對於地球人而言，太陽到底是8分鐘後消失的，還是現在消失的？

好吧，我承認已經有點整糊塗了，索性再把問題攪亂些。

車廂內的人測量車廂長度（相當於車廂靜止），把車廂兩端在刻度尺上的位置記下就行。車廂外的人測量車廂長度，車廂在運動而刻度尺是靜止的，所以必須在某一瞬間“同時”記下車廂兩端在刻度尺上的位置，這個“同時”是愛因斯坦定義的同時。這樣的話，運動的車廂比靜止的車廂短，這個結論會不會有點扯？

愛因斯坦説，在“光”面前，時間都能委屈，長度算什麼！物體沿着運動方向的長度會收縮，這叫“長度收縮效應”，簡稱“尺縮效應”。

得了，那質量多半也節操難保了。

沒錯，因為時間和速度相關，速度和動能相關，動能和質量相關，這樣推導下來，質量也就不是原來的質量了。愛因斯坦説：質量會隨着速度增加而增加，然後結合動量和動能公式，就得到了大名鼎鼎的質能方程：

雖然愛因斯坦把時間、長度、質量都攪的一塌糊塗，但本質上，無非就是運動參照系和靜止參照系之間的公式轉化而已。數學好的同學開始得瑟了，時間膨脹、長度縮短、質量增加，都可以按照“洛倫茲變換”推導：

看這些公式，你就明白為什麼愛因斯坦不喜歡超光速了，按照上面的公式，一旦物體到達了光速，時間變得無限慢、長度變得無限小、質量變得無限大，這種扯蛋程度終於連愛因斯坦自己都不能接受。

到現在大家覺得還能勉強接受的話，那麼接下來老司機要開始漂移了。剛剛説的那些假設都是在勻速和靜止的前提下討論的，這種場景只適用於理想情況，所以叫“狹義相對論”。

如果在參照系中加上引力或者加速度什麼的，基本就能適用所有情況，顧名思義，這就是“廣義相對論”。

廣義相對論不僅內容奇葩，而且數學艱深，愛因斯坦不得不求助數學家格羅斯曼，共同完成論文《廣義相對論綱要和引力論》。除了數學系和物理系的同學，其他同學還是別看了，太辣眼睛！

英國科學家愛丁頓是第一個向英語世界介紹廣義相對論的人。某日，有人問愛丁頓：“尊敬的教授，聽説世界上只有三個人懂得相對論，是這樣嗎？”愛丁頓略加思索後回答：“您也許説得不錯，不過，我在想第三個人是誰呢？”

顯然，我肯定不是第三個人，對廣義相對論連囫圇吞棗都談不上，只能生搬硬套，各位就聽個味道。

老司機狠踩油門，汽車加速前進，注意是加速中。一束光從車頂照到地板，光速是不變的，而車子在加速，就好像水流往下流，車子在加速，那麼水流應該是彎曲的，也就是説，光應該是彎曲的。

　　愛因斯坦説，光速不能變，只能委屈空間了，是空間彎曲了！太耍懶了，有木有！明明你自己彎了，非説是空間彎了！

　　愛因斯坦接着説，“引力”和“加速度”是等效的，所以引力也會引起空間彎曲。接着展開一下想象，如果引力足夠大，空間足夠彎曲，像摺紙一樣，把遠端的兩個點，彎曲重疊在一起會發生什麼？沒錯，蟲洞的概念有了！開個蟲洞撕裂空間，就可以從這個點直接到另一個點，夢幻般的空間跳躍！

這還沒完，引力導致空間彎曲，進而使得光線走的路程變了，根據光速不變原理，時間=路程/光速，所以時間也就變慢了。

用一句話概括廣義相對論，那就是：引力和加速度，使空間彎曲，使時間變慢。

目前為止，你還可以認為這一切都是胡攪蠻纏，大罵愛因斯坦是譁眾取寵的神棍！此時的相對論，就像是埋設在物理學大廈裏的炸藥，就差一個導火線。然而，很快人們就找到了無數導火線，引爆了這座數百年的經典大廈。

1911年愛因斯坦發表《引力對光傳播的影響》，由於太陽的引力和質量會使周邊空間產生彎曲，使得光線經過太陽附近時也會彎曲，這一現象可在日全食進行觀測。忠實粉絲愛丁頓忽悠英國政府資助了這次荒唐的測試，最終，觀測數據基本符合愛因斯坦的預測，愛丁頓感慨道：這個小小的移動，改變了世界。

由於媒體的介入，愛因斯坦一夜爆紅。卓別林有句俏皮話，恰如其分的概括了當時的場景：“人們為我歡呼，是因為他們懂我的藝術，人們為愛因斯坦歡呼， 是因為沒人懂他的理論。”

困擾了天文學多年的水星近日點進動問題也得到了圓滿解釋。水星運行到近日點時有些多餘的進動（可理解為抖動），多餘進動值為每百年43角秒，當時沒人能解釋。愛因斯坦計算了太陽對空間的彎曲曲率，ε=24π2a2/T2c2（1-e2）=43″/百年，完全吻合，這多餘的進動是空間彎曲造成的。後來測到的金星、地球的數據也都相符相對論。

為了驗證引力對時間的影響，不斷有科學家把原子鐘送到外太空，由引力產生的時間偏差也完全符合相對論。相對論還可以解釋“為何光在水、空氣等不同介質裏的速度不一樣”，原子核的質量使周邊空間發生彎曲，導致光的路程變多，從宏觀上看光速就慢了。

相對論以勢不可擋的姿態揭開了這個荒誕世界的外衣，再次讓人類意識到自身的無知和渺小。我得再次膜拜一下愛因斯坦！要知道，當時的人們已經沉浸在量子力學帶來的巨大震撼中：東西都是一段一段的、位置也是隨機的，而相對論的空間描述是連續的、是可精確計算的、是與量子力學完全矛盾的，這簡直是逆天下大勢！

        任誰也沒想到，上天竟會同時送給人類兩件截然不同的禮物！更難能可貴的是，愛因斯坦既是量子力學的奠基人，也是相對論的開創者，這一手“左右互搏”的功夫，不敢説“後無來者”，至少是“前無古人”了。

        不過，相對論的應用少之又少，僅僅只是用來校準各種觀察數據或實驗設備，比如GPS精度校準，高能粒子質量和壽命的變化，或是預言一下引力波的存在，等等。

回頭再看這個爛攤子，愛因斯坦撩完妹子，拍拍屁股走人了，但對於這個理論的起點：光速不變原理，已經弄瘋了無數的數學家和物理學家。

相對論和量子力學把科技樹主幹硬生生掰成了兩個方向，這一百年來，所有物理學家夢寐以求的就是統一這兩大理論，但無一不是折戟沉沙！尚未陣亡的僅剩“超弦理論”。

最後説個趣聞，前幾年有個新聞説科學家發現了中微子“超光速”現象，轟動一時，不知各位是否有印象？當時我看到新聞差點嚇尿，記者同志可能分不清“超光速”和“超音速”的區別，超光速意味着基礎物理的再一次顛覆！於是趕緊跑學校請教有關老師，後來一聽説是意呆利做的，大家都鬆了一口氣。果然，半年後，發現線路接錯了。其實在國外，高校裏的科學神棍也很多（注意這個“也”字），英、美、德、日的消息相對靠譜一些。

物理學家固執地認為事物的本源最終都是相通的，樂此不疲地奔波在大統一的路上。作為一個曾經追逐過統一夢的物理人，期待有生之年能再一次遇見物理學的大變革，也期待中華民族能在這次大變革中為人類文明貢獻應有的智慧！