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雖然相對論確實很反常識，但是還是可以試著通俗的講一講的。 相對論是對牛頓力學的一個修正 首先我們要明白相對論是愛因斯坦對牛頓力學體系的一個修正，這個基調要明白，是修正不是革命替代。也就是說牛頓的力學不是錯了，而是它的適用范圍有限，它只能在低速宏觀的條件下使用，而當物體以接近光速運動的時候牛頓的力學就不太準了，這時候我們要用相對論力學來修正它。也可以這樣理解：牛頓力學是相對論力學在速度遠小于光速時候的一個特例。 我們先看狹義相對論（叫狹義是因為狹義相對論只在慣性系中有效，它考慮的是平直時空的問題，不涉及引力），看看它到底修正了牛頓力學的哪些東西，看看有哪些東西到了接近光速的時候就不能用牛頓力學來解釋了。 不聽話的光 本來牛頓的世界一切都安靜祥和美好，宇宙的規律似乎盡在掌握之中，但是這時候出現了一個不聽話的東西：光。 光怎么個不聽話法呢？因為光速它不變！ 有人說光速不變有什么奇怪的，物理學里速度不變的東西多了去了，聲音在空氣里的傳播速度也不變，鐘擺還一直規矩的搖擺呢。但是，我說的光速不變不是指這個，而是說光速相對參考系不變！！！ 怎么理解這句話成了理解狹義相對論的關鍵。 我給大家舉個例子：假設你現在在一輛火車上，火車的速度是100米每秒，然后你以1米每秒的速度在火車里面往前走，這時候你想象一下如果地面上有個人，他測量你的速度的話，會是多少？ 我相信你敢肯定的說是101米每秒，這么簡單的問題小學生都會。沒錯，確實是101米每秒，地面上觀測到人的速度就是火車的速度+人在火車上行走的速度。而且，不光是人在里面行走，似乎不論什么東西，你在火車了仍飛鏢也好，打槍也好，都會滿足這種簡單的加法，也就是說地面上的人觀察到的速度一定是 火車的速度加上火車里面東西的速度。 但是，當實驗對象換成光的時候，這一切就變了。我們現在都知道光速的大約是30萬公里每秒（后面的光速用字母c代替），如果我在火車里打開一個手電筒，我在地面上的人測量這個光速，它居然不是c+100，而是依然還是c。也就是說，我在地面上測量的手電筒的光的速度竟然不是光速+火車的速度，我在火車上測量光速是c，到地面上測量它還是c。 偶滴歌神啊，光為了與眾不同，為何這么拼？ 如何處理不聽話的光 科學家們做了很多實驗，最后的結果都是一樣的：光這個頑固的小子不論誰在哪里測量，他都是c,完全不符合牛頓力學里最基本的速度疊加原理，這個事怎么處理？ 有一大批人試圖用以太來解釋這個，后來這一批全部陣亡，不解釋。 愛因斯坦想，光這小子好像確實與眾不同，不同參考系下的光速確實都是一樣的，不符合以前的疊加原理，這種事情要怎么辦呢？ 為什么光速會不變呢？想不通，既然想不通，那就干脆假設光速是不變的，看看能推導出一些啥東西來，而且如果假設光速是不變的，麥克斯韋電磁學和牛頓力學之間的矛盾也好解釋了，也能解釋一些其他的難以理解的現象，這真是一舉多得啊。 然后好景不長，愛因斯坦看看他筆下的公式，OMG，看看我都推導出來了一些啥？如果光速是不變的，那么運動的物體時間會變慢，長度會縮短，質量會增加，這個世界瘋了么？ 愛因斯坦推出來的這一套就是狹義相對論。 所以，簡單的來說，狹義相對論就是愛因斯坦假設光速在不同的參考系下都一樣，然后把牛頓體系里除了萬有引力定律的東西重新給推理了一遍。因為光速是不變的，所以在愛因斯坦推導出來的新公式里，啥都跟速度光速有關系，時間、長度、質量、能量都是，然后就有了上面說的運動的物體時間會變慢，長度會縮短，質量會增加這些狹義相對論的效應。 廣義在哪里 上面說了狹義相對論，那廣義相對論又是啥？狹義廣義，從名字上來看，也應該知道廣義相對論適用的范圍更廣一些。還記得上面在說狹義相對論的時候我說了狹義相對論是基于慣性系的么？慣性系就是靜止或者勻速直線運動的參考系，簡單來說就是沒有加速度的條件，但是世界上根本找不到真正絕對的慣性系，真正的物理世界基本上一動就要碰到加速度這個怪物。 那怎么辦？總不能讓一種理論永遠只存在于理想環境里吧？于是愛因斯坦就絞盡腦汁，把相對論從慣性系推廣到非慣性系，要讓這一套思想真正的在不管有沒有加速度都能使用，愛因斯坦成功了，后面這個在非慣性系里也能用的就叫廣義相對論。 等效原理 大家還記得我在上面一句話說狹義相對論的時候，說狹義相對論是把牛頓體系里除了萬有引力定律以外的東西都給推了一遍么？為什么要把萬有引力定律除外？ 理由很簡單，狹義相對論是考慮的是慣性系，如果有引力的話，那肯定就會產生加速度，變成非慣性系了。所以，狹義相對論無法包含萬有引力定律，也無法處理加速度的事情。 引力和加速度，一個代表力，一個代表運動，這兩個事在狹義相對論里都解決不了，那要怎么辦呢？ 反正關子我也不賣，據說愛因斯坦是有一天晚上做了一個夢，夢到自己在一個電梯了垂直自由下落，然后他想到了一件事：如果一個人在電梯里自由落體，那么它是感受不到重力的，就像在電梯里懸浮了一般。 柯南的大腦，哦不，是愛因斯坦的大腦突然劃過一道閃電：電梯自由下落這是引力導致的，我在電梯里感受不到重力加速度。這個場景剛好把狹義相對論無法處理的兩個東西（引力和加速度）都包含進來了，而且，他們似乎是相等的。 總之，愛因斯坦經過一輪瘋狂的思考之后，他大膽的提出了一個假設：引力場和加速度的等效的（做了通俗化處理）。 說的正規一點就是：局部引力場中自由下落的參考系與無引力場的慣性系不可區分。 回到電梯的話題就是：我懸浮在電梯里，你從里面完全無法區分我是懸浮在太空里（慣性系），還是在一個自由落體運動的電梯里（有地球引力的非慣性系），無法區分就是等價，就是說兩者的在物理上是一樣的。 總之，這個東西就是等效原理，是廣義相對論的一個假設（跟光速不變是狹義相對論的假設一樣）。 廣義相對論 這說明了啥？我把一個有引力的慣性系成功的轉化成了一個慣性系，這就意味著我可以這樣去處理引力，把引力場等效成一個特殊的慣性系，然后在慣性系里我就可以使用狹義相對論了。 愛因斯坦真的就這么干了，利用等效原理可以把帶引力的非慣性系轉化成不含引力的慣性系，凡是有引力的地方我都給它加一個自由降落的參考系將引力消除，然后剩下的事情用狹義相對論處理。利用這樣的思想，愛因斯坦創立了廣義相對論，把引力包也包含到里面去了。 這里我們瞻仰一下廣義相對論的引力場方程： 這個方程在我們無需理解，權當用來瞻仰一下愛因斯坦的偉大。這個方程左邊表示的是時空彎曲的情況，右邊表達物質及其運動。 用一句比較詩意優雅的話來說就是：物質告訴時空怎么彎曲，時空告訴物質怎么運動。 廣義相對論的通俗解釋就只能到這里了，它的核心思想的就是：任何有質量的物體都會引起時空彎曲，然后物體在這個彎曲的時空里繼續做他們的“慣性運動”。 彎曲得太厲害以至于光掉進去都出不來了就是黑洞，這邊彎曲的恰好跟另一個彎曲的親嘴對上了就是蟲洞。 最后 如果你還想更加通俗的了解相對論，下面這件事情你必須得做。 那就是： 關注我的官方微信公眾號長尾科技~ 論研究問題的深度廣度我不敢說啥，但是要論把問題說得簡單明了通俗易懂的能力，長尾我還沒怕過誰~ 逃~ 我是長尾科技，一個致力于科普相對論、量子力學、計算機、數學，讓高深的科學理論通俗易懂起來，讓科學可愛起來的科技媒體。想了解更多相對論、量子力學的知識，關注微信公眾號長尾科技，回復“相對論”、“量子力學”即可，有問題可以回復“【提問】+你的問題”，期待你的到來~ |
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