一口气搞懂狭义相对论(《狭义相对论》)

听起来很熟但从没弄明白的“狭义相对论”到底讲了什么？

相对论和牛顿理论的本质区别，在于对“时空”概念的理解。时间是什么？空间是什么？这听起来像是高深的哲学问题，但实际上，物理定律必须建立在与其相关的概念的基础上。对这两个根本问题，很难给出所谓正确的答案，但深刻认识相对论时空与牛顿经典时空的差异，方能正确理解两种宇宙观的差异。

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大家都知道，当我们在讨论物体的运动时，必须指明是对于哪一个参照系的运动。你坐在飞机上，相对于地面在运动，而相对于飞机上的座椅，你是静止的。狭义相对论和牛顿理论都使用参照系，区别在于，牛顿理论隐含了宇宙中有一个“绝对”参照系的假设，相对论的思想则是认为所有的参照系都应该等同。当你坐在一个平稳行驶的船舱中，你经受体验到的物理规律与你在静止的地面上体会到的物理规律没有任何区别，也就是古人说的“舟行人不觉”，这叫做相对性原理。

牛顿的经典理论是建立在绝对时空的基础上。经典力学中的所谓“空间”，就像是一个巨大的无限延展的有固定坐标的空架子；所谓时间，就是“摆放在”宇宙中某处、滴答滴答永远均匀摆动的一个“钟”。宇宙中所有的物质都“放”在这个绝对的大框框中，互相作用和运动，它们的运动规律用这个绝对空间的坐标和表示绝对时间的钟来描述。

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从现代物理的观点来看，牛顿理论中的绝对时空假设显然是不合理的。哪一个坐标系将具有“绝对时空”的资格呢？将地球或太阳作为绝对参考系的地心说或日心说，只能蒙蔽眼光有限的古人。现代科技让我们的眼光越看越多，越看越远。纵观寰宇，我们的地球，我们的太阳系，甚至于我们的银河系，本星系群，都只能算是宇宙中一个极小的角落，其地位毫无特殊性可言，显然也不存在某个地位特殊的“绝对时空”。

爱因斯坦的理论否定了绝对时空的存在，故称之为“相对论”。狭义相对论将时间和空间的概念，统一于一个四维的数学时空框架中，时间和空间不再是绝对而单独的存在，而是被一个洛伦茨变换互相联系在一起的整体。

图4-1-1：读懂狭义相对论

图4-1-1让你从一张图读懂狭义相对论。狭义相对论建立在两条基本原理的基础上：相对性原理和光速不变原理。需要相对性原理的理由就是刚才所言，是不承认牛顿的绝对时空，以及与其相联系的静止以太的观念。当初麦克斯韦和法拉第建立了经典的电磁理论，认为光也是一种电磁波，都通过“以太”这种媒介传播。但这个理论无法解释有关以太的种种问题：以太到底是什么样的物质？它相对于哪一个坐标系而静止？为什么迈克尔孙-莫雷实验测量不到以太风？

爱因斯坦摒弃了以太的概念，重新考察时间空间的本质，天才地解决了这个问题。相对论认为时间空间是与物质运动息息相关的，比如，说到时间，不存在脱离物质的绝对标准时间，只有某一个具体的“原子钟”所指定的时间。因此，爱因斯坦坚持相对性原理，认为所有相互作匀速直线运动的惯性参考系都是等价的。既然是等价的，没有哪一个参考系具有特殊地位，那么，麦克斯韦理论就应该在所有的惯性参考系中都具有同样的形式，光（或电磁波）在真空中以有限的速度c传播，这是麦克斯韦理论得出的结论。这个速度c从所有的参考系中测量都应该是一样的，这便是所谓“光速不变原理”，见图4-1-1a。

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图中运动的火车相对于站台的速度是55m/s，火车上有一个小偷，在火车上的警察A和站台上的警察B同时对这个小偷开枪，首先考虑不是激光枪而是普通子弹枪的情形（图4-1-1a的上图）。

假设子弹相对于枪膛的射出速度是100m/s。根据牛顿力学，计算只涉及简单的伽利略变换，警察A与小偷之间相对静止，A射出的子弹射中小偷时的速度为100m/s。而警察B射出的子弹射中小偷时的速度为（100-55）m/s，即45m/s。如果使用狭义相对论进行计算，公式便不是如上面的计算那么简单，需要使用将空间和时间联系在一起的图中所示的洛伦茨变换来得到准确的速度。

不过，当火车的速度v比较起光速c而言很小的时候，用狭义相对论计算公式得出的结果与使用牛顿力学计算的结果只有很小的差别。光速c等于299792458 m/s，比例子中的火车速度55m/s大很多，因此在上例中用牛顿力学计算就足够了。但是，当我们计算天体之运动，或者与发射人造卫星、太空船等等有关的情况时，便往往会碰到运动速度与光速可比较的情形，那就得考虑狭义相对论，方能得出正确的结果。

从图4-1-1a的下图，则是设想两个警察A和B使用的是“激光枪”的情形，由此可以看出光速不变原理在相对论理论中的作用。这种情况下，从枪中发射的不是普通子弹而是激光束。那么，根据光速不变原理，在小偷看来，两束激光都是以同样的光速运动，打中他的时候的速度都是c，与光源所在的惯性参考系之运动速度v无关，因而称之“光速不变”。

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从相对性原理和光速不变原理建立的狭义相对论，不仅将时间和空间统一起来，从时空的洛伦茨变换还导出许多与牛顿理论完全不同的，看起来匪夷所思的结果。图4-1-1中间框图中，显示出了部分有趣的结论。比如说，“尺缩效应”指的是运动的尺子相对于静止的尺子而言，长度会变短；“时间膨胀”指的是运动的钟相对于静止的钟，时间变慢，著名的“双生子佯谬”与这个现象紧密相关；质能关系是质量为m速度为v的物体的能量的相对论表达式。显而易见，“尺缩效应”和“时间膨胀”表明空间时间都是相对的，否认了存在牛顿的绝对时空。不过，大家不用担心，我们平时使用的“尺”和“钟”仍然有意义，不会因为你坐在飞机上就改变了，因为飞机速度大大小于光速，相对论效应完全可以忽略不计。

从质能转换关系还可以得到一个有关光速的重要结论。当物体的速度v接近光速的时候，质能关系中的分母变得很小，使得能量E的数值变得很大，这意味着，将一个静止质量m不等于0的物体加速到接近光速需要的能量会越来越大，因而在现实上是不可能做到的。所以，光速c不仅仅对所有的参考系都是相同的常数，而且也是宇宙中信息和能量传播速度的上限。

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牛顿理论中也研究“光”和“引力”，但认为这些作用的传播不需要时间，即光速是无限大的。爱因斯坦否定了这种“超距作用”的观点，认为光速是一个有限的数值，是信息和能量传递的最高速度。由此也可检验相对论的正确性。至今为止，人类尚未观察到任何超过光速的信息或能量传播速度。也就是说，实验和观测中，都尚未发现违背狭义相对论的实例。信息以有限的而不是无限大的速度传播，这是现代宇宙观与牛顿宇宙观的重要区别。限制光速有限，便限制了我们可观测到的范围的大小，这个“可观测宇宙”一定是有限的，不管那个“真实的客观存在的宇宙”是否有限。

（摘自《永恒的诱惑：宇宙之谜》，作者：张天蓉）

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