讓普通人看得懂的相對論——狹義相對論完結篇

今天，我們來把狹義相對論講完。

上一講，我們說到，麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組後，闖下“彌天大禍”，引出了一個無人能解的物理學危機，即，方程組中的光速是相對於誰的問題。

而，開了掛的愛因斯坦，憑一己之力，提出了一個驚世駭俗的理論，光速在任何坐標系下都是不變的，哪怕因此可以推導出時間在不同坐標系下會變化也在所不惜。

可是，不對啊，我們日常生活中，明明有很多的運動的情況啊，我們坐汽車，高鐵，坐飛機，下來以後，也沒有變年輕啊，我們拿表出來一對，時間還是非常準確，沒有絲毫誤差，你愛因斯坦憑什麽說，時間在不同坐標系下是不一樣的呢。

愛因斯坦說，很簡單啊，因為光速實在是太快，你那點速度跟光速比，塞牙縫都不夠，所產生的時間誤差當然極其微小，你們愚蠢的人類完全無感知那實在是太正常不過了。

聽到這裡，有沒有感覺有點不太對勁。這不就像是玄學了麽，你提出了這麽個理論，然後跟我的感覺不一樣，我提出疑議，你就說是我感覺出的問題。像不像我去求菩薩保佑我發財，結果我沒發財就去找小和尚理論，小和尚說，這都是因為你心不夠誠，夠誠了自然就靈，自然就發財了。

然而，科學之所以是科學，就是它有辦法判斷對錯。科學方法首先是一套判斷對錯的方法。

很多人曾經跟我說過，我年輕的時候也是相信科學的唯物主義者，但是年歲越長，越發現，科學有他的局限性。有很多事情，科學沒辦法解釋，我們老祖宗留下來的東西，不服不行。

但是，說這種話的人，都誤解了科學的本質，他們以為科學是一個個具體的結論，是生病了要打針而不能拜神仙，下雨是空中水蒸氣聚集，而不是雷公電母發怒，這樣的一個個具體的知識。

不是的，科學最核心的本質，是科學方法，強調的是實證的精神。具體來說，必須要有辦法證實或者證偽的理論，才能是科學結論。如果，受限於時代局限，無法馬上證實，那就會被歸入假說行列，等待後人解開謎題。這種講究實證的精神，才是所有科學的深層內核。

而，只要是被主流科學家普遍接受的科學結論，他就是在這個時代背景下，最“正確”的理論。而相對論，就是這樣一個理論。不是說，未來不會有更好的理論取代他，而是在現有的實驗驗證範圍內，他是一個特別對，特別好的理論。

那是什麽樣的實驗支撐了他這些反直覺的結論呢？

回想一下，我們剛剛說他像玄學的原因是什麽。愛因斯坦說，光速在任何坐標系下，都是恆定不變的，而如果是這樣，那時間就會是在不同坐標系下有所不同的。具體來說，在一個運動的坐標系下，時間會變慢，反之則更快。換句話說，如果一個人一直在以很高的速度在運動，而另外的人都老老實實在地面待著，他就能比別人老的慢。但是這個效果非常非常不明顯，以至於我們完全感覺不出來。

那為什麽感覺不出來呢？主要原因是，沒有人能以接近光速的速度在運動，然後測量他的年齡變化。但是為什麽非得是人呢？我們想要的只是，一，能以接近光速運動的東西，二能分別測量他們的年齡，有的呀，自然界裡是存在這種東西的。

物理學家選擇的是一種叫做“μ子”的例子，他有個特點，非常短命。一個μ子很容易，無緣無故地衰變。而這個衰變是很奇妙的現象，粒子是不會變“老”的，無論他存在了多久，他總是以一個固定的概率衰變。具體來說，每2.2微秒（一微秒是一百萬分之一秒），就會有一半的粒子死掉，而剩下的這一半，半衰期還是2.2微秒，也就是再過2.2微秒，會死掉一半的一半。就這樣，他會一直以一個固定的速率衰變。

而他的另一個特點，就是，因為粒子特別小，所以可以被加速得非常接近光速，因此相對論效應就應該會特別明顯。

於是，科學家是這麽乾的，他們找到了一座山，山頂和山腳的距離大概是2公里，被加速到0.997倍光速的μ子從山頂到達山腳，大概需要6.7微秒。實驗的思想很簡單，先在山頂測量一下一堆μ子的個數，然後把他們發送到山底接住，然後再測量接住的μ子的個數。

因為6.7微秒是好幾個半衰期，理論上山底接收到的μ子應該是山頂的8.5分之一，其他的都死掉了。但是由於相對論效應，高速運動的μ子時間應該是變慢的，所以實際接收到的μ子數，應該比8.5分之一多很多，相當於說，他們利用高速運動，延緩了衰老。

在這裡稍微緩緩，我們再捋一遍。剛剛那段是在說，如果山底接到的μ子數，依然是原來的8.5分之一，那愛因斯坦就是在扯犢子，大家該幹嘛幹嘛，如果比8.5分之一多很多，事實上，可以用公式計算出來，剩的數量應該是原來的1.3分之一。如果是1.3分之一，相對論效應就被完美證實了。

結果，一翻兩瞪眼，1.3分之一。和相對論預言的結果，在數值上都絲毫不差。

相對論不但正確，而且非常精確。

回想一下，整個相對論的發展歷程，你會發現，這個理論沒有那麽神秘，那麽難解，他只是有點反直覺。他當然裡麵包含了很多複雜的公式，但其思想卻其實挺簡單的。

最早的最早，有個叫伽利略的人，提出，所有運動的物體談速度都不能脫離參照系。速度是一個相對的概念。大家把這一準則套到生活實踐中的方方面面，發現非常合理適用，於是被普遍接受了。

後來，有個跟力學沒啥關係的，研究電磁學的人，提出了一個麥克斯韋方程組，在他的電磁學領域一統天下，並根據他的方程組推出了光其實就是電磁波的結論。

然而，他也留下了一個巨坑，就是他方程組裡的光速，是相對於誰的這個問題無法解釋。和伽利略的那個體系出現了矛盾。

在眾人無計可施之時，天才少年愛因斯坦，提出了相對論，指出，光速在任何坐標系下都是不變的，雖然因此會推導出一些匪夷所思地違反我們直覺的結論，但那是因為我們都生活在宏觀低速的環境下，因此才無法體會到相對論效應。

為了，證實這一理論，科學家設計了一系列實驗。在實驗下，不僅證實了相對論效應，更發現相對論的公式預測都準確無比，從此，這個理論被廣泛接受了。

當然，相對論還有很多其他反直覺的結論，比如運動的物體會變短，“同時”其實是個幻覺等等，這裡就不一一展開了。

講述相對論，讓我感受最深的一點就是，科學的魅力，在於有一個最終的裁判。他的結論一旦被證實或者證偽，就相當於裁判做出了判決，無論這時候，你服不服，你喜歡不喜歡，你都只能接受。

在這個處處都是不確定性的世界裡，突然有了這樣一種確定性，我認為，是一種幸福。

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