相對(duì)論的誕生：借助想象力

崖子

源于一個(gè)大膽想象

今天，恐怕沒(méi)人相信“天圓地方”，然而以前人們都這么認(rèn)為。這要感謝前輩先賢，如哥白尼、伽利略、愛(ài)因斯坦，他們大膽的想象力和勇氣，改變了我們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。

愛(ài)因斯坦的想象更為大膽。他在頭腦里，構(gòu)建了一處獨(dú)一無(wú)二的實(shí)驗(yàn)空間，一切實(shí)驗(yàn)都在這個(gè)空間進(jìn)行。這種思想實(shí)驗(yàn)最終得到了令人難以置信卻無(wú)法拒絕的結(jié)論。這就是相對(duì)論，它顛覆了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)，也顛覆了人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。

16歲時(shí)，愛(ài)因斯坦就進(jìn)行了一次大膽的想象。這想法是，如果一個(gè)人以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)看到什么現(xiàn)象？從那以后，愛(ài)因斯坦開(kāi)始了對(duì)時(shí)空本質(zhì)的思考。

升級(jí)版的伽利略之船

伽利略也做過(guò)思想實(shí)驗(yàn)，而且深深影響了愛(ài)因斯坦。

當(dāng)時(shí)伽利略向人們解釋為什么我們感覺(jué)不到地球在轉(zhuǎn)動(dòng)，他想象有一艘船在海上航行，船上有一間封閉船艙。如果人們?cè)诖搩?nèi)活動(dòng)，與停在港口相比有什么區(qū)別？

實(shí)際上沒(méi)區(qū)別，船艙里的人們并沒(méi)有感覺(jué)到船在航行，只有看到船外的參照物時(shí)，人們才能確定船是否在航行。同樣，地球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所有一切都隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，如果不把太陽(yáng)、星星作為參照物，我們不可能覺(jué)察地球在轉(zhuǎn)動(dòng)。伽利略的思想實(shí)驗(yàn)為愛(ài)因斯坦提供了模型框架。

另外，19世紀(jì)后半葉電磁學(xué)發(fā)展迅速，人們認(rèn)識(shí)到可見(jiàn)光是某一頻率范圍內(nèi)的電磁波，并且與電磁波速度一樣，真空中的光速大約是30萬(wàn)千米/秒，無(wú)論以什么為參照物，都會(huì)恒定不變。

愛(ài)因斯坦把光引入伽利略之船，并把船升級(jí)為新交通工具火車，然后在車上安置乘客小佳。在火車前進(jìn)方向上，小佳打開(kāi)燈并測(cè)得光速為30萬(wàn)千米/秒。根據(jù)伽利略之船的原理，愛(ài)因斯坦知道無(wú)論火車開(kāi)得多快，小佳測(cè)得光速始終不變。

愛(ài)因斯坦繼續(xù)想象，如果火車站臺(tái)有一人小明，他看到燈光速度是多少？根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，只需把火車速度和燈光速度簡(jiǎn)單相加，就是小明看到的光速。由于光速太大，火車速度一般忽略不計(jì)，可是如果火車速度也是30萬(wàn)千米/秒，小明看到的光速就是原來(lái)光速的2倍，即60萬(wàn)千米/秒了。

但電磁學(xué)證明光速永遠(yuǎn)恒定在30萬(wàn)千米/秒，不受任何參照物影響。這明顯的矛盾使愛(ài)因斯坦十分困惑。

鐘慢和尺縮

這時(shí)，愛(ài)因斯坦的豐富想象力才真正開(kāi)始爆發(fā)。

以往，我們都認(rèn)為時(shí)間和空間是獨(dú)立存在的，時(shí)空是平均分布、固定不變的。但是愛(ài)因斯坦對(duì)此提出了質(zhì)疑，如果時(shí)空固定不變，光速就不可能恒定不變。如果光速不變，那么時(shí)間和空間就必須“改變”。

愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)會(huì)使時(shí)間變慢。思想實(shí)驗(yàn)中，小明會(huì)認(rèn)為，小佳所經(jīng)歷的時(shí)間慢了。反過(guò)來(lái)， 小佳會(huì)認(rèn)為，小明反倒在飛速后移，小明經(jīng)歷的時(shí)間也會(huì)變慢。

為理解時(shí)間變慢，我們舉一個(gè)例子。有一個(gè)特制時(shí)鐘，裝有兩面上下相對(duì)的鏡子，一束光在鏡面之間不斷反射，每反射一個(gè)來(lái)回，時(shí)鐘就“嘀嗒”走一下（見(jiàn)上頁(yè)圖）。

小佳和小明分別帶一個(gè)時(shí)鐘。從站臺(tái)上看去，小佳的時(shí)鐘隨火車高速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光束射出還沒(méi)到達(dá)對(duì)面鏡子時(shí)，鏡子隨火車向前移動(dòng)一點(diǎn)；當(dāng)光束反射后還沒(méi)返回原鏡子時(shí)，鏡子也會(huì)隨火車向前移動(dòng)一點(diǎn)。因此小明就看到，小佳的時(shí)鐘里光束反射路徑并不是完全的直來(lái)直去，而是沿著較長(zhǎng)的一條對(duì)角線路徑在鏡子間反射。換句話說(shuō)，小佳時(shí)鐘“滴答”一下的時(shí)間變長(zhǎng)了。反之，小佳會(huì)看到小明的時(shí)鐘也是如此。

這只是時(shí)間的改變。此外，小明還會(huì)看到火車及一切隨之運(yùn)動(dòng)的物體都縮小了，換句話說(shuō)，火車變短了（在測(cè)量物體長(zhǎng)度時(shí)，只有物體兩端的光信號(hào)同時(shí)到達(dá)觀測(cè)者眼簾時(shí)，測(cè)量才能得以進(jìn)行。當(dāng)火車高速運(yùn)行時(shí)，車頭的光信號(hào)到達(dá)車尾，與車尾的光信號(hào)同時(shí)發(fā)到測(cè)量者身邊時(shí)，測(cè)量才能進(jìn)行，而車頭光信號(hào)到達(dá)車尾時(shí)，車尾自身也向前行進(jìn)了一截，于是，在測(cè)量者眼中，火車縮短了）。這就是空間改變的效果?？臻g不是剛硬的，更不是固定不變的。當(dāng)空間收縮，其中的物體自然也會(huì)收縮。

為了使光速不變，愛(ài)因斯坦讓時(shí)空發(fā)生改變，帶來(lái)了鐘慢和尺縮效應(yīng)。聽(tīng)起來(lái)很古怪，但這就是狹義相對(duì)論中的內(nèi)容。自1905年發(fā)表以來(lái)，它經(jīng)受住了各種考驗(yàn)，如今已成為物理學(xué)的基礎(chǔ)。

引力和加速度

然而，狹義相對(duì)論僅限于物體運(yùn)動(dòng)速度不變的情況。愛(ài)因斯坦并不滿足，他又展開(kāi)了更大膽的想象。

1907年的一天，愛(ài)因斯坦偶然想到，如果一個(gè)工人從高空作業(yè)的腳手架上掉下來(lái)，呈自由落體狀態(tài)，此時(shí)工人松開(kāi)手里的蘋(píng)果，會(huì)發(fā)生什么情況？他把這情景引入實(shí)驗(yàn)空間，由于沒(méi)有其他參照物，當(dāng)放開(kāi)蘋(píng)果后，工人會(huì)看到蘋(píng)果靜止不動(dòng)，在原地飄?。ㄈ缦聢D）。

他繼續(xù)想象，假如在太空中有一個(gè)處于失重狀態(tài)的封閉船艙，工人正飄浮在船艙中央，突然遭遇失火爆炸，船艙地板因爆炸向上飛起，就要撞到他。而工人看來(lái)，自己正被壓向地板，如果這時(shí)他放開(kāi)蘋(píng)果，會(huì)看到蘋(píng)果掉到地板上。換句話說(shuō)，船艙地板因爆炸產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng)速度，使工人重新感覺(jué)到了引力作用。

愛(ài)因斯坦意識(shí)到，在引力空間里自由落體使人感覺(jué)到靜止，而在失重狀態(tài)下，向上的速度使人感覺(jué)到引力的作用，那么引力和加速度應(yīng)該具有某種同等效應(yīng)。

時(shí)空的扭曲

繼續(xù)發(fā)揮想象，假如你現(xiàn)在是一名宇航員，獨(dú)自飄浮在愛(ài)因斯坦的實(shí)驗(yàn)空間中，你決定發(fā)射激光信號(hào)求救。這時(shí)一艘飛船正好經(jīng)過(guò)，雖然速度極快但恰巧被激光射中。

在你看來(lái)，激光直直地射出去，射中飛船窗戶并進(jìn)入飛船，射中窗戶對(duì)面。由于飛船速度不減，激光射中窗戶對(duì)面的位置，肯定比窗戶的位置低一點(diǎn)（見(jiàn)下圖）。因此你會(huì)看到激光本來(lái)是直直的，但進(jìn)入飛船后就有點(diǎn)彎曲了。另一方面，飛船上人看不到飛船內(nèi)激光是彎曲的。相反，由于速度和引力具有同等效果，飛船上人看到你發(fā)出的激光信號(hào)劃過(guò)一條彎彎弧線到達(dá)了飛船。

愛(ài)因斯坦意識(shí)到引力扭曲光線，更確切地說(shuō)，引力扭曲空間。如同一塊石頭在蹦床上滾動(dòng)，把蹦床壓得凹陷扭曲一樣，空間被引力扭曲得像蹦床，光線沿著空間的扭曲路徑傳播。1919年天文學(xué)家驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論，在日食時(shí)他們直接觀測(cè)到太陽(yáng)周圍的光線彎曲了。

引力不僅扭曲空間，還扭曲時(shí)間，使時(shí)間變慢。想象游樂(lè)場(chǎng)有一個(gè)速度超快的大轉(zhuǎn)盤，你坐在上面。大轉(zhuǎn)盤越轉(zhuǎn)越快，你會(huì)感覺(jué)被一股強(qiáng)力拉扯，以圓形軌跡飛速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)狹義相對(duì)論，運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間會(huì)變慢，對(duì)地面上游客來(lái)說(shuō)，你的時(shí)間變慢了。而且大轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)得越快，你的時(shí)間就越慢。大轉(zhuǎn)盤拉扯你的這股強(qiáng)力就是向心力，它與引力等效，因此可以說(shuō)，引力越強(qiáng)時(shí)間越慢。

引力扭曲時(shí)間，這時(shí)刻影響著我們，GPS導(dǎo)航就是例子。人造衛(wèi)星遠(yuǎn)離地表引力減弱，時(shí)間會(huì)快一點(diǎn)，但是它又繞地球高速運(yùn)動(dòng)，時(shí)間又會(huì)慢一點(diǎn)。由于這兩種效應(yīng)不完全抵消，衛(wèi)星時(shí)間大約每天快38微秒。如果不用相對(duì)論糾正誤差，GPS導(dǎo)航將每天偏差約9.98千米。

質(zhì)量與能量

愛(ài)因斯坦在相對(duì)論上每一個(gè)成就，幾乎都來(lái)自他的想象，包括著名的質(zhì)能方程。

想象一列封閉的火車車廂停放在軌道上。某一時(shí)刻，車廂后壁向前方發(fā)射一粒光子，這產(chǎn)生向后的反作用力，使車廂向后滑動(dòng)；光子擊中前壁時(shí)，又產(chǎn)生反作用力抵消車廂向后滑動(dòng)，使之靜止。整體上看，車廂后移了一點(diǎn)。這與水上獨(dú)木舟的情景類似，如果你從獨(dú)木舟后端走到前端，獨(dú)木舟會(huì)向后滑行；當(dāng)你停止，獨(dú)木舟重新靜止。

獨(dú)木舟上你的質(zhì)量從后端移到前端，因此車廂后壁的一些質(zhì)量肯定也移到了前壁。與之同理，愛(ài)因斯坦認(rèn)為，這意味著光子的能量被前壁吸收，并轉(zhuǎn)為質(zhì)量。

就這樣借助豐富的想象力，愛(ài)因斯坦推導(dǎo)出質(zhì)能方程E=mc2。核心是能量與質(zhì)量等效，可以相互轉(zhuǎn)化。這也是現(xiàn)代核武器和核電的關(guān)鍵原理。由于光速非常大，即使是極小質(zhì)量也能產(chǎn)生巨大能量。

愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論，為人類開(kāi)啟了新紀(jì)元，使人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)上升到新的高度。愛(ài)因斯坦的思想遺產(chǎn)彌足珍貴！然而，更珍貴的，與其說(shuō)是相對(duì)論，不如說(shuō)是他的大膽而豐富的想象力！