很多教材，講到相對論，經(jīng)常是羅列公式，讓人看了滿紙辛酸淚，

沒什么意思。

今天，我們拋棄公式，通過幾點說明，闡述狹義相對論的原理。

疑難雜癥

首先我們引入一個概念，牛頓時空觀。就是牛頓三大定律的那個牛頓。他在那部劃時代的，集大成的著作《自然哲學的數(shù)學原理》中，提出了牛頓三大定律、萬有引力定律。

《自然哲學的數(shù)學原理》

如果覺得高中物理動力學太難，那你就怪牛頓，哥們你能把書編簡單點嗎？牛頓時空觀可以稱之為經(jīng)典時空觀，主要特點是：

第一，對于時間和空間， 它們之間是彼此獨立的。時間是在任何一個地方均勻流逝的，與空間無關(guān)。這什么意思？比如說，你在家里拿一塊表，測一秒鐘。那么，宇宙另外任何一個地點，不管那地方運動得多快，不管那里的人是坐火車上還是坐宇宙飛船上，時間也過了剛好精確的一秒?，F(xiàn)在我們來看，這說的不是廢話嗎？我這兒過一秒，你那過的不是一秒是多少秒呢？

第二，各個直線運動的物體的速度，是可以直接線性疊加的（伽利略變換）。比如說，你坐在飛馳的火車上，往前扔一個籃球，這個籃球的速度在站臺上的人看來，應(yīng)該是火車速度，再加上球的速度。

因為牛頓的觀點非常符合我們的直覺和經(jīng)驗，所以，牛頓經(jīng)典力學良好地運行了200多年。但是，隨著電磁理論的發(fā)展，這一套開始玩不轉(zhuǎn)了。

我們在以前的節(jié)目提到過一個人，叫做麥克斯韋。他也是科學發(fā)展史上一個封神級的人物，他通過一支筆，一張紙，推導方程，預言了電磁波的存在。我們現(xiàn)在經(jīng)常說手機信號不好，其實就是通信的電磁波強度不夠高。

麥克斯韋通過計算就發(fā)現(xiàn)，哎尼瑪？電磁波的速度等于一個常數(shù)！就是我們現(xiàn)在經(jīng)常說的（大約）30萬千米每秒。當時人類已經(jīng)可以比較精確的測出光速，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光速和電磁波的速度怎么這么相近呢？這應(yīng)該不是一個巧合吧？我們來研究一下。果然，人們就發(fā)現(xiàn)，牛頓、惠更斯這些以前的科學家，他們的光學定律，可以通過麥克斯韋的電磁理論的方程組推導出來。這就說明一個問題，光是電磁波的一種形式。光從此就跟電磁波統(tǒng)一起來，成為了一個東西。當然這不是重點。重點是，光速和電磁波的速度，它可以通過理論計算推導出來，它是大自然的一種內(nèi)稟的屬性！

所以我們現(xiàn)在就來做一個實驗。

比如說，有兩個人，小靜和小動。小靜在高鐵站的站臺上，靜止不動地當吃瓜群眾。如下：

小靜

小動舉著一只手電筒，打開手電筒，坐在這輛高鐵上，朝向高鐵的運行的前方，隨著這輛高鐵一起，做勻速直線運動。如下：

小動

現(xiàn)在有意思的問題就來了。

在站臺上靜止的觀察者小靜看來，這個手電筒發(fā)出的光，隨著這輛高鐵一起朝前方勻速直線運動。那么，手電筒發(fā)出的光的速度，應(yīng)該是，光速加上這輛高鐵運行的速度。

但是，對于這輛高鐵中，舉著手電筒的小動看來，他如果拿起筆和紙，效仿麥克斯韋，用麥克斯韋的方程計算推導一遍，他就會發(fā)現(xiàn)，誒？我算出來的光速，它只是光速，并沒有疊加上高鐵的這個速度！

矛盾就這樣出現(xiàn)了！

如果你用牛頓的那一套算法，速度可以線性相加，這個地方就會出現(xiàn)不可調(diào)和的矛盾。我們平時沒有出現(xiàn)這個矛盾的原因，是因為我們都處在一個低速的世界，如果這輛高鐵，它的速度可以達到，光速的90%，甚至99%的時候，狹義相對論的效應(yīng)就會出現(xiàn)，牛頓的時空觀就會崩塌。

這個時候，物理學家就面臨一個選擇：要么承認一個運動的系統(tǒng)和一個相對靜止的系統(tǒng)，他們互相之間分享兩套不同的物理定律。但是，這個觀點和光速是不變的這個結(jié)論是相違背的。要么，拋棄牛頓的時空觀念，承認速度是不可以直接線性疊加的。（關(guān)于光速不變，還有一個實驗，叫做邁克爾遜-莫雷的激光干涉實驗，有興趣的童鞋可以自己參閱）

這實際上，就是愛因斯坦狹義相對論的兩個基本假設(shè)的靈感來源。

巨人登場

速度不能線性疊加，那尼瑪?shù)降自趺此?？愛因斯坦將電磁學中的洛倫茲變換，整合到了牛頓動力學中，產(chǎn)生了難以置信驚人的效果！

速度不再線性疊加，時間與速度有關(guān)！時間與空間產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)！我們直接忽略愛因網(wǎng)紅的那些復雜物理計算和理論推導，直接看結(jié)果。經(jīng)過這么一番改造，我們能得出什么結(jié)論？

第一，時間會變慢！在站臺上靜止的那個觀測者小靜看來，隨高鐵一起高速運動的小動，他的時間變慢了！Wait，這什么意思？比如說，我們把尺度放大夸張一點的說，比如你爸，乘坐宇宙飛船，以極快的速度，達到了95%，甚至99%光速的速度朝宇宙深空當中飛馳，往那邊跑了個20年30年，然后再以極高的速度返回地球，你會驚訝地發(fā)現(xiàn)，我爸怎么比我還要年輕？？？因為他以極高的速度運行時，他的時間相對于你來說是變慢的，這個叫做鐘慢效應(yīng)！這個現(xiàn)象已經(jīng)被精確度極高的實驗所證實，現(xiàn)在我們頭頂當中的那些GPS的定位衛(wèi)星搭載的原子鐘，已經(jīng)充分地說明了這一點。

（當然這里還有一個雙生子樣謬的謬論，感興趣可以參閱）

第二點呢，就是長度收縮效應(yīng)。你在站臺上看高速運行的火車中人的時候，他們的腰會變細！所以，對于那些天天嚷嚷著我要減肥的妹子們來說，減肥的辦法還有一個，就是你每天飛速地跑，跑得非常快，別人看你啊，就變瘦了。

第三個呢，就是質(zhì)量會增加。什么意思？就是當你以極高的速度奔跑，或者運行的時候，自身會變得越來越“沉重”。當然，這并不是一個非常精確的說法。但是我們可以暢想一下，比如說有的人說，光速不是不變嗎？怎么可能呢？我現(xiàn)在騎自行車，雖然我騎得很慢，但是如果我做一個思想實驗，我腳踩得飛快，能不能超過光速呢？對不起，如果你腳的腳踩得飛快的時候，你已接近光速，到光速的90%，甚至光速99.9%的時候，你自身的質(zhì)量會飛速增加，大自然會阻止你，讓你沒有辦法超越光速。也就是說，你踩得越快，越來越接近光速的時候，你會發(fā)現(xiàn)，這車TM怎么變得這么沉了？

各有所愛

說到這兒了，你可能會覺得，愛因斯坦的相對論好像把牛頓的整個力學給做了全盤否定，那為什么牛頓的這一套理論，還被人類所接受長達200年呢？是因為人類所處的這個時空系統(tǒng)，是一個低速運動的系統(tǒng)，當我們在討論問題的時候，什么高鐵的運動啊，騎個自行車啊，什么博爾特跑個一百米呀，老板跑個路啊，這些都是極低的速度，相對于光速來說。所以，在低速的環(huán)境下，愛因斯坦只不過對牛頓的力學做了一個非常小的修補，牛頓力學是完全適用的。

但是，一旦我們把這套系統(tǒng)擴展到接近光速的尺度，牛頓力學就會立刻崩塌，它的基礎(chǔ)將不復存在。因為在高速運動環(huán)境下，它符合的是洛倫茲變換，速度是不可以直接線性疊加的。

牛頓的動力學和愛因斯坦相對論的動力學，他們之間的關(guān)系有點兒像我們在地球上處理運動。比如說你在一個小縣城，由東走到西，那你完全可以按照平面上的運動方法進行計算。但是如果我們要處理環(huán)球航海，把運動的尺寸提升到環(huán)球這樣一個大尺寸，那平面運動的計算就不合適嘛！因為地球在局部可以看成一個平面，但是整體來說，它就是一個球兒，是一個曲面吶！更多精彩內(nèi)容請戳脫口秀視頻。