愛因斯坦著名的相對論，究竟講了什麼？這也許是最通俗的解釋了

大家好，這裡是小播讀書，今天我們繼續分享前沿科學科普著作《宇宙的琴弦》。前面我們分享了這本書的第一部分內容，物理學的兩大支柱：相對論和量子力學。但可惜都不能很好地解釋世界，因為它們分別在大尺度上和下尺度上能解釋世界的規律，但是都不同統一的規律。而這個時候作者「超弦理論」出現了，那超弦理論是不是能更好解釋世界呢？今天，我們繼續分享這本書的內容，今天我們從愛因斯坦的相對論講起。

今天的內容主要是闡述了愛因斯坦的狹義相對論，時間、空間以及光的的原理。由於內容過於抽象，書中也列舉了大量的思想實驗進行驗證和說明，這裡我篩選了部分實驗和結論為了大家講述。

愛因斯坦的狹義相對論指出，空間和時間都不是絕對的，構成狹義相對論基礎的兩個簡單的原理：

1：一個與光的性質有關，也就是光速是恆定的，光速是10.8億千米/小時；

2：另外一個相對比較抽象，是相對性原理，也就是運動是相對的。這個原理基於一個簡單的事實：不論我們討論速度的大小還是方向，都必須要明確測量者。這個就是相對論思想的精髓。

一個思想實驗

假設在浩瀚的宇宙，喬治飄忽在黑暗的空無一物的空間中，從他的角度，他是完全靜止的。而遠處，他看到另外一個同樣漂浮在宇宙中的另外一個人格雷西正向他飄過來。經過他時，他們相互揮了揮手。緊接著，格雷西消失在黑暗的夜空中。這個故事如果從格雷西的角度看，也可以解釋為，格雷西自己感覺是靜止的，遠處的喬治向她飄過來，然後揮了揮手之後消失在夜空中。這兩個故事講的是同一件事情。兩個人都覺得自己的靜止的。這就是相對性原理的精髓：運動是相對。

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在狹義相對論里，不僅運動是相對的，時間和空間的結構密切依賴於觀察者和被觀察者之間的相對運動。運動物體的演化會變慢，運動物體在時間上會感覺慢了，在運動方向上的長度也變短了。

在愛因斯坦的狹義相對論里，物體的運動大部分是在時間，而不是在空間中度過的。在我們的普遍認知中，我們都是在空間中度過的，我們坐在沙發上看電視，在大街上行走，我們生活在一個三維的空間裡，這個大家比較好理解。但愛因斯坦將我們的時間看成宇宙的第四維度，我們實際上是生活在包括時間維度的四維的宇宙中。比如當我們約一個朋友在什麼地方見面時，我們除了確定雙方的三維空間（就是在什麼具體的地方）以外，我們還會約定一個時間，比如下午4點見面。

於此，愛因斯坦將時間和空間的概念統一在一起。前面我們講到，當物體相對於我們空間運動時，它的時間也會變慢。那麼同樣的，在時間的維度里，當物體相對時間運動時，它在時間裡的運動速度也變慢了。

宇宙間的一切事物總是以一個恆定的速度（光速）在時間和空間裡運動，而且我們三維空間和一維時間的相加的速度就是光速。但我們日常生活中運動的物體速度遠小於光速，因此我們感覺不到相對效應的存在。這點怎麼解釋呢？

加入一個物體（相對於我們）是靜止的。也就是說它在空間裡是不動的，那麼相對於我們，這些物體的空間運動速度是0，所以我們和這些物體在時間維度的速度是一樣的光速，所以我們會跟它們以一樣的速度變老。但是另外一面。如果一個物體相對於我們是運動的，比如汽車從我們身邊駛過，那麼物體運動的轉移意味著它在空間運動速度大於0，所以它在時間速度中就會微小於光速，因為它有一部分運動轉移到空間裡面去了。也就是說，當物體在空間運動時，它的時間會變慢。

如此推演，當物體在空間中的運動速度為光速時，那麼它是時間應該是靜止的，也就是時間的速度為0。那麼，如果物體的運動速度超過光速，我們就可以時光倒流嗎？可惜的是，任何物體的運動不可能超過光速。這是為什麼呢？

質能等價理論是愛因斯坦狹義相對論的最重要的推論,即著名的方程式E=mC²,式中E為能量,m為質量,C為光速；也就是說,一切物質都潛藏著質量乘於光速平方的能量.由此可以解釋為什麼物體的運動速度不可能超過光速。

一個靜止的物體,其全部的能量都包含在靜止的質量中.一旦運動,就要產生動能.由於質量和能量等價,運動中所具有的能量應加到質量上,也就是說,運動的物體的質量會增加.當物體的運動速度遠低於光速時,增加的質量微乎其微,如速度達到光速的0.1時,質量只增加0.5％.但隨著速度接近光速,其增加的質量就顯著了.如速度達到光速的0.9時,其質量增加了一倍多.這時,物體繼續加速就需要更多的能量.當速度趨近光速時,質量隨著速度的增加而直線上升,速度無限接近光速時,質量趨向於無限大,需要無限多的能量.因此,任何物體的運動速度不可能達到光速,只有質量為零的粒子才可以以光速運動,如光子。

好了，總結一下上面的內容。

1：狹義相對論中，運動是相對，時間和空間也是相對的。

2：我們生活在一個四維空間中，以光速在時空中運行。

3：光速是恆定的，任何物體的運動速度不可能超過光速。

廣義相對論

愛因斯坦狹義相對論解釋了時間、空間以及光的性質，闡述了萬物的運動速度極限是光速，但是卻引出了另外一個問題：以光速為物體運動極限的概念與牛頓17世紀後期提出了引力理論是不相容的，因為引力可以瞬間在兩個大大質量星體直接傳播。換句話說，引力的速度是應該超過光速的。經過多年研究，愛因斯坦提出了廣義相對論。在這個理論中，他又一次革新了我們對空間、時間的觀念，他證明它們是捲曲著的，而引力就是那個捲曲的波瀾。

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1642年，牛頓出生於英國的林肯郡，毫無疑問，他是一位科學天才，他對宇宙有無數的發現，其中最為著名的就是萬有引力定律。今天我們知道，我們能穩穩地站在地球上而不會漂浮在太空中，就是地球引力的作用。這樣簡單的常識，在300多年前，沒有人知道蘋果會落下的原理和行星圍繞著太陽公轉的原理是一樣的。

牛頓認為兩個物體之間的引力大小取決於兩個因素：組成每個物體的物質總量和物體間的距離。物體質量越大，引力也就也大，反之越小。並且給出了精確計算引力的方程式，稱之為：引力定律。直到20世紀初，引力定律一直被公認為不容辯駁的真理。

但是愛因斯坦的狹義相對論提出了光速是一切宇宙萬物的運動速度的最大值。但是按照引力定律，兩個物體之間的引力和距離是存在關係的。可以試想太陽突然爆炸之後，原理1.5億千米的地球會立刻脫離太陽的運動軌道，但是光從太陽到地球需要8分鐘，也就是說，引力的速度超過了光速，這顯然和愛因斯坦的狹義相對論是矛盾的。

在牛頓提出引力的同時，他並沒有解釋引力到底是什麼，也沒有說明引力究竟是怎麼發生作用的。兩個物體相隔億萬里，他們憑什麼發生關係的呢？

1907年的一天，愛因斯坦坐在瑞士的一間辦公室里，經過曲折坎坷的思維活動，他終於意識到這個問題的答案。狹義相對論通過相對性原理確立了不同觀察者的觀點都是平等的。物理學定律對一切勻速運動的觀察者都是一樣的。但是對於那些加速運動者呢？愛因斯坦發現利用了空間和時間的彎曲來講加速度和引力聯繫在了一起。讓我們看看他是如何做到的。

愛因斯坦通過一系列實驗首先證明了所有加速度運動時，空間都是彎曲的，而且時間也是捲曲的。而且愛因斯坦發現，引力其實就是時間和空間的彎曲。這就是廣義相對論的思想精髓。

什麼意思呢？當沒有任何物體或者能量時，空間應該在二維平面上是平直的。但是在這個二維平面上，如果有一個很大質量的物體時，這個物體就會讓這個平面凹陷，類似於一個球落入一張網上一樣。地球繞著太陽轉，仿佛有一個繩子將地球和太陽連接在一起。其實就是地球捲入了太陽將空間凹陷的軌道中，我們稱這樣的現象叫做引力的作用。

所以，導致地球和太陽之間的引力的神秘力量，是因為太陽的存在，導致了空間的彎曲。因此愛因斯坦的廣義相對論將空間的彎曲結合在了一起解釋了引力的作用，闡述了引力的動因是宇宙的結構。

所以按照這一理論，如果太陽爆炸了，由於引力的作用，我們地球還是需要8分鐘才知道太陽爆炸的事實。

好了，我們今天講了愛因斯坦的廣義相對論和狹義相對論，今天的內容就是這些，如果喜歡我的文章，請關注「小播讀書」或者分享給您的朋友，謝謝。