551谁能用通俗的语言解释一下相对论?

 2021年11月22日

不那么客观地说,「相对论」算世界上最难的三个字之一。怎么形容它的恐怖程度呢?你上一次被三个字吓到,可能还是你的学生时代——

如果非要给狭义和广义,加上一个恐怖程度的区分,那分别是——

好了,废话少说,咱们直奔主题,啃一啃这个难题。

相对论到底是干啥的?

首先你得掌握一个大前提:知道相对论为什么难。

因为在相对论的世界里,你跟盲人没啥区别。

我们知道,物理学家这个物种,脑壳里有着丰富的想法,他们能想到你想不到的、看到你看不到的。比如在他们眼里,世界有三个尺度:

咱们只能感受到中间这个尺度,其他两个太小或太大,接触不到,所以很难被理解。

不过不用怕,跟着混子哥飞到科学最高处,非常通俗粗略地概括一下。

狭义相对论主要说的是:你跑得越快,衰老得越慢。

广义相对论主要聊的是:

引力不存在,其实是时空被某种东西扭曲了……

咱们展开讲讲。

一、狭义相对论

在爱因斯坦之前,大家都觉得,时间和空间老公平了,对谁都一样,一天就是一天,一米就是一米,谁也不多谁也不少。

这叫绝对时间和绝对空间。

牛顿的那些理论,就是建立在绝对时间和绝对空间的基础上。

结果爱因斯坦出来反驳了:

每个人都有自己的时间。

这句话怎么理解?

混子哥总结了一句不那么严谨但方便你理解的话:

光速在任何时候都是不变的。

严谨地说,应该是在任何惯性参考系下光速都是不变的,大概就是说在匀速直线运动和静止状态下,光速不变。

这是狭义相对论的基础前提。了解个大概就行。

如果你书读得少,我来告诉你这句话啥意思。假设阿猫在车上打开手电筒,

阿狗在车外面看着。

光从手电筒射到车厢上,阿猫看到的光速,和路边阿狗看到的光速是一模一样的!

但按照常理,阿狗看到的光速应该是这样的:

这叫速度叠加原理。

而且对他们来说,光走过的路明明不一样。

看起来,同一段时间观察同一束光,速度一样,位移应该一样,但实际却不一样!

问题出在哪里了呢?来,我们大家跟着阿猫阿狗一起懵!没关系,当年爱因斯坦也懵了,不过人家后来想明白了。

阿猫和阿狗经历的时间,其实是不一样的!

阿猫打开手电筒射车厢上,它做这件事花了 1 秒。

阿狗在旁边看着阿猫做完这件事,却花了 2 秒。

看明白了吧,很明显阿猫的人生变慢了,赚了啊!

但为啥我们平时感觉不到呢?

因为速度太慢。把阿猫的车换成复兴号高铁,阿猫和阿狗能感觉到的时间差,可能也只有十亿分之一秒。

平时生活中你感觉不出来,说明你很正常,只有车速接近光速,感觉才会明显。

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你可以理解光速是用来计时的。你跑得越快,你相对别人的时间就慢,这叫时间膨胀,也叫钟慢效应。

除了会有时间膨胀,还会出现长度收缩和质量变大的现象,这里混子哥就不多说了。

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当然了,在日常生活里也是感觉不出来的。速度越接近光速,这些现象就越明显。

好了,恭喜你,已经搞懂了相对论……的核心内容。

虽然每个人都有自己的时间轴,但通常情况下,大家会像被梳子梳理过一样,比较整齐。

于是你下班的时候,我也要下班。

可尺度一大,就容易抓瞎,速度越接近光速,每个人的时空差异就越明显。有的相对快,有的相对慢。

这个情况就容易造成悲剧。

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实际情况不至于这么夸张,需要取决于你我的位置和速度等状态,但大致就这么回事。

像爱因斯坦这种天才,人生格言就是「生命不息,想象不止」,他就想了,运动会让时间和空间变化,那么运动会让质量和能量变化吗?

于是他提出了那个网红公式:质能方程

很熟对吧?知道这个很牛吧?表面上看也很简单,不超出小学乘法的课纲。

咱们先来看这个公式啥意思。爱因斯坦觉得,任何东西既有质量,也有能量,这俩是同时存在的属性,就像一个人,有身高,也有体重。

于是想知道一个人有多少能量,不用听他嘴上说什么,上个秤,得到他的体重,算一下就好。

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光速大家已经知道了,约等于 300 000 000m/s,很好算吧。

你可能还好奇一个问题,这玩意儿不是用来造原子弹的吗?

其实不是,质能方程跟造原子弹没啥关系,它只是能算出原子弹的威力。

简单地讲,原子弹靠的是核裂变啥的,中间的过程很复杂。你只需要知道,原子弹一爆炸,就有部分质量消失了。

那消失的质量去哪儿了呢?

重点来啦,其实质量没有凭空消失,而是以能量形式释放出去了。

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这里要注意,不能说质量变成了能量,它们不是转化关系。

质量与能量同时存在,是等价的,所以要说以能量形式释放了。

那能量有多大呢?

这时候咱们用上面的质能方程就能算出来,而且因为光速的值极大,就算一点点质量,也能释放巨大的能量。

所以原子弹威力才能如此恐怖。

二、广义相对论

讲这个,咱们还得请出家住牛家村的牛顿。

据说有天他坐在村头苹果树下,被苹果砸了,于是他说,万物之间有种力,叫万有引力。

以咱们的地球为例,起初他是个无忧无虑的追风少年。

但是拗不过太阳的引力,就只有被牵着鼻子遛弯的份儿,这就是传说中的公转。

这个大家都学过,万有引力揭示了一个宇宙真理:吨位决定地位,谁减肥谁脑子进水。

可是爱因斯坦又跑出来唱反调。

是胖子太胖,扭曲了时空,瘦子自己站不住,溜过来的!

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爱大爷的解释是这样的:世上根本没有引力,引力本质是质量扭曲了时空。

啥意思呢?

至于扭曲程度,取决于物体的质量。这事儿就好比玩蹦蹦床。

时空就像蹦床上的网,一旦时空被扭曲了,就会影响周围的东西。

扔一个橙子,橙子就会绕着熊孩子转,同理,地球也这么绕着太阳转。

这就是爱因斯坦广义相对论大概的核心内容。

奇妙不?咱们常识以为,地球绕太阳公转,是因为引力。

但用广义相对论解释就是:太阳太胖,压弯了时空,地球是自己溜过去的!

这话听了,搁谁谁不蒙啊!大家纷纷要证据。证据是啥呢?

日全食的照片可以证明。故事是这样的:当日食的时候,所有人都在看太阳,科学家们却盯着其他地方。

日食发生时,天空一片黑,

白天的时候也能看到星星。

如果太阳周围的时空被扭曲了,那么星星的光线经过时就会拐弯……

在地球上看就是星星的位置改变了。

等到半年以后,地球绕到太阳的背面,就会发现星星的实际位置。

这时候有人就不服气了,这事儿万有引力也能解释啊!不就是光线被勾引着拐了个弯吗?

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真别不服,后来爱因斯坦设计了一通非常复杂的计算,结合其他天文学家的观测,证明了广义相对论。

爱因斯坦厉害就厉害在这儿,他凭着一脑之力,愣是想出了一个复杂的宇宙,最后还能被科学证明不是乱说!

好了,爱因斯坦的相对论就简单讲到这里,具体原理其实很复杂,还涉及很多数学计算,混子哥也不给你多讲了。

最后照例做个很学术的总结吧,让你出门跟别人聊也能显得专业。爱因斯坦的成就主要体现在统一这件事上:

相对论统一了时间和空间、质量和能量。

用爱因斯坦的一句名言结个尾吧:想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力是无限的,它包含了一切,推动着进步,是知识进化的源泉。

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