还是不明白相对论是啥意思？来看看最全面的解释！（上）

　　物理学的重要研究对象之一就是研究物质的运动规律。自从伟大的牛顿被苹果砸头之后，人们普遍将牛顿三定律奉为物质运动规律最完美的诠释，直到爱因斯坦的出现。这位外星人用他的奇思妙想对牛顿定律进行了更科学的修正，并且严重的冲击了牛顿定律框架下的绝对时空观，爱因斯坦的这种奇思妙想就成了后来的相对论。这个颠覆又晦涩的理论，过了一百多年，直至今日还是有不少朋友对它迷惑不解，今天阿怪就试着为大家解开这其中的奥妙。
　　相对论诞生的背景19世纪后半叶，光速的精确测定为光速不变提供了实验依据；1865年，麦克斯韦的《电磁场的动力学理论》证明了电磁波的传播速度只取决于传播介质的性质，为光速不变提供了理论依据；1890年，赫兹根据《电磁场的动力学理论》，明确提出电磁波传播速度（即光速）与波源运动速度无关，此观点的理论支持虽无破绽，却与伽利略变换原理（也叫速度叠加原理：两物相向运动速度相加，同向运动速度相减）形成巨大矛盾；18921905年，洛伦兹、拉摩、彭加勒等科学家试图解释以上矛盾，但始终未能跳出绝对时空观的框架，没有给出逻辑自洽的解释；1904年，彭加勒第一次提出了相对性原理。
　　直到1905年，爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文中，提出了崭新的时空观，并且完美的解决了光速不变与伽利略变换之间的矛盾。后来爱因斯坦称该理论为相对性理论，简称相对论，再后来又改为狭义相对论。十年后，爱因斯坦又提出广义相对论将相对性理论推广到非惯性系（具有加速度的参考系）。
　　年轻时候的爱因斯坦狭义相对论狭义对应于惯性参考系（相对静止或做匀速直线运动的参照系统）。狭义相对论研究的是不同速度的两个惯性参考系内，彼此的时间与空间的关系。狭义相对论的两个前提假设：狭义相对性原理：除引力外的力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律在所有惯性系中均等效；（把引力排除在外是因为，狭义相对论研究的是惯性系，如果考虑引力，必然就会产生加速度，变成非惯性系了。所以，狭义相对论跟万有引力定律是两条平行线，它还不能处理解决有加速度的问题。）光速不变原理：光在真空中总是以确定的速度c传播，速度的大小同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关。
　　1887年，迈克尔逊莫雷实验，证明光速不受地球速度影响
　　解释以上实验结果（光速不受地球运动影响）与伽利略变换原理之间的矛盾
　　太多物理学家为了解释这个矛盾而绞尽脑汁，爱因斯坦也是如此。而爱因斯坦智慧的地方就在于，当他发现顺着这个问题无论如何都找不到答案的时候，他决定把问题倒过来去思考：先不管这个矛盾，直接假定（真空中）光速在任何情况下都是不变的，再根据其他运动力学定律在这个前提下去推导，看看会出现什么结果。
　　结果是相当惊人的！在光速不变的前提下，爱因斯坦发现运动的物体时间会变慢，长度会缩短，质量会增加！
　　于是，相对论应运而生，为人们揭示了一个隐藏在现象背后的时空规律。接下来阿怪就带着大家跟爱因斯坦一起在狭义相对论的世界中推导出物体时间变慢、长度缩短、质量增加的奥秘。
　　时间的相对性（钟慢效应）
　　车上车下的人发现光运动的时间不同
　　看图说话：车上人观察到光从红点发出经过车顶的镜子反射再回到红点的用时是t（上）2hc，而车外站在地上的人观察到光从红点发出经过车顶的镜子反射再回到红点的用时是t（下）2h（c4v），只要小车的速度v（相对于地面）不为零，那么t（上）就必然小于t（下）。再表述一次，车上人以运动的车为参考系，车下人以地面为参考系，在同样一束光的行进路程中，车上人观察到光的用时比车下人短，举特例讲车上人1秒钟相当于车下人1。1秒钟，简而言之，车的运动速度让它本身的时间变慢了。
　　我们再来看一个神奇的实验同时发生的事其实不同时
　　火车内外的人发现开关打开的时间不一致
　　看图说话：在匀速行进的火车中间有个发光器向火车两头同时发出光束，火车两头的光敏开关接收到光束就会打开。在火车里面的红人看来，火车两头的开关是同时打开的（因为光到两头的距离相等）；而在火车外面的黄人看来，火车尾的开关要先于火车头的开关打开（因为光到车尾的距离比到车头短）。同样一个事件，在红黄两人看来竟然得出了两个截然不同的结论，所以在相对论的世界中，同时与否不再是一个绝对的概念，而取决于你选取的参考系。
　　空间的相对性（尺缩效应）
　　思想实验：一飞船以12光速向火星飞行（火星距地球约5光年），地球上的人看来，飞船要10年后能到达火星；由上面时间相对性的结论可以知道，飞船里的人时间过得更慢，实际只用了8年就到达火星了，结果是，在飞船里的人看来只飞行了4光年（12光速8年）就到达了5光年外的地方，换句话说，飞船的速度让两地的距离缩短了。
　　对于这个问题阿怪再给出一个更简单的理解办法：学过初中物理，我们就知道速度、距离、时间三者是紧密联系在一起的，根据相对论对于时间相对性的考虑，时间变慢了（而速度不变），距离势必会跟着变短（距离时间速度）。
　　也许看到这里，大家会产生疑问了：你上面的解释都是思想实验、理论推理，到底现实生活中有没有实实在在观察到时间变慢、距离变短的现象呢？
　　你别说还真有！
　　介子穿越大气层
　　自然界中存在一种基本粒子叫介子，它是由宇宙射线与地球大气相撞击产生出来的，科学家在实验室也能通过粒子撞击来制造。介子的寿命（即衰变期，这里的寿命是在实验室里介子静止状态下测定的寿命）只有2。20微妙，运动速度为0。998倍光速，我们能理解情况下，介子最多运动600米左右就会消失，但是它却能穿过约6000米厚的大气层到达地表然后被科学家探测到。这个现象就说明了，高速运动的介子其时间相对于地球时间大大减慢，同时在介子看来6000米厚的大气层只有不到600米。
　　现在我们再来看这个小节提出的实验结果与伽利略变换原理之间矛盾的问题，回答就变得容易了：
　　因为实验过程中地球具有一定的速度，这就使得时间、距离等因素本身产生了变化，光在这种环境中（参考系中）经历的实际时长与距离也相应的变化，所以最终测得的光速是不变的，与伽利略变换原理并不矛盾。
　　不知道各位朋友看到这里有没有发现一个巨大的逻辑漏洞呢？是的，我实际上是用一个假设（即：光速不变）推导出了一个结论（运动的物体，其时间、长度等会变化），再用这个结论返回去证明假设，整个过程中，核心问题光速为什么不变始终没有得到解决。那我的这番操作是不是毫无意义呢？
　　当然不是的！不然爱因斯坦的这番逆向思维就不会创造出一个多世纪的辉煌！原因在于人们对物理学包括其他科学的研究都是基于自然现象的实际观察或实验结果，然后从中发现规律并推导出结论，然后用得到的结论继续一步步探究其他问题，如此往复，科学的大厦就这样慢慢建成。但在这座大厦的基层，存在许多暂时无法解释的基本现象（比如为什么物质具有惯性、为什么存在万有引力等），光速不变自然也属于其中之一，为了能继续往下探究，人们就把这些基本现象作为定理，以此作为基础，继续修建科学的大厦。
　　科学的大厦
　　质量的相对性（质速关系与质能方程）
　　质速关系的定量表达方程式对于质量的相对性，其推导过程涉及的公式比较晦涩难懂，为了便于大家理解，阿怪试着用文字为大家描述。
　　我们初中就学过质量是物质惯性大小的量度，而惯性是物质保持自身运动状态不变的本性，换句话说质量越大的物体惯性越大，作用力对它速度的改变效果就越弱。
　　对于两个完全相同的小球，一个相对于地球静止（1号球），一个相对于潘多拉星球静止（2号球），现在用相同的力作用在两个小球上使它们的速度分别增加了v1和v2，接下来两个小球飞行一段时间后，1号球飞行s1米，2号球飞行了s2米。如果潘多拉星球相对于地球速度是v0，那么2号球相对于地球速度就是v2v0，是大于1号球的，由之前的空间相对性我们知道（以地球为参考系）2号球速度比1号球更快，它的距离会变短，于是得出s1gt；s2，最后得出v1gt；v2。那么根据惯性与质量的定义，我们不难得出，完全相同的两个小球，相对于地球，速度更快的2号球质量比1号球要大（也可用时间相对性来给出类似说明，只是稍微要多转几道弯）。这就是质量的相对性，即质速关系：对于同一个惯性参考系，物体的速度越大质量也越大。
　　简述质能方程
　　在狭义相对论世界里，物体动能Emcm0cmc
　　这个方程的意思是：一个物体的总质量m，包含了一个动质量m，和一个静止质量m0（这点根据上面的质速关系很好理解）。同时也暗示，一个静止且质量不为零的物体，存在一个固有能量m0c，这就是质能方程Emc的由来。
　　关于质能方程，阿怪只想说一点，其实质能方程体现的仅仅是物体的固有能量跟物体质量之间存在正比的数量关系，或者说物体的固有能量可以用其质量进行量度。这个方程并不能表明物质与能量之间可以互相转化，更不能说能量跟质量是一回事！这个问题非常容易混淆，以至于有段时间阿怪的物质观有相当多的矛盾之处。
　　说到这里就不得不提一下核聚变中质量亏损的问题，不少人们都认为核聚变释放的能量是由于亏损的质量转化而来的，实际上质量的亏损并非消失，而是转化成了新生成核的动质量和光子的动质量；那么核聚变释放的能量又从哪里来的呢？很简单，就是由聚变前物质的固有能量转化而来的！可以看到，在核聚变过程中，能量与质量分别遵守各自的守恒定律。所以说核聚变的实质其实还是质量之间的互相转化，同时能量之间的互相转化，并不违背质量守恒与能量守恒。
　　未完待续
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