相对论到底牛在哪？这次给你讲清楚（2）

　　文/老余
　　上篇，留下了一个让所有物理学家都疑惑的问题：
　　光速啊，你到底是相对于谁的？！
　　比如你坐在400公里/小时（111米/秒）的高铁上，在车厢里以时速700米/的速度射出子弹。
　　相对于你来说，因为你和列车是一体的，子弹的速度是700米/秒，没错吧？
　　如果我站在地面上，子弹的速度应该是高铁的速度+子弹的速度=700+111=811米/秒，这也没错吧？
　　但要是把子弹换成手电筒，你在高铁上打一束光，这束光相对你的速度就是光速本身，没错吧？
　　那站在地面上的我，这束光相对于我的速度还是高铁的时速+光速吗？
　　爱因斯坦说：不是了，这束光于我的速度和你一样，也是30万公里/秒。
　　也就是说，不管你在车上、船上、地面上、还是在太空里，虽然我们有相对速度，可当我们看到任何一束光时，这束光的速度都是299792458米/秒（≈30万公里/秒）。
　　光，与坐标系的运动速度无关。
　　——光的速度，竟然不需要相对于谁，在所有坐标下，竟然是一个恒定不变常数（物理学家用小写的＂c＂表示这个常数）。
　　这就是爱因斯坦相对论要解决的主要问题，当时的论文题目叫《论运动物体的电动力学》，也因为推论出光速在任何坐标系下的速度都是一个恒定不变的常数，他当时还想把相对论叫做＂不变论＂。
　　论证过程复杂且枯燥，这里就不多说了，我们只要记得爱因斯坦的相对论就是为了解答＂光速是相对于谁的？＂
　　答案是：光速不相对于谁，它是一个恒定不变的常数！
　　（科学家是如何验证的？上一篇讲过了，想知道的朋友可以点击「相对论」到底牛在哪？这次给你讲清楚（1））
　　你可能会问：
　　怎么会是这样呢？不同的坐标下，速度不应该是叠加的吗？我们迎着光走，这束光的速度相对于我不应该会更快一些的吗？
　　为何会这样，为何光速在任何坐标系下都不变？
　　迄今为止，还没有人能解释为何会这样。仔细一品，何止是光速这个性质显得怪异，一个带电的粒子做点运动就能产生光，难道这个不怪异吗？地球上从什么都没有，到自然产生单细胞动物，再到现在这么多姿多彩的万物世界，难道不怪异吗？
　　既然一切都很怪异，那光速在任何坐标系下恒定不变，又有什么好奇怪的呢？
　　可为何光速是30万公里/秒，而不是别的什么数字？
　　同样，这一点也没有人能够解释。就像复旦大学教授锋打趣地说，我们这个宇宙可能是一个计算机模拟，因为系统CPU处理能力有限，所以必须给光速设定一个上限。
　　回到相对论，既然光速在任何坐标下的速度都是恒定的，那下面的一些推论你就能理解了，即使这些推论是如此的反直觉，如此的显得＂荒诞＂。
　　本篇主要说一点相对论的＂荒诞＂推论，以及科学家是如何证明这个推论的：时间变慢，到底该怎么理解？ 科学家用了什么方法证明了时间变慢？
　　（一）时间变慢，到底该怎么理解？
　　在说之前，你心里一定要默念三遍爱因斯坦的这个结论：
　　光的速度在任何坐标系下是不变的！光的速度在任何坐标系下是不变的！光的速度在任何坐标系下是不变的！
　　如果不坚信这个，下面的这个逻辑会让你疯掉的。
　　好，我们开始。
　　假设以上是一节未来的高铁时光隧道，这列高铁的时速＂V=0.1c＂(c为光速），这节高铁的长度是＂500米＂，你在车厢里，在最左端打一束光，这束光到达车厢最右端所需要的时间是多少？
　　很显然，因为惯性定理，车在走，车上的光源也在走（你在匀速的车上抛小球和在地面上抛是一样的，也是因为你和球都在相同的惯性之下），所需时间与车速无关，这个计算小学生都会做，即：
　　T(1)=L（车厢长度）➗c（光速）=500/c
　　这个没错吧？
　　如果我在车厢外面看你做这个实验（我俩处于不同的坐标系），那我看到实验全过程所需要的时间是多少呢？
　　按照经典的物理学的解法（现在学生也是这么学的），也很简单：
　　1、在时间T(1)里，这列车走了多远，即：D=速度0.1C✖️时间T(1)=1c/10*500/c=50（米）；
　　2、总时间=总距离➗总速度，即：T(2)=（50+500）➗（高铁速度0.1c+光速c）=550➗1.1c=500c
　　是不是很简单？
　　我们会发现，用传统的方法，在高铁上的时间和在地上的时间是一样的，按照我们的朴素理解，这很好解释：
　　——如果把光源发出光的刹那看作是「事件1」，把光到达车厢另一端的刹那看作为「事件2」，无论是谁看，两个事件之间的时间间隔，肯定是一样啊，这还用说？！
　　之所以下这样的定论，是因为在我们心里——时间流逝是客观存在的，不以任何人的意志为转移的。
　　但爱因斯坦不这么认为，还记得本节开头的那句话吗？
　　——光的速度在任何坐标系下是不变的！
　　也就是说，我在看高铁上的你做实验的算法是错的，因为这个算法里我们把把光速看做了变量，把高铁的速度叠加了进去。
　　按照相对论，光速在任何坐标系下的速度都是30万公里/秒，也就是说我在地面上看你做实验，那束光的速度不是＂1.1c＂，而就是＂c＂。
　　也就是说：T2的时间不是5500/1.1c=500/c，而是550/c。
　　550/c＞500/c。 也就是说，面对同一个事实（光从车厢的一端到另一端），在高铁上的你：
　　——时间变慢了。
　　我们推导出这样一个怪异的结论，唯一用到的就是两点：在我们生活里，速度是变来变去的，所以我们以为所有事物的速度都会变来变去，但我们错了——光速是个特例，它是常数；在我们生活里，一直以为时间流逝是客观的，但我们又错了——时间也并不是对所有人都是一样的，高速运动的物体，时间会变慢。
　　在鸡汤文里，总能看到这样一句话＂在这个不公平的世界里，只有时间是公平的，大家都是一天24小时＂，看来这最后的公平也没能守住。
　　你可能会说，不会吧？我怎么没有感觉到这一点？
　　只是因为我们生活在低速世界里，那个＂慢＂的程度，完全没法感知到。
　　回到相对论，其实以上都是爱因斯坦根据自己的理论纯推导出来的，而一个学说一个理论要归集到科学领域里，是因为它能实验证伪，科学有一套严苛的体系来证明一个学说、理论是不是真科学。
　　比如屠呦呦的青蒿素，就是科学的，因为能证明它的有效性，而很多传统的中药不能归集到科学里，是因为它没有经过严苛的双盲实验去验证。
　　回到＂时间变慢＂这么怪异的结论，科学家找到了一个完美实验证明了这一点。
　　怎么证明的？
　　我们接着往下看。
　　（二）科学家用了什么方法证明了时间变慢？
　　要证明时间变慢，即能观测到，需要两个前提条件：一个事物的速度能快到与光速同一个数量级；这个事物的年龄变化要非常快。
　　当相对论提出36年后，科学家找到了一种完美验证高速运动的物体时间会变慢的粒子，他就是＂μ子＂，这种粒子是电子的变种，它的特性就是生命非常非常非常短，他的半衰期只有2.2微秒（1微秒是百万分之一秒）。
　　先解释一下什么是半衰期，拿μ子来说：就是给你一定数量的μ子，在2.2微秒后它们就死了一半，再过2.2微秒，剩下一半的一半又死了，再过2.2微秒，剩下一半的一半的一半，又死了，就这么衰变下去... ...
　　而利用粒子加速器，这种粒子的速度竟然可以接近光速。
　　由此两点，验证相对论推论——高速运动的物体时间会变慢的时刻，终于到来了。
　　科学家们站在华盛顿山的山顶（高度2千米），他们专门统计那些速度为「0.994c」的μ子，计算出了这些μ子到达海米面需要的时间为6.7微秒。
　　如果这些μ子在静止状态下的半衰期和加速后的μ子半衰期是一样的，在山底海平面收集到的μ子应该是山顶的1/8.5。
　　也就是说，要是在山底收集到的μ子确实是这个数，那爱因斯坦就错了！
　　但如果山底收集到的μ子明显多于这个数量，就说明高速下的μ子半衰期变长了，也就是说高速下的μ子时间变慢了（高速延长了它的半衰期），那就说明爱因斯坦是对的！
　　这个没错吧？
　　我们直接说实验结果：
　　在山底收集到的μ子数量是山顶时的1/3左右，这些μ子真的通过高速运动保持＂青春＂，老得比静止/匀速的μ子慢。
　　1979年，科学家再次做了这个实验，不仅证明相对论的正确，还计算了μ子在0.994c的速度下平均寿命延长了29.3倍，而这个数值，与爱因斯坦的理论公式计算出来的分毫不差！
　　——相对论，不仅是正确的，而且公式非常精准。
　　爱因斯坦，神一般的存在！
　　（三）结语
　　在《星际穿越》里，当主角去了一趟虫洞附近，回来时自己还是那么年轻，而走时留下的十几岁的女儿，已经非常苍老，躺在病榻上。
　　看到现在，你应该能理解了这确实能成为事实。
　　但我要说的是，这并不代表这个爸爸能感知到比地球上的人多出了时间。
　　什么意思？
　　因为对于高速运动的他来说，虽然只过去了几年，在此过程中该吃1000顿饭还是吃1000顿饭，能看100本书还是只能看100本书（虽然地上已经是几十年），而回来后，他的时间流逝程度又和我们一样了。
　　也就是说，他如果能活到80岁，虽然他去过虫洞附近后地球上的人们比他老了几十岁，但最后他自己能感知、能干的事的总和，也是80年。
　　这种感觉与把人冰冻了类似，20岁时被冰冻了，30年后解冻，这30年你是干不了任何比别人多的事的。
　　喜欢思考的朋友到此应该有一个疑问：
　　既然速度是相对的，《星际穿越》里站在地上的女儿看坐在飞船里的爸爸是高速离去的，那站在爸爸的角度，地上的女儿也是在做高速的运动。
　　既然这样，为何是爸爸的时间变慢了，而不是地球上的女儿时间变慢了呢？
　　这一点我们下一篇再讨论。
　　（完）
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