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先問一個問題，地球是平的，還是圓的？大家都知道是圓的，那請再思考一下，為何馬路如此平坦？早期人們認為地球就是平坦的，因為在古人的視野中，所觀察到的地球曲率微不足道，除非通過精密的儀器來測量。 ... 《狹義相對論》也是如此，因為在日常生活中，我們所接觸的一切事物，如果利用《狹義相對論》來計算更精確，但是與我們原本的常識之間的誤差，更加微不足道，除非利用更加精密的儀器，否則你要突然蹦出來一句「時間是相對的，我的時間比你走得慢」，肯定分分鐘讓吐沫淹死。實際上狹義相對論並非難以攀登，就是一層窗戶紙，捅破了也就破了。下面我們開始捅： 你無法判斷船是否在動 要講《狹義相對論》，我們就要先講一下相對運動，很簡單兩張圖。兩個小孩在一個密閉空間裡面扔球玩，沒有窗戶，看不到外面的世界。 其中一個小孩說：「我們應該在屋子裡，因為我們沒有感覺到這個空間在動。」 ... 另一個小孩子說：「不對，我們也有可能在一架勻速行駛的汽車上或者一艘勻速行駛的船上，只是我們速度恆定，並不受力（合力為零），所以我們沒有推背感。」 ... 大人說：「你倆說的都挺對，因為無論是在地球上靜止的房子裡，還是在地球上勻速運動的空間中，物理性質都是一樣的，拋出去小球的軌跡也是一樣的，除非看到外面世界，觀察外面的參考物，例如：山水、樓房，才可以判斷我們的狀態。」——這是相對論背後的核心思想，也是為什麼我感覺不到地球圍繞太陽的運動或太陽系在銀河系中運動的原因。 這個思想源於在比薩斜塔上扔球把亞里士多德給否了的伽利略，他說想要確定物體動沒動要先找一個參照物。 人在小車上，小車開在馬路上，小車對人說：「你沒動」，馬路對人說：「你動了」。 小女孩2m/s的速度，追前面3m/s的小男孩，問小女孩能追上嗎？我們可以通過速度相加或相減得出結果。3-2=1>0，所以追不上，以1m/s的相對速度，越落越遠。小女孩相對於地面2m/s,相對於小男孩1m/s，參考物不同速度不同。可見在不同人看來，一個簡單的問題，結果是不一樣滴。 愛因斯坦來了——光速不變原理 如果一切都這麼簡單，那我們日子也能舒舒服服的不同廢那麼多腦細胞。然而在十九世紀末，人們發現了一件奇怪的事情。光是一個特立獨行的孩子，誰的話也不聽，誰也影響不了它。它永遠保持一個速度3×10^8m/s。無論是馬路看來，小車看來，車上的人看來，還是小男孩，小女孩看來，它都是一個速度，它也不跟你相加或相減，一貫我行我素。 時間也是相對的 愛因斯坦知道了便說：「如果光速是絕對的，對誰來說都不變，那麼我的時間就不是你的時間了」。聽不懂？沒關係，這次用動圖翻譯一下：一對雙胞胎小女孩，她們都有一個「光鍾」，這個光鐘上下是鏡子，一束光在裡面彈來彈去，當光撞到底部時會發出「嘀」一聲，撞到頂部會發出「嗒」一聲，於是一個小女孩的光鍾就這麼嘀嗒嘀嗒的，在靜止的地面走著。 ... 另一個小女孩帶著她的嘀嗒鐘上了飛船，因為飛船是勻速的飛行，根據伽利略的相對性原理，所以無論是靜止在地面上的光鍾，還是飛船上的，它倆物理性質是一樣的。然後地面上的小女孩就發現了一件她百思不得其解的事情，在她看來飛船上，光鐘的光走的是斜線，她自己在地面上的鐘卻是直上直下的。 ... 它倆走的路程卻不一樣，所以嘀嗒的節奏也不一樣： 地面上：嘀----------嗒! 飛船上：嘀-------------------------嗒! 聽聲音都知道飛船上的鐘走得慢。 ... 有人肯定要說，飛船上的光子的速度，還摻雜著飛船的速度，它的速度應該快於光速（有靜質量的物質無法超越光速），雖然路程長了，但速度也快了，所以嘀嗒聲是一致的，應該分解一下，例如： ... 但是愛因斯坦說了，光速不變，光速是特立獨行的，不會和任何速度疊加，光子走的路，就是靠自己的速度走的，斜線方向的速度就是純光速3×10^8m/s，這就是光的特性。所以結論就是飛船上的時間走得慢，這種效應稱為時間膨脹。您速度越快，時間就越慢，當小女孩回到地球，就會比地球上的小女孩年輕。 ... 經常出現的疑問 是不是坐飛機，坐高鐵我就比別人年輕？ 就像我開頭提到的，早期人們認為地球就是平坦的，因為在古人的視野中，所觀察到的地球曲率微不足道，除非用精密儀器。我們所認為的年輕，需要達到一個很快的速度才會出現明顯的年輕，下圖就是運動產生影響關係。在《狹義相對論》中有一個修正因子（洛倫茲因子），是用來修正高速運動時物體的性質及時間產生的變化，當修正因子約為1時，也就是不需要修正，所以在日常生活中，由於飛機、高鐵、飛船速度都遠遠小於光速，所以微不足道的時間變慢，我們是無法感覺到的，就像我們感覺不到地球是圓的。 ... 時間流速慢，是否可以永生 所謂相對時間變慢，就如同你的一生，對於別人來說是一部電影，電影的時長就是你的一生，當看到高潮部分（高速運動），觀察者發現你降慢了速度（時間流速慢），動作和嘀嗒鍾一樣遲緩，然而你的一生的長短對於自己來說還是那麼長，因為電影的時長是不變的，你也可以理解為把一把格尺拉長了，雖然單位間隔變大了，但是尺子總長的示數並未改變。 ... 地面上的女孩時間也變慢 還有很多人有這樣的疑問，飛船相對地面勻速運動，地面小女孩看到船上光子走斜線，因為伽利略的相對性原理，地面也相對於船運動，那麼飛船上的女孩看到地面上的光子也走的是斜線，她會發現地面的鐘走得慢，它倆互相看，都發現對方走得慢，為什麼飛船上小女孩回來就年輕了？ ... 因為小女孩出發時和回來時落地時，飛船經歷了加速和減速的過程，打破了相對性原理的對稱性，改變了它的參照系，在飛船內部進行的加速和減速實驗將表明，有些東西正在發生變化。如果要完全解釋就涉及到更高階的《廣義相對論》等效原理，就是用來解決不對稱的問題，由於篇幅，next time。 ... 光速不變原理怎麼來的 還有人可能會問，光速不變原理怎麼來的，是測出來的。如果要解釋光速不變原理有點超綱，可以寫一部關於伽利略、牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋等大佬的愛恨情仇，這裡簡單說一下。光是一種電磁波，根據麥克斯韋電磁的方程組，可以求得一個電磁波速度的解： ... 這個解是兩個物理測量值的函數，即真空的介電常數（ε）與磁導率（μ），都是測量下的客觀值，是常數，所以光速也是常數，是一個性質，是絕對的。除此外，邁克遜莫雷實驗也證明了光速不變，這些都是1900年以前就證實了的事情。 ... 狹義相對論 《狹義相對論》，除了時間膨脹，即鐘慢效應，還有尺縮效應，質增效應，質能等價方程等等，這些都是基於兩條公理：相對性原理，光速不變原理。 來源：科學美少男，侵刪

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