相對論的詳細(xì)解釋

行星恒星相對運(yùn)動(dòng)? ?

幾乎所有人都聽過愛因斯坦的狹義相對論，它的出現(xiàn)是劃時(shí)代的。但它并不復(fù)雜也不難理解，事實(shí)上，我覺得這可以用自己的話表述出來。這個(gè)理論有兩個(gè)基本假說，第一條說所有慣性參考系都服從同一簡單的物理定律，慣性參考系就是我們視作靜止的東西，我說“視作”是因?yàn)橄鄬τ钪嬷械钠渌鼥|西它同樣可以被視作是運(yùn)動(dòng)的。哇！聽起來我們正在構(gòu)建一套相對的理論，其實(shí)愛因斯坦所說的物理定律在所有慣性參考系中是一樣的。也就是說物體并不會(huì)加速或減速，但為何速度一定是恒定的呢？其實(shí)解釋起來很簡單，讓我們坐在椅子上拿上一碗爆米花放在自己前面，然后坐好，看看物理定律是怎么作用的。

嗯......什么都沒發(fā)生，現(xiàn)在讓我們在一輛窗戶涂黑的車中再做一次，假如司機(jī)決定突然改變車速，踩下急剎車，突然之間，物理定律似乎有點(diǎn)變化了。但如果這輛車以恒定速度前行，所發(fā)生的事情會(huì)和我在地上坐著時(shí)一樣，也就是什么都沒發(fā)生。在地球和車兩個(gè)參考系中，爆米花都沒動(dòng)，可是地球和車的運(yùn)動(dòng)速度是不同的。但就我所看到的而言，物理定律的作用方式是相同的，因此我們可推得在任意速度恒定的參考系中所發(fā)生的事情應(yīng)該是一樣的，在不同的參考系當(dāng)中物理定律都是同樣有效的，至此我們就證明了第一條假說。

光在真空中傳播

第二個(gè)假說是，光在真空中以恒速前進(jìn)而發(fā)光介質(zhì)并不重要。那么愛因斯坦是怎么意識(shí)到的呢？十九世紀(jì)，人們剛意識(shí)到光以波的形式傳播，而他們熟悉的另一種波是聲波，像這樣的聲波，需要介質(zhì)傳播，也就是某種物質(zhì)。基于此人們推測光波也需要介質(zhì)，并稱其為以太，那么我們該如何證明這種假想介質(zhì)是否存在呢？

麥克遜和莫利使用了干涉計(jì)，這個(gè)裝置可測出由以太導(dǎo)致的光速差，前提是它真的存在的話。光在一組相互垂直的臂上被分成兩份，經(jīng)反射后交于中心點(diǎn)，最后在目鏡上呈像。波的干涉會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圖案，如果光速在不同的臂上不同，它將無法同時(shí)到達(dá)目鏡，這將導(dǎo)致生成不同的干涉圖案，它會(huì)有這么大的一個(gè)偏移。

假設(shè)在以太中的地球

如果以太真的存在，地球會(huì)在繞日軌道上穿過它，這在地球上看就好像是以太在移動(dòng)。如果光需要以太才能傳播，光與以太的運(yùn)動(dòng)相反時(shí)會(huì)比垂直時(shí)速度更慢，因此干涉圖案會(huì)偏移。但當(dāng)實(shí)驗(yàn)做完后發(fā)現(xiàn)，干涉圖案并未偏移，這就意味著沒東西影響光速，因此光的傳播不需要介質(zhì)。在任何給定參考系中，光速不會(huì)變慢，因?yàn)楣獾慕橘|(zhì)有自己的運(yùn)動(dòng)。但因?yàn)樗┻^的是一片真空，而真空不會(huì)運(yùn)動(dòng)，所以光速恒定。同理，在真空中穿行的電磁波波速也是恒定的，這就是愛因斯坦最偉大的成就之一，而我們只花了幾分鐘就自己推出來了，這讓它看起來很簡單對吧。那么該理論為什么是革命性的呢？因?yàn)楠M義相對論預(yù)測了一種很詭異的現(xiàn)象，它就是時(shí)間膨脹現(xiàn)象。

相對時(shí)間

我們之前可能就聽說過，如果一個(gè)人離開了地球的參考系，而進(jìn)了一個(gè)相對地球速度極快的參考系中，等他回來時(shí)，地球上的人會(huì)覺得他走了三十年，而這個(gè)時(shí)空旅行者會(huì)認(rèn)為只過了一年。用狹義相對論可以回答下面的問題，為什么相對地球以極快速度運(yùn)動(dòng)的人的時(shí)間，會(huì)比地球上其他人的時(shí)間過的更慢。這都基于如下等式，速度等于路程除以時(shí)間，當(dāng)我們用它去描述光的時(shí)候，光速恒定。但凡是從像地球一樣的恒速參考系測量的時(shí)候，這時(shí)式子中的距離一定是光走過的距離。但我們?nèi)钥梢杂盟ッ枋鲇钪嬷衅渌奈镔|(zhì)，所有化學(xué)過程，包括讓物質(zhì)變化的、讓人思考的、呼吸的、以及衰老的都是在細(xì)胞級(jí)別、分子級(jí)別、原子級(jí)別、最終是量子級(jí)別上引發(fā)的。

汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)間

在量子級(jí)中一切都是由按光速運(yùn)動(dòng)的光子、引力子、以及其他基本粒子施力導(dǎo)致的，因此，對于所有地球上的生化反應(yīng)在發(fā)生時(shí)，我們體內(nèi)的光子要移動(dòng)很一小段距離，而又因?yàn)楣馑偈?.7億英里每小時(shí)，走過這段距離所需的時(shí)間非常非常少。光子就像一輛汽車以120英里每小時(shí)行駛，而終點(diǎn)不過是隔壁。這個(gè)過程所消耗的時(shí)間會(huì)非常短，但當(dāng)你的身體相對于地球以極高速運(yùn)動(dòng)并漸漸接近光速時(shí)，你體內(nèi)的光子需要走過的路程則要長得多才能激發(fā)同樣的生化反應(yīng)。因?yàn)楣庾雍突玖Ｗ拥乃俣仁呛愣ǖ模F(xiàn)在它們要走過的路程更長了，它們也就需要更多的時(shí)間。也就是你的車還是以120英里每小時(shí)前進(jìn)，但從相比開到隔壁，紐約到加利福尼亞會(huì)花費(fèi)更長的時(shí)間。

因?yàn)楫?dāng)你相對地球以極快的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，相同的生化反應(yīng)需要更多的時(shí)間，也就是你的時(shí)間流速比地球上的人慢了，但你卻并不會(huì)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槟愕母兄驮谶@飛船上的所有東西同樣是基于以光速運(yùn)動(dòng)的粒子的運(yùn)動(dòng)的。他們和你的衰老過程一道減緩了，所以時(shí)間的相對性是一個(gè)自然的結(jié)論，它是通過將光速是常量這個(gè)事實(shí)代入速度等式得到的，這并不能從我們在地球上的經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來，畢竟現(xiàn)在并沒有什么接近光速的旅行手段。但終有一天近光速旅行會(huì)變成現(xiàn)實(shí)，而當(dāng)?shù)搅四翘欤覀儠?huì)感謝愛因斯坦對于宇宙運(yùn)行機(jī)理的深刻思考的，盡管我們未曾離開過地球，但他卻讓我們知道了離開地球后會(huì)發(fā)生什么。

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