光速是3×10多少比方

在科學史上，1905年被稱為：

愛因斯坦奇蹟年

。在這一年，愛因斯坦共發表了4篇學術論文，每一篇都是諾獎級別的理論，並且也是開創性的科學成果。

其中，在1905年6月30號發表的《

論動體的電動力學

》，後來也被叫做：

狹義相對論

。

今天是狹義相對論發表的114週年。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麼？

一場跨越200年的恩怨

狹義相對論能夠誕生，其實主要源於一場跨越200年科學史的恩怨。

讓我們先把鏡頭切換到17世紀，首先出場的一號男配角是號稱近代物理學之父的

伽利略

。

伽利略曾經提出過了一個“

伽利略變換

”：

在一個參考系中建立起來的物理定律，透過適當的座標變換，可以適用於任何參考系。

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在運動，如果選B為參考系，那B就是靜止的，A在運動。

沒錯，這就是初高中物理課上都會講的“參考系”或者“參照物”

如果你在車上內向前走，那站在地面上的小夥伴看來，

你的速度=火車的速度+你在車上的速度

，你的速度=10+5=15m/s。發現沒有，在這個理論當中，

速度是可以疊加的

。

後來，牛頓把伽利略變換納入到的自己的力學體系當中。我們在運用牛頓定律的時候，都得先規定好一個參考系。

不過，我們要搞清楚一點，牛頓其實做了一個假設：

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於時間的感受都是一樣的。空間也一樣，空間的距離對於每個人來說都是一樣的。如果非要簡單總結一下就是：

空間、時間與物體的運動狀態無關！

空間、時間與物體的運動狀態無關！

空間、時間與物體的運動狀態無關！

（重要的事情說三遍）

牛頓理論後來被廣泛運用，甚至還能預言海王星的存在，成為了物理學堅定的基石理論。

後來科學家開始研究“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。

統一了“電”和“磁”，並提出了電磁波的概念，還預言光是一種電磁波。

物理學家赫茲透過實驗驗證了麥克斯韋的觀點。可問題恰恰就出在這裡，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於某個參考系而言的。在任何慣性參考系下，光速都是3×10^8m/s。

這就和牛頓力學是相互矛盾的

。可是，牛頓力學是那麼正確，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象。

那到底是哪裡出了錯？

科學家們的妥協

要知道伽利略，牛頓，麥克斯韋都是物理學史上前五的選手，絕對的大神。神仙打架，一般的物理學家只能做個吃瓜群眾。只是物理學總是要向前發展的，但大神又得罪不起，總得一碗水端平。

於是，科學家們就想到：

水波的傳播是需要介質的，那就是水

。

那光傳播是不是也需要介質？

因此，當時的科學家就認為這個光傳播的速度應該是相對於它的介質的，而不是絕對的。因此，科學家認為空間中佈滿了一種叫做“以太”的物質。以太對於光（電磁波），就如同水對於水波這般。看起來十分完美有沒有？但科學不能光靠想象力，得找出證據證明“以太”真的存在。

結果呢？很抱歉，科學家想盡了一切辦法，最後得出了一個結果：

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。於是，科學家們又開始開腦洞，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”，然後把它們結合起來，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生的，這取決於他們的運動狀態。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果。

楊振寧曾經在他的文章《機遇與眼光》寫到，

洛倫茲有

數學

，但沒有

物理學

；龐加萊有

哲學

，但也沒有物理學。正是 26 歲的愛因斯坦敢於質疑人類關於時間的原始觀念，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。

專利局三級技術員

是的，在一堆學術界大神失敗後，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，愛因斯坦發表了他的論文《

論動體的電動力學

》。他一開始應該也是和洛倫茲，彭加萊一樣，想來一個左右逢源，於是，從兩條基本假設：

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，一條是伽利略提出來的，而另外一條則是基於麥克斯韋的理論。然後進行推導得出

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麼呢？

愛因斯坦的叛逆

應該說是愛因斯坦的叛逆，在他之前，沒有人敢於質疑空間和時間。大家都覺得空間和時間是絕對的，什麼叫做空間和時間是絕對的呢？意思就是說，

對於你來說的一秒，對於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鍾，這東西現實生活中不存在，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定為一秒。

其實道理和時鐘跑一圈是一樣的。如果我們假設

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於路徑變長了，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“光鍾”的節奏在做廣播體操，那麼在飛船上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“光鍾”，其實由於運動是相對的，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“光鍾”的節奏在做廣播體操，那飛船上的人看到的也是廣播體操的慢動作。

這種效應就被稱為：

時間膨脹

。它真實存在，科學家透過μ（miù）子實驗證明這一點。如果我們把飛船換成高鐵，那麼高鐵內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：

時間與物體的運動狀態有關！

時間與物體的運動狀態有關！

時間與物體的運動狀態有關！

（重要的事情說三遍）

愛因斯坦說，不僅僅時間與物體的運動狀態有關，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，由於時間膨脹效應，

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，飛船相對於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，我們會發現，

速度越接近於光速，長度收縮得越嚴重

。這說明：

空間與物體的運動狀態有關！

空間與物體的運動狀態有關！

空間與物體的運動狀態有關！

（重要的事情說三遍）

愛因斯坦更進一步，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：

在一個座標下看是同時發生的兩件事情，換一個座標系就很有可能不是同時發生的了。

那具體咋回事呢？

我們也來向愛因斯坦學習，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，並且相對於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。

那麼，問題來了，到底是“事件A“先發生，還是“事件B”先發生呢？

當然，如果你是在地面上看，兩個事件確實是同時發生的。

但是，如果你是在上面的火車上，那下面的火車相對於你是有運動的。上面我們也講到了尺縮效應。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，在上面的火車裡看到的是：

"事件A“發生在前，“事件B”發生在後。

如果你是在下面的火車上，那上面的火車相對於你也是有運動的。還是因為尺縮效應。所以，你會發現上面的火車比你所在的火車要短一些。所以，你看到的場景應該是這樣：

也就是說，在下面的火車裡看到的是：

"事件B“發生在前，“事件A”發生在後。

不過，這裡要注意一點，

只有速度非常大的時候，越接近於光速，這種效應才會越明顯。

低速的情況下，我們肉眼根本看不出任何差別來。

因此，

“同時”也是一個相對的概念，都是基於參考系而言的，不同的參考系，情況是不同的。

基於這樣的認知，愛因斯坦曾經的數學老師，閔可夫斯基提出了“光錐”的概念。

我們可以基於任意事件建立一個座標系，橫座標代表空間，縱座標代表時間，畫出關於一個事件在座標系中的時空位置。

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產生影響。

而過去光錐指的是

對現在有影響的過去事件。

意思是說，只有發生在“過去光錐”

之內

的事件，才會影響現在。在“過去光錐”

之外

的過去事件，由於光速的限制，還無法對現在產生影響。

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麼說的：

光錐之內就是命運。

所有現狀，都是過去光錐的事件導致的，而過去的事件已經發生，我們根本無能為力去改變。如果更進一步，我們會發現，我們永遠無法活在當下，因為我們所謂的“當下”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裡，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生在過去的，過去的事件影響到當下是需要時間的；而當下發生的事件影響的不是當下，而是未來，這就是時間光錐給我們的啟示。可以說，

愛因斯坦透過狹義相對論只統一了時間和空間

，但這還沒完。

質量就是能量

1905年9月份，在發表了狹義相對論之後，愛因斯坦又發表了另外一篇論文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》，愛因斯坦在這篇文章當中統一了質量和能量，並提出了那個著名的質能方程：

那我們該如何理解質能方程呢？

在愛因斯坦之前，拉瓦錫提出了“質量守恆定律”，而牛頓力學中，能量是守恆的。不過，愛因斯坦認為：

能量和質量並非獨立保持不變的，它們其實是一回事。

著名科學家大慄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生改變。但是由於是分屬兩個國家，想要把錢從一個賬戶轉移到另一個賬戶，就需要透過匯率進行換算。這裡，我們可以把人民幣看成是能量，把美元看成是質量，如果總和保持不變，能量和質量能夠進行轉化。那麼E=mc^2就表示了能量和質量的匯率，其中光速c就是匯率制。

這個公式解釋了為什麼原子彈的威力如此之大，這是因為原子核爆炸前後的質量有虧損，這些質量都轉換成了能量。

關於狹義相對論其實內容還有很多，這次就說這麼多。想要深入地瞭解狹義相對論，其實需要動筆做做數學計算，這是因為相對論是反常識的。為什麼會反常識呢？

我們生活在宏觀低速的世界裡，在這個尺度下，相對論效應實在太小。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等效的。而相對論效應只有在速度越接近於光速時，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。