相对论1～万维钢老师
相对论1～万维钢⽼师
从今天开始，我们就来讲讲爱因斯坦的狭义和⼴义相对论。
相对论1，⼀个简单的信念
相对论对绝⼤多数⼈来说是个神秘的理论。你肯定已经听说过有关相对论的⼀些有趣的和怪异的结论，⽐如说，⼀个物体在⾼速运动的时候，它的长度会变短，它的时间会变慢。
咱们假设有⼀个距离地球40光年远的星球。光需要⾛40年才能到达那⾥。那么如果你以80%的光速前往那个星球，你得飞⾏50年才能到达那⾥，对吧？在留在地球的我们看来的确是这样。如果你出发的时候20岁，到达的时候应该是70岁吗？
不是。根据相对论效应，⾼速运动的物体的时间会变慢。寻常的50年对你来说只有30年，你到达的时候，只有50岁！⽽你要是能以99.5%的光速飞⾏，你的时间将会⽐我们慢10倍！
这也就是说相对论效应可以让⼈穿越到未来。这个世界为什么是这样的？这不是科幻，⽽且这还仅仅是开胃菜……相对论，本质上是关于时空的理论 —— 时空跟我们寻常想象的完全不同。正是因为有了相对论，我们才知道有⿊洞这种东西，我们才知道空间居然会膨胀，我们才知道宇宙有个起源。
⽽相对论是⼀个出了名的难懂的理论。据说爱因斯坦刚刚发表狭义相对论的时候，全世界只有2.5个⼈能理解。等到相对论已经被物理学家⼴泛接受、爱因斯坦爆得⼤名，公众⼜理解不了。我记得欧洲当时还出了⼀本书叫《⼀百个反对爱因斯坦的作家》 —— ⽽爱因斯坦对此的回答是“如果相对论真的错了，有⼀个⼈反对就够了。”
那相对论真的这么难吗？你要知道爱因斯坦发表狭义相对论是在1905年，距离今天已经100多年了。我们没有理由不能理解⼀个清朝末年就出来了的理论！
所以我就想在咱们《精英⽇课》专栏⽤⼀个⼩专题的形式，给你彻底讲明⽩相对论。相对论的数学很简单，但我们重点还是说它的思想。
相对论会对你的世界观产⽣重⼤影响。作为⼀个现代⼈，如果不理解爱因斯坦相对论，你就错过了这个世界最精彩的东西。⼀旦理解了相对论，你就不再是以前的你，你就再也回不去了。但是光知道⼀些奇妙的结论可不算理解。
我有⼀个好消息。相对论是简单的。这是⼀个⼲净利索的漂亮理论。
但简单不等于容易。简单的东西可以⾮常深刻。
1.⼀个信念
咱们先来考虑⼀个思想实验。假设你在⼀艘豪华游轮上旅⾏，这艘游轮在海上开的速度很快，但是它⾮常平稳，没有任何颠簸。游轮上有个全封闭的⼤厅，⾥⾯有游泳池有球场，你甚⾄还可以在⾥⾯做物理实验。
那请问，在不和外界发⽣任何联系的情况下，你能判断出这艘游轮是在前进还是静⽌不动吗？
你可以做各种实验。⽐如说把球抛到空中，在静⽌的情况下，球会落回你的⼿中。可是封闭游轮⾥也是这样，球也会落回你的⼿⾥。你向游轮前进的⽅向射门，同在游轮上的守门员只会感到你射门的寻常速度，⽽不需要考虑游轮的速度。
只要游轮的速度平稳不发⽣变化，你就⽆法判断它是在运动还是静⽌！其实我们⽣活的地球就相当于是这样⼀个游轮。地球绕太阳公转的速度是每秒29.8公⾥，⽐飞机快的多，但因为地球⾛得⼏乎是⼀条直线，你完全感觉不到它正在⾼速前进。
这个道理，最早是物理学的祖师爷伽利略想明⽩的。你在速度是每⼩时50公⾥的游轮上建⽴⼀个坐标系研究物理学，我在地⾯建⽴⼀个坐标系，咱俩其实是对等的。你相对于游轮是静⽌的，相对于我是运动的。你向前射出⼀⽀箭，箭相对于你的速度是每⼩时360公⾥，那相对于我就是每⼩时 360 + 50 = 410 公⾥。
不跳出⾃⼰的坐标系往外看，你单凭做⼀个射箭、抛⼩球之类的实验⽆法区分运动和静⽌。匀速直线运动和静⽌没有本质区别，速度都是相对的。
这个其实就是相对论，这就叫“伽利略的相对论”。
图⽚发⾃简书App
后⾯咱们讲⼴义相对论的时候你还会知道，其实不⼀定是匀速直线运动，加速运动跟静⽌也没有本质区别……到时候再说。
总⽽⾔之，物理学家看破了运动。在物理学家的眼中，运动和静⽌其实是⼀回事⼉。
2.看破世间繁华
物理学，有点看破红尘的意思。
以前⼈们眼中⾮常不⼀样的两个东西，物理学家发现它们其实是⼀回事⼉，这是物理学统⼀世界的⼀个主旋律。
古⼈认为⼤地静⽌不动，⽇⽉星⾠都绕着地球做完美的圆周运动。天和地，截然不同。可是后来天⽂学家精细的观测发现不对，天体运⾏的轨迹并没有那么完美，很复杂。
结果哥⽩尼就提出来，说如果你把太阳当做是静⽌不动，想象地球和其他⾏星都在绕着太阳做圆周运动的话，你就容易解释以前解释不了的⼀些轨
道。地球，不是宇宙的中⼼。
1光年等于多少年
这个⽇⼼说就有点看破红尘的意味。哥⽩尼等于是说地球和天上的那些天体没有本质的区别，天和地是⼀回事⼉！
天主教会受不了这个学说，⽽物理学的思想解放才刚刚开始。哥⽩尼那时候⼈们还以为⾏星都是做圆周运动，⽽且是有⼀些⼩精灵在推着⾏星运动……等到天⽂学家开普勒的时候，他就提出⾏星绕着太阳转的轨道并不是完美的圆形，⽽是⼀个椭圆。开普勒甚⾄已经提出⾏星不需要什么精灵推着⾛，只要太阳给⾏星⼀个吸引⼒就⾏。开普勒，把⾏星给看破了。
等到⽜顿⼀出⼿，就把引⼒也给看破了。⽜顿说不但太阳和地球之间有引⼒，地球上的所有有重量的东西之间也都有引⼒。引⼒普遍存在，天上和地上真的是⼀回事⼉。
这⼏次“看破”之后，当然还得再结合数学⽅程和天⽂观测，物理学就成了⼀个⾮常成功的理论。咱们看看“⽜顿三⼤定律”中的前两个 ——
第⼀定律说是在没有外⼒的作⽤的情况下，任何⼀个物体将会保持匀速直线运动或者是静⽌。匀速直线运动和静⽌⼀样，⽆需外⼒，⽆需解释。
第⼆定律说，⼒，会改变物体的运动⽅式。注意这⾥⾯有个关键的点，⼒不是*运动的原因* —— 没有⼒，物体本来也在匀速直线运动。⼒，是*改变*运动的原因。如果是⼀个理想的光滑平⾯，上⾯的⼀个
滚动的乒乓球会⼀直前进 —— ⽣活中的乒乓球之所以会停下来，那是因为平⾯给它提供了摩擦⼒。⼀直动不停，⽆需解释；动着动着停下了，才需要有个原因。
这两个定律都离不开伽利略的相对论。⼒只能带来*加*速度，单纯的速度跟⼒⽆关。匀速直线运动和静⽌都没有⼒，所以物理定律在游轮和地⾯是⼀样的。
其实你不做实验也能想明⽩，单纯谈速度真没啥意义。宇宙中你来我往，可能距离地球很遥远的⼀个星球，跟我们之间就有个特别⾼的相对速度。那你说，那个天体上的物理定律会和咱们这⾥有什么不⼀样吗？不会的。在那⾥的外星⼈看来他们是静⽌的，我们才是在⾼速运动。
所以相对论是物理学家的⼀个信念。这个信念也可以叫“不特殊论”：不管你的速度有多快，你的坐标系都不特殊。
这个信念实在太简单也太完美了。完美到简直是宁可海枯⽯烂，宁可扭转时空，物理学家也不应该放弃它……
3.“相对论与哲学家”
爱因斯坦的相对论其实是伽利略相对论的延伸。伽利略相对论是说如果你不往⾃⼰的坐标系之外看，你做任何抛⼩球之类的*⼒学*实验都⽆法判断⾃⼰是运动还是静⽌ —— ⽽爱因斯坦相对论则是说，不⽤限
制在⼒学，你*不管做什么*实验都⽆法判断⾃⼰是运动还是静⽌。
那你说这句话能有啥问题？相对论这不很容易吗？这简直就是哲学！
还真是这样。哲学家很喜欢谈论相对论。但是物理学家对哲学家有时候是嘲讽的态度。有⼀套特别厉害的物理学教材叫《费曼物理学讲义》，是⼤概有史以来最有趣的物理学家理查德·费曼在加州理⼯学院给本科⽣讲课的记录。费曼在这个讲义⾥专门设置了⼀个⼩节，叫“相对论与哲学家”。
费曼说，有些哲学家把相对论想的特别容易。哲学家听说了相对论的这个信念，就觉得这对我们哲学家来说不是明摆着的原理吗？不跳出⾃⼰的坐标系你当然不知道⾃⼰是运动还是静⽌！物理学家折腾半天，结果还不是我们哲学家等候多时了吗？
是吗？相对论如此平凡吗？哲学家坐在家⾥喝着茶就能想出来吗？⽜顿以后的物理学之所以不叫哲学了，就是因为物理学不是坐在家⾥就能想出来的学问，物理学家靠的是数学、实验和观测。
接下来我们要讲的事实，⾜以让费曼嘲笑那些哲学家。因为它⾜以让所有⼈ —— 包括你、哲学家和物理学家 —— 都⽬瞪⼝呆。
这件事就是光速在所有坐标系下是⼀样的。
咱们再回到游轮。假设站在游轮上的你不是向游轮前⽅射出⼀⽀箭，⽽是⽤⼿电筒打出⼀束光，你猜这束光的速度应该怎样。相对于你来说，光速是每秒30万公⾥。
那既然你跟站在地⾯上的我的相对速度是每⼩时360公⾥ —— 也就是每秒0.1公⾥，根据刚才伽利略的算法，我眼中这束光的速度就应该是每秒30万.1公⾥，对吧？
物理学家发现，不是这样的。不管你跟我的相对速度有多快，我测量和你测量这束光的速度*都是每秒30万公⾥*！
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可这怎么可能呢？我们这个世界怎么会是这样的呢？
这件事，哲学家坐在家⾥喝多少茶都发现不了。你之所以觉得它怪异，只不过是因为你⽣活的范围实在太⼩了，你的见识太有限了。有些信念可以坚持，但是别忘了，有些常识是错的。咱们下⼀讲再说。

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