王木头讲相对论（相对论是相对的什么）

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今天是王木头讲科学的第5期节目。

来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人，他最擅长给孩子讲有趣的科学。

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同学们家长们大家好，我们继续来讲相对论了。

牛顿没有解决的问题爱因斯坦解决了。引力的产生是因为物体对空间的扭曲，这么抽象的事情用一个床单就能解释清楚。可是这毕竟是床单啊，空间到底又是如何被扭曲的呢？

这个问题的答案就要从相对论这个名字开始说起了，主要是“相对”这两个字。不知道同学们知道不知道相对这个词在我们日常生活中是什么意思，它的反义词是绝对。即使不知道也没有关系，听完我的解释大家就明白了。

最早把相对的概念引入到科学中的并不是爱因斯坦，而是伽利略。之前我们讲过100年前爱丁顿的故事，也讲过300多年前牛顿的故事，这一次我们将要回到400多年前。

有关伽利略的故事大家应该听过了不少。他因为支持哥白尼的日心说，被教皇监禁；他发明了天文望远镜，成为第一个用望远镜看向天空的人，发现了月球上的环形山、木星卫星以及太阳黑子等等天文现象；他还发现了很多运动和力有关的物理规律，牛顿的成绩很大程度就是建立在他的基础的。他也是公认的现代科学之父。

把相对的概念引入到物理中就是他的一个重要贡献，他认为运动是相对的。什么意思呢？举个例子，先问一下，你是喜欢运动还是喜欢静静地看书或是听科学呢？不论你的选择是什么，你应该都能感觉到运动是很累的，静止不动就会轻松，这一点我想大家都不会怀疑。但是你们知道吗？即使你睡觉的时候，也是在快速地运动着的，而且还快得超过了飞机的速度。

这个时候你是不是就开始怀疑了。怎么可能啊，我们睡觉醒来还是在自己的房间，在自己的床上，丝毫没有改变啊。这怎么能说我快速移动呢，还比飞机快，绝对不可能。别这么着急下结论，要是你的床，你的房间和你一起以相同的速度快速运动，这个时候你还能感觉出来吗？不要怀疑你的床和房间也会运动，因为正在运动的是地球本身。

绕地球一圈，在赤道上是4万公里，地球一天也就是24个小时自己就会转一圈。这就是说，在地球的任何东西，不论是床还是房间，或者是你自己都会随着地球转动。如果在赤道上的话，就是坐着不动日行4万公里，相当于是1小时运行1600多公里，一秒钟460多米，超过了声音的1秒钟340米的速度。当然我们不在赤道，在地球其他地方速度会慢一些但仍然是一个很惊人的速度。

这其实就是伽利略指出的运动是相对的。你以为睡觉的时候是静止不动的，这没有错，这是因为你和你的床进行比较。要是和地球外面的某个东西做比较的话，你就是在和地球在一起旋转。这还只是考虑了地球自转的情况。如果是和太阳作比较，地球绕着太阳旋转，速度就更快了，可以到达1小时10万公里。这还不是最夸张的，太阳系整个都是在绕着银河系的中心进行旋转的，如果和银河系中心的黑洞作比较的话，那你睡觉是的速度可就是1小时90万公里了。这还不是最快的，如果加上银河系在宇宙中的速度是可以达到1小时216万公里的。

所以，你还敢随随便便就说你是在静止不动地躺着睡觉吗？按照伽利略的要求，你一定要这说才是正确的，也就是你相对于自己的床是静止的。同样，如果一个东西是在运动的，就比如正在马路上跑着的汽车，速度挺快吧。这是相对于地面，如果是相对于旁边并行的汽车，或者在汽车上坐着的人，汽车就是静止的。

伽利略说的运动是相对的，这个现在来看是不是还蛮简单的？而且应该是绝对正确的，非常符合我们日常经验。甚至我还能根据这个运动的相对性知道更多。你正坐在每小时300公里的高铁上，相对于地面你的速度也是300公里每小时。这时候，你开始在高铁上做游戏，跑了起来。你在火车上奔跑的速度是10公里每小时。那你相对于地面的速度是多少呢？如果奔跑的方向和火车一样，那么你相对于地面的速度就是300 10=310公里每小时；如果奔跑的方向和火车相反，那么你相对于地面的速度就是300-10=290公里每小时。

本来这一切是很完美的，伽利略和他的继承者牛顿也用这个原理解决了很多问题。可是，就当所有人都认为这是绝对的真理的时候。科学家发现了一个特别奇怪的事情。让这个正确了几百年的理论根基发生了动摇。

还是上面动车的例子，不再是你来回奔跑了，跑来跑去你也会很累的，而是用手电筒射出的光线来代替你奔跑。光的速度相对于火车是1秒钟30万公里，动车的速度不变还是300公里每小时。如果我再问，相对于地面，这一束光的速度是多少呢？你是不是觉得，也要先判断一下光线的方向是不是和动车方向一样。如果一样的话，两个速度相加，如果不一样的话两个速度相减。

问题就出现在这里。最后实验证明，不论光线是射向车头还是车尾，从火车外面去看，光速都是30万公里每秒，和在火车里面的速度是一模一样的。光速和火车的速度没有关系。不只是火车上，任何情况下，光速都是不变的。这就是运动的相对性出现了矛盾，光速是不变的，也就是说它是绝对的。这太难以想象了，就好比你做数学题，计算10 10等于几，结果正确答案不是20，而是仍然是10。科学家们看到光速不变，就和你看到10 10=10是一样诧异的。

现实和理论出现了偏差，错的一定不会是现实，一定是理论出错了。这个问题突破了很多人的想象，最后还是爱因斯坦出现拯救了大家。他告诉我们，相对的不是运动，而是时间。运动的越快的东西时间就会过的越慢，当达到了光速的时候时间就会停止了。而且任何物体的速度都不能超过光速，超过光速就会带来时间倒流。这就是相对论了。为什么光的速度不变，就可以推断出时间会变化呢？爱因斯坦是怎么得到这个结论的呢？我们下次再继续介绍。

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