從今天開始，我們就來講講愛因斯坦的狹義和廣義相對論。
相對論1，一個簡單的信念
相對論對絕大多數(shù)人來說是個神秘的理論。你肯定已經(jīng)聽說過有關(guān)相對論的一些有趣的和怪異的結(jié)論，比如說，一個物體在高速運動的時候，它的長度會變短，它的時間會變慢。
咱們假設(shè)有一個距離地球40光年遠的星球。光需要走40年才能到達那里。那么如果你以80%的光速前往那個星球，你得飛行50年才能到達那里，對吧？在留在地球的我們看來的確是這樣。如果你出發(fā)的時候20歲，到達的時候應(yīng)該是70歲嗎？
不是。根據(jù)相對論效應(yīng)，高速運動的物體的時間會變慢。尋常的50年對你來說只有30年，你到達的時候，只有50歲！而你要是能以99.5%的光速飛行，你的時間將會比我們慢10倍！
這也就是說相對論效應(yīng)可以讓人穿越到未來。這個世界為什么是這樣的？這不是科幻，而且這還僅僅是開胃菜……相對論，本質(zhì)上是關(guān)于時空的理論 —— 時空跟我們尋常想象的完全不同。正是因為有了相對論，我們才知道有黑洞這種東西，我們才知道空間居然會膨脹，我們才知道宇宙有個起源。
而相對論是一個出了名的難懂的理論。據(jù)說愛因斯坦剛剛發(fā)表狹義相對論的時候，全世界只有2.5個人能理解。等到相對論已經(jīng)被物理學(xué)家廣泛接受、愛因斯坦爆得大名，公眾又理解不了。我記得歐洲當時還出了一本書叫《一百個反對愛因斯坦的作家》 —— 而愛因斯坦對此的回答是“如果相對論真的錯了，有一個人反對就夠了?！?br>
那相對論真的這么難嗎？你要知道愛因斯坦發(fā)表狹義相對論是在1905年，距離今天已經(jīng)100多年了。我們沒有理由不能理解一個清朝末年就出來了的理論！
所以我就想在咱們《精英日課》專欄用一個小專題的形式，給你徹底講明白相對論。相對論的數(shù)學(xué)很簡單，但我們重點還是說它的思想。
相對論會對你的世界觀產(chǎn)生重大影響。作為一個現(xiàn)代人，如果不理解愛因斯坦相對論，你就錯過了這個世界最精彩的東西。一旦理解了相對論，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結(jié)論可不算理解。
我有一個好消息。相對論是簡單的。這是一個干凈利索的漂亮理論。
但簡單不等于容易。簡單的東西可以非常深刻。
1.一個信念
咱們先來考慮一個思想實驗。假設(shè)你在一艘豪華游輪上旅行，這艘游輪在海上開的速度很快，但是它非常平穩(wěn)，沒有任何顛簸。游輪上有個全封閉的大廳，里面有游泳池有球場，你甚至還可以在里面做物理實驗。
那請問，在不和外界發(fā)生任何聯(lián)系的情況下，你能判斷出這艘游輪是在前進還是靜止不動嗎？
你可以做各種實驗。比如說把球拋到空中，在靜止的情況下，球會落回你的手中。可是封閉游輪里也是這樣，球也會落回你的手里。你向游輪前進的方向射門，同在游輪上的守門員只會感到你射門的尋常速度，而不需要考慮游輪的速度。
只要游輪的速度平穩(wěn)不發(fā)生變化，你就無法判斷它是在運動還是靜止！其實我們生活的地球就相當于是這樣一個游輪。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是每秒29.8公里，比飛機快的多，但因為地球走得幾乎是一條直線，你完全感覺不到它正在高速前進。
這個道理，最早是物理學(xué)的祖師爺伽利略想明白的。你在速度是每小時50公里的游輪上建立一個坐標系研究物理學(xué)，我在地面建立一個坐標系，咱倆其實是對等的。你相對于游輪是靜止的，相對于我是運動的。你向前射出一支箭，箭相對于你的速度是每小時360公里，那相對于我就是每小時 360 + 50 = 410 公里。
不跳出自己的坐標系往外看，你單憑做一個射箭、拋小球之類的實驗無法區(qū)分運動和靜止。勻速直線運動和靜止沒有本質(zhì)區(qū)別，速度都是相對的。
這個其實就是相對論，這就叫“伽利略的相對論”。
后面咱們講廣義相對論的時候你還會知道，其實不一定是勻速直線運動，加速運動跟靜止也沒有本質(zhì)區(qū)別……到時候再說。
總而言之，物理學(xué)家看破了運動。在物理學(xué)家的眼中，運動和靜止其實是一回事兒。
2.看破世間繁華
物理學(xué)，有點看破紅塵的意思。
以前人們眼中非常不一樣的兩個東西，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們其實是一回事兒，這是物理學(xué)統(tǒng)一世界的一個主旋律。
古人認為大地靜止不動，日月星辰都繞著地球做完美的圓周運動。天和地，截然不同?？墒呛髞硖煳膶W(xué)家精細的觀測發(fā)現(xiàn)不對，天體運行的軌跡并沒有那么完美，很復(fù)雜。
結(jié)果哥白尼就提出來，說如果你把太陽當做是靜止不動，想象地球和其他行星都在繞著太陽做圓周運動的話，你就容易解釋以前解釋不了的一些軌道。地球，不是宇宙的中心。
這個日心說就有點看破紅塵的意味。哥白尼等于是說地球和天上的那些天體沒有本質(zhì)的區(qū)別，天和地是一回事兒！
天主教會受不了這個學(xué)說，而物理學(xué)的思想解放才剛剛開始。哥白尼那時候人們還以為行星都是做圓周運動，而且是有一些小精靈在推著行星運動……等到天文學(xué)家開普勒的時候，他就提出行星繞著太陽轉(zhuǎn)的軌道并不是完美的圓形，而是一個橢圓。開普勒甚至已經(jīng)提出行星不需要什么精靈推著走，只要太陽給行星一個吸引力就行。開普勒，把行星給看破了。
等到牛頓一出手，就把引力也給看破了。牛頓說不但太陽和地球之間有引力，地球上的所有有重量的東西之間也都有引力。引力普遍存在，天上和地上真的是一回事兒。
這幾次“看破”之后，當然還得再結(jié)合數(shù)學(xué)方程和天文觀測，物理學(xué)就成了一個非常成功的理論。咱們看看“牛頓三大定律”中的前兩個 ——
第一定律說是在沒有外力的作用的情況下，任何一個物體將會保持勻速直線運動或者是靜止。勻速直線運動和靜止一樣，無需外力，無需解釋。
第二定律說，力，會改變物體的運動方式。注意這里面有個關(guān)鍵的點，力不是*運動的原因* —— 沒有力，物體本來也在勻速直線運動。力，是*改變*運動的原因。如果是一個理想的光滑平面，上面的一個滾動的乒乓球會一直前進 —— 生活中的乒乓球之所以會停下來，那是因為平面給它提供了摩擦力。一直動不停，無需解釋；動著動著停下了，才需要有個原因。
這兩個定律都離不開伽利略的相對論。力只能帶來*加*速度，單純的速度跟力無關(guān)。勻速直線運動和靜止都沒有力，所以物理定律在游輪和地面是一樣的。
其實你不做實驗也能想明白，單純談速度真沒啥意義。宇宙中你來我往，可能距離地球很遙遠的一個星球，跟我們之間就有個特別高的相對速度。那你說，那個天體上的物理定律會和咱們這里有什么不一樣嗎？不會的。在那里的外星人看來他們是靜止的，我們才是在高速運動。
所以相對論是物理學(xué)家的一個信念。這個信念也可以叫“不特殊論”：不管你的速度有多快，你的坐標系都不特殊。
這個信念實在太簡單也太完美了。完美到簡直是寧可海枯石爛，寧可扭轉(zhuǎn)時空，物理學(xué)家也不應(yīng)該放棄它……
3.“相對論與哲學(xué)家”
愛因斯坦的相對論其實是伽利略相對論的延伸。伽利略相對論是說如果你不往自己的坐標系之外看，你做任何拋小球之類的*力學(xué)*實驗都無法判斷自己是運動還是靜止 —— 而愛因斯坦相對論則是說，不用限制在力學(xué)，你*不管做什么*實驗都無法判斷自己是運動還是靜止。
那你說這句話能有啥問題？相對論這不很容易嗎？這簡直就是哲學(xué)！
還真是這樣。哲學(xué)家很喜歡談?wù)撓鄬φ摗５俏锢韺W(xué)家對哲學(xué)家有時候是嘲諷的態(tài)度。有一套特別厲害的物理學(xué)教材叫《費曼物理學(xué)講義》，是大概有史以來最有趣的物理學(xué)家理查德·費曼在加州理工學(xué)院給本科生講課的記錄。費曼在這個講義里專門設(shè)置了一個小節(jié)，叫“相對論與哲學(xué)家”。
費曼說，有些哲學(xué)家把相對論想的特別容易。哲學(xué)家聽說了相對論的這個信念，就覺得這對我們哲學(xué)家來說不是明擺著的原理嗎？不跳出自己的坐標系你當然不知道自己是運動還是靜止！物理學(xué)家折騰半天，結(jié)果還不是我們哲學(xué)家等候多時了嗎？
是嗎？相對論如此平凡嗎？哲學(xué)家坐在家里喝著茶就能想出來嗎？牛頓以后的物理學(xué)之所以不叫哲學(xué)了，就是因為物理學(xué)不是坐在家里就能想出來的學(xué)問，物理學(xué)家靠的是數(shù)學(xué)、實驗和觀測。
接下來我們要講的事實，足以讓費曼嘲笑那些哲學(xué)家。因為它足以讓所有人 —— 包括你、哲學(xué)家和物理學(xué)家 —— 都目瞪口呆。
這件事就是光速在所有坐標系下是一樣的。
咱們再回到游輪。假設(shè)站在游輪上的你不是向游輪前方射出一支箭，而是用手電筒打出一束光，你猜這束光的速度應(yīng)該怎樣。相對于你來說，光速是每秒30萬公里。
那既然你跟站在地面上的我的相對速度是每小時360公里 —— 也就是每秒0.1公里，根據(jù)剛才伽利略的算法，我眼中這束光的速度就應(yīng)該是每秒30萬.1公里，對吧？
物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，不是這樣的。不管你跟我的相對速度有多快，我測量和你測量這束光的速度*都是每秒30萬公里*！
可這怎么可能呢？我們這個世界怎么會是這樣的呢？
這件事，哲學(xué)家坐在家里喝多少茶都發(fā)現(xiàn)不了。你之所以覺得它怪異，只不過是因為你生活的范圍實在太小了，你的見識太有限了。
有些信念可以堅持，但是別忘了，有些常識是錯的。咱們下一講再說。
