狭义相对论图解（狭义相对论）

• 在相对论出现之前，物理学是怎样的？
• 爱因斯坦是如何提出狭义相对论的？
• E = mc^2 是什么意思？
• 时间膨胀
• 狭义相对论和量子力学

阿尔伯特·爱因斯坦 1905 年的狭义相对论是物理学领域有史以来发表的最重要的论文之一。狭义相对论解释了速度如何影响质量、时间和空间。该理论包括一种用光速来定义能量和物质之间关系的方法——少量的质量 (m) 可以与大量的能量 (E) 互换，如质能方程 E = mc^2 所定义。

狭义相对论适用于“特殊”情况——它主要用于讨论巨大的能量、超快的速度和天文距离，所有这些都没有考虑重力。爱因斯坦于 1915 年正式将引力添加到他的理论中，发表了他关于广义相对论的论文。

当物体接近光速时，物体的质量变得无穷大，移动它所需的能量也变得无穷大。这意味着任何物质都不可能比光速更快。这种宇宙速度限制激发了物理学和科幻小说的新领域。

在爱因斯坦之前，天文学家根据艾萨克·牛顿在 1686 年提出的三个运动定律来理解宇宙。这三个定律是：

1. 除非外力发生变化，否则运动或静止的物体将保持相同的状态。这也称为惯性定律。
2. 作用在物体上的力等于物体的质量乘以其加速度。
3. 对于每一个力，都有一个相等和相反的作用。

根据大英百科全书，牛顿定律几乎在物理学中的每一个应用中都被证明是有效的。它们构成了我们理解力学和重力的基础。

但是有些事情不能用牛顿的工作来解释：例如，光。

1800 年代，为了将光的奇怪行为硬塞进牛顿的物理科学家框架中，他们认为光必须通过某种介质传输，他们称之为“以太”。那个假设的以太必须足够坚硬才能像吉他弦随着声音振动一样传递光波，但在行星和恒星的运动中也完全无法检测到。

这是一项艰巨的任务。研究人员着手尝试探测神秘的以太，希望能更好地了解它。1887 年，天体物理学家 Ethan Siegal 在福布斯科学Starts With a Bang 中写道，物理学家 Albert A. Michelson 和化学家 Edward Morley 计算了地球在以太中的运动如何影响测量光速的方式，并意外地发现无论地球如何运动，光都是一样的。

他们得出结论，如果尽管地球在以太运动中光速没有改变，那么从一开始就一定没有以太这样的东西：太空中的光在真空中运动。

这意味着它不能用经典力学来解释。物理学需要一个新的范式。

根据爱因斯坦的说法，在他 1949 年出版的《自传笔记》（Open Court，1999 年，百年纪念版）中，这位初出茅庐的物理学家在他 16 岁时就开始质疑光的行为。在青少年时期的一次思想实验中，他写道，他想象着追逐一束光。

经典物理学暗示，当想象中的爱因斯坦加速捕捉光时，光波最终会达到相对速度为零——人和光将一起高速移动，他可以将光视为冻结的电磁场。但是，爱因斯坦写道，这与另一位科学家詹姆斯克拉克麦克斯韦的工作相矛盾，他的方程要求电磁波在真空中始终以相同的速度移动：每秒 186,282 英里（每秒 300,000 公里）。

如果从理论上讲，一个人可以赶上一束光并看到它相对于自己的运动冻结，那么整个物理学是否必须根据一个人的速度和他们的位置而改变？相反，爱因斯坦回忆说，他寻求一种统一的理论，使物理规则对每个人、任何地方、任何时候都一样。

这位物理学家写道，这导致他最终对狭义相对论进行了思考，他将其分解为另一个思想实验：一个人站在火车轨道旁边，将雷暴的观察结果与火车内的人进行比较。当然，因为这是物理学，所以火车以接近光速的速度运动。

爱因斯坦想象火车在轨道上的一个点平均位于两棵树之间。如果一道闪电同时击中两棵树，轨道旁边的人会看到同时发生的雷击。但是因为他们正朝着一个闪电移动而远离另一个闪电，所以火车上的人会先看到火车前面的闪电，然后看到火车后面的闪电。

爱因斯坦的结论是，同时性不是绝对的，换句话说，一个观察者所看到的同时发生的事件可能会在另一个观察者的不同时间发生。他意识到，改变的不是光速，而是时间本身。运动物体的时间与静止物体的时间不同。与此同时，宇宙中任何地方的任何人所观察到的光速，无论运动还是静止，总是相同的。

人类历史上最著名和最著名的方程之一，E = mc^2，转化为“能量等于质量乘以光速的平方”。换句话说，能量（E）和质量（m）是可以互换的。事实上，它们只是同一事物的不同形式。

但它们并不容易交换。因为光速已经是一个巨大的数字，而且方程要求它自身乘以（或平方）变得更大，所以少量的质量包含了大量的能量。“如果你可以将回形针中的每一个原子都转化为纯能量——不留任何质量——回形针将产生 [等效能量] 18 千吨 TNT。这大约是大小1945 年摧毁广岛的原子弹。”

爱因斯坦狭义相对论工作的众多含义之一是时间相对于观察者移动。运动中的物体经历时间膨胀，这意味着当物体运动得非常快时，它经历的时间比静止时慢。

例如，当宇航员斯科特凯利从 2015 年开始在国际空间站上度过近一年时，他的移动速度比他的孪生兄弟宇航员马克凯利快得多，后者在地球表面度过了这一年。由于时间膨胀，马克凯利的衰老速度只比斯科特快一点——据地球上的双胞胎说，“五毫秒”。由于斯科特没有接近光速移动，因此时间膨胀导致的实际老化差异可以忽略不计。事实上，考虑到这对空降双胞胎在国际空间站上经历了多少压力和辐射，有人会认为斯科特凯利增加了他的衰老速度。

但在接近光速的速度下，时间膨胀的影响可能会更加明显。想象一下，一个 15 岁的女孩从高中毕业，以 99.5% 的光速旅行了五年（从少年宇航员的角度来看）。当这个 15 岁的女孩回到地球时，她已经度过了她在旅行中度过的 5 年。然而，她的同学们都已经 65 岁了——在这个移动速度慢得多的星球上，50 年已经过去了。

我们目前没有技术可以在接近这个速度的任何地方旅行。但以现代技术的精度，时间膨胀确实会影响人体。

GPS 设备的工作原理是根据与遥远地球轨道上至少三颗卫星的通信计算位置。这些卫星必须跟踪极其精确的时间才能确定地球上的位置，因此它们基于原子钟工作。但是由于这些原子钟安装在卫星上，它们以 8,700 英里/小时（14,000 公里/小时）的速度不断在太空中呼啸而过，狭义相对论意味着它们每天多走 7 微秒，即百万分之 7 秒，根据美国物理学报社会出版物物理中心。为了与地球时钟保持同步，GPS 卫星上的原子钟每天需要减去 7 微秒。

在广义相对论（爱因斯坦对结合引力的狭义相对论的后续）的额外影响下，靠近地球等大引力质量中心的时钟比远离地球的时钟走得更慢。这种效应会在 GPS 原子钟上每天增加微秒，因此最终工程师减去 7 微秒，然后再增加 45 微秒。GPS 时钟不会倒计时到第二天，直到它们比地球上的同类时钟运行总共长 38 微秒。

狭义相对论和量子力学是关于我们的宇宙如何运作的两个最被广泛接受的模型。但是狭义相对论主要涉及极大的距离、速度和物体，将它们结合在一个“平滑”的宇宙模型中。狭义（和广义）相对论中的事件是连续的和确定性的，科里鲍威尔为卫报写道，这意味着每一个行动都会导致直接、具体和局部的后果。这与量子力学不同，鲍威尔继续说道：量子物理学是“笨重的”，发生在跳跃或“量子跳跃”中的事件具有概率结果，而不是确定的结果。

研究人员将狭义相对论和量子力学——光滑的和厚实的，非常大的和非常小的——结合起来，提出了相对论量子力学和最近的量子场论等领域，以更好地理解亚原子粒子及其相互作用。

另一方面，努力将量子力学和广义相对论联系起来的研究人员认为这是物理学中未解决的重大问题之一。几十年来，许多人认为弦理论是研究所有物理学统一理论的最有前途的领域。现在，存在许多其他理论。例如，一个小组提出了时空循环，将微小而厚实的量子世界与广阔的相对论宇宙联系起来。