相对论（7）为什么运动会造成时间变慢，空间收缩？

　　上节课我们说了，当牛顿认为光速变化的时候，那时间和空间就是绝对的。现在我们只要假设光速绝对，那时间和空间就必须变化。
　　首先我们获得的第一个结论就是同时性是相对的，两个不同运动状态的观察者会对两个事件同时发生的时刻产生分歧，一个认为是同时发生的，而一个会认为是一个先发生，一个后发生；
　　由于对事件发生的时刻产生了分歧，那自然也会对事件发生的空间位置产生分歧。所以时间和空间不再是绝对的了。
　　它们会随着观察者运动状态的改变而改变。那么时间和空间如何变化？这就是我们今天的主题：时间膨胀和空间收缩。
　　我们先说时间。
　　时间这东西你说它存在吧，但是你又看不见它，更摸不着它，你说它不存在吧，但是我们能真切地感受到时间的流逝。
　　所以一直以来，我们对时间不好下定义，只能通过外部事物变化的过程来描述时间，或者是测量时间的流逝。
　　比如，一个生物从出生到衰老的过程，你从家里到公司上班的过程，这个过程就是时间存在，以及流逝的表现。
　　但是这些过程不稳定，规律性不强，所以不能用来测量时间的流逝，因此我们需要找一些规律性极强，极其稳定的自然过程来测量时间。
　　人们很快就找到了满足要求的自然过程，比如，地球公转一圈，就是一年，地球自转一圈就是一天，在此基础上我们又把一天划分成了24小时，3600分钟，86400秒。
　　进而我们对秒也做出了非常精确的定义，即铯-133原子基态的电子在两个超精细结构能级之间跃迁产生辐射的周期的9192631770倍，为一秒。
　　由于原子现象的规律性更强，按照铯原子钟的计时，每10亿年才会误差1秒。有了对时间准确的测量，我们才能进一步去了解时间。
　　很早人们就发现时间不仅是在单向流逝（这一点是正确的），而且时间对每位观察者都是公平的，不管你身在何处，处在什么状态，你时间的流逝速度总是和我一样，比如你在银河系外做太空旅行，我站在地球上，虽然你我没有任何联系，但是我会认为，我对一秒的测量结果，和你是完全一样的，你的一秒和我们一秒等长，所以我认为你和我共同经历着同样的时间流逝速度。
　　但是当爱因斯坦假设出光速不变的时间，那么以上时间流逝同速的想法，就要保不住了。爱因斯坦说，运动状态的时间流速会变慢，也就是我们常听说的时间膨胀，时间流速变慢，就意味着你的一秒不在跟我们的一秒等长，而是你的一秒会大于我的一秒。
　　这到底是不是真的？回答这个问题很简单，我们只需要对不同运动状态的时间流逝速度进行测量，然后对比就清楚了。
　　首先我们需要构建一个更为精确的计时装置：光子钟，这个装置非常简单，上下两个镜子，中间有一个光子，在两个镜子之间来回反弹。
　　现在我们定义光子来回一次为一秒，由于光速不变，两个镜子之间的距离又不变，所以这个光子钟可以说是，世界上最精确的计时装置了，没有之一。
　　现在我们把两个光子钟分开，一个放在地球上，一个放到一艘宇宙飞船上，宇宙飞船相对于地球在做匀速直线运动。
　　现在地球上的人观察地球上的光子钟，会看到光子在垂直上下振荡，光子上去再回来为1秒，当我们观察处在运动状态的光子钟的时候发现，运动的光子钟中的光子走过的路径不再是垂直上下，而是走出了两条斜线。
　　这一点很容易理解，如果光子不是再走斜线的话，那光子肯定就跑到光子钟外面去了。从飞船的动图中很容易看到这一点。
　　如果你理解上以上的所有，也承认爱因斯坦光速不变的假设，那时间膨胀也就显而易见，走斜线的光子钟肯定慢，因为光子速度不变，但是走过的路却长了很多。
　　当地面上的光子钟振荡完一秒以后，在我们看来飞船上光子钟中的光子还没有振荡完一个来回，因此在地球上的人看来飞船上的时间要比地球上的慢，至于慢多少，这跟飞船相对于地球的速度有关。
　　利用简单的勾股定理就能很容易地得出，地面上经过的时间tˊ和飞船上的时间t之间的关系。这里就不展开了，直接给出结果。
　　其中1/√1-v²/c²，为相对论因子，也叫洛伦兹因子，日常生活中，由于v相对于c非常小，所以相对论因子基本上就是1，这样就变成了tˊ=t，退回到了经典的伽利略变换，认为相对运动的观察者时间流逝速度是一样的。
　　不过当处理高速问题的时候，相对论因子就不能忽略了，在空间中运行的速度越快，时间流逝的速度越慢，如果当速度变为光速的时候，时间流逝就会停止，也就是时间静止。
　　像光子这样的粒子，在空间中以光速运动，那么时间对于它来说就是静止的，在光子看来，谈论时间没有任何意义，不管多长的时间，都是一眨眼的功夫。
　　就算是宇宙大爆炸时候诞生的光子到现在，对于光子来说，大爆炸就像刚刚发生一样。遥远星系发出的光子经历漫长的时间和空间来到地球，在我们看来这些光子可能已经几十亿岁了，但是对于光子来说，它的诞生到被接收，只是一瞬间的事。
　　如果在空间中的运动速度超过光速，很显然相对论因子就会出现一个虚数（负数的平方根），这意味着，这种情况在现实中没有任何物理意义。
　　这里需要强调的是，超光速并不能让时间倒流，而是没有意义，所以在理论上我们需要禁止超光速的事情发生，至于怎么禁止，爱因斯坦自有妙招，这个我们下节课在说。
　　下面我们接着说空间收缩，既然我们对时间长短的测量不同，那么我们肯定会对空间长度的测量不同，这一点也很好理解，如果只是时间在变化，距离不变化，就不能保证光速不变这个基本假设了。
　　那么空间距离如何变化呢？这就要提到洛伦兹变换了，在说洛伦兹变换之前，我们先看看伽利略坐标变换。
　　现在有一个静止的惯性参照系S系，另外一个参照系Sˊ正在以速度V沿X轴方向运动，那么现在问Sˊ系上的坐标和S系之间满足什么样的数学关系？
　　没错，这就是伽利略变换，小学生都已经掌握的数学关系。但是这样的数学关系，不再适用光速不变下，以相对论速度运动的物体。
　　最早，是洛伦兹老先生发现电子的运动不满足伽利略变换，他在1904年的时候，先于爱因斯坦推导出了新的坐标变换公式，称为洛伦兹变换。
　　从新的坐标变换中，我们看到了刚才推到出来的相对论因子，这也是为什么相对论因子叫洛伦兹因子，因为是洛伦兹最早推出来的。
　　其中的关于时间变化的公式，跟我们刚才看到的略有不同，原因是刚才时间公式中时间是时长（Δt），也就是两个坐标系相对运动，时长之间的关系，而洛伦兹变化中的时间代表的是坐标轴上的时刻，也就是两个坐标系相对运动，时刻之间的变换关系。
　　你会发现，当你把两个时刻的变换公式相减的时候，就会得出刚才我们推出来的时长公式。
　　同样的，我们用洛伦兹变换中关于两个参考系之间坐标的变化公式，也能算出了长度之间关系。
　　只需要简单的把两个变换出来的两个坐标相减就可以了。
　　这个计算非常简单，这里就不展开了，直接给出结果。
　　可以看出，不管v是多少，√1-v²/c²总是小于1，因此只要运动，长度就会收缩，当然v越大，收缩得越厉害，当v达到光速的时候，长度会收缩到一个点。
　　因此对于光速运动的光子来说，它也没有距离的概念，任何距离对它来说都压缩到了一个点上，由于它也没有时间的概念，因此光子去往任何地方不会觉得自己在空间中旅行，也没有觉得自己花费任何时间。
　　如果速度超过光速，我们又会遇到虚数问题，你不能说超过光速以后，空间会发生什么，因为虚数没有现实意义。
　　因此当爱因斯坦得出时间膨胀效应和尺缩效应的时候，也发现了超光速的难题，所以它必须解决这个问题。
　　这就是我们下节课的内容，为什么光速是信息传递速度的极限，或者说为什么物体的运动速度不能超过光速。