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浅谈相对论的建立 沈健 思想是起点，一切行动都是诞生在脑海中的思想预演而出的行为，都是思想所孕育产生。 思想升华为一个简单的公式：e=mc2.如果用常人的语言表述，即是：任何物质粒子都相当于一定的能量，能量的大小等于该物质的质量与光速的平方之积。这是著名的质能公式，来源于狭义相对论的推论，表征了能量与质量之间的本质联系。 作为前沿物理思想中最令人难以理解并且迷惑的理论，相对论是爱因斯坦伟大思想无数昼夜思考而出的理论。 相对论理论包括两类，第一种是狭义相对论，1905年爱因斯坦首次提出；第二种是广义相对论，1916年正式提出。 相对论是关于时空和引力的基本理论，与量子理论一起奠定了近代物理学的基础。后者撑起了微观领域坚实的基础，而前者却是宏观大尺度宇宙的基本时空观的彻底颠覆以及对于引力场的思考。 一、狭义相对论 狭义相对论的建立并非全都属于爱因斯坦的功劳，借鉴了马赫以及休谟关于时间与空间的哲学思想和前人诸如麦克斯韦的电磁场理论以及沦落兹的变换公式等思想，1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷干涉实验是将上说明了关于以太的整个概念是多余的，光速是不变的，而牛顿的绝对时空观念是错误的，不存在 绝对静止的参照物，时间的测量也是随着参照系的不同而不同的，他一光速不变理论以及相对想远离推出了洛伦兹变换，创立了狭义相对论。 狭义相对论包括两项基本假设： 1，物理规律在所有的惯性系中都具有相同的形式。 2，在所有的惯性系统中，光在真空中的传递速度具有相同的c值。 伽利略曾经指出，运动的船与静止的船的运动不可区分，也就是说，当你在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，那么即便你拥有最发达的头脑也无法感知船是匀速的还是精致的，因为没有参考系。爱因斯坦降至引用，成为第一个假设，称为相对性假设。它是说，如果一个坐标系相对于另一个坐标系匀速运动而没有转动，则相对与这两个坐标系而言，则相对于在这个坐标系中所做的两个实验而言，都不可能区分开两个坐标系。 一直以来光在宇宙中传播的介质以太一直在被物理学界寻找，迈克尔逊与莫雷设计了精确地干涉仪进行以太存在与否的验证试验，但很可惜的是实验是零结果的，没有找到以太存在的证据，爱因斯坦敏锐地意识到光速是不变的，这便是后一个原理，即光速不变理论，它是指真空中光的各向同性以及速度不变型。它不依赖于发光系统的运动速度变化而变化，也不因为参考系的变化而变化。 这里，从表面上看，光速不变理论似乎与相对性原理冲突，因为按照经典力学速度的合成法则，对于两个做匀速运动的坐标系，光速应当是不相等的，而且这也是很多人迷惑之处，因为假设在高速行驶的汽车上打开车灯，光的速度应当是光速再加上车的速度，但显然根据光速不变定理，这是错误。 其实早在叙述相对论的第一篇正式论文发表之前的很久，爱因斯坦就已经意识到相对性原理以及麦克斯韦提出的电磁场理论时应当坚持的基本原理，他也已经意识到了因此而导致的电磁场与参考系无关以及光速与参考系无关，也即是光速不变理论。其实，此时爱因斯坦的狭义相对论便已经完成，但是此时他没有发表的原因也是基于这个问题：光速不变理论似乎与经典力学中的速度叠加原理相矛盾。 这个问题其实与时间的同时性相关。异地时钟问题也就是时间在不同参考系中的同时性，爱因斯坦最初没有意识到不同参考系中同时不都具备传递性，因此没有发布，后来受庞加莱对于时间量度的月定论的启发，提出，在相对论中同时的概念不是在任何参考系中都能成立，也即同时性的相对性。时间是相对的，空间也是相对的。 在这两条基本假设的基础上可以直接推导出速度变换式等相对论的内容，如速度变换公式，宏观低速世界的运动也就是牛顿的运动理论其实是相对论在低速时的特殊情况，被实践证明为正确的，因此，从这个意义上讲来，光速是不可超越的宇宙中最高的速度。（量子力学中有一种推论是两个同源的相隔无限远的量子，当其中一个产生变化时，另一个量子也会立刻随之发生变化，无视距离的限制同时发生变化，也就是信息的传递超出了光速，与相对论是矛盾的） 狭义相对论导出了不同惯性系统中时间进度的关系，发现高速运动的惯性系统时间进度较慢，也就是始终走得慢了，为钟慢效应，时钟走得慢速程度与运动的速度正相关，当速度达到光速时钟已经静止了。另一方面空间分布也是不均匀的，当一个物体高速运动时，时间进度变慢的同时物体的长度缩短了，这也就是尺缩效应。 由此爱因斯坦提出了双生子的理想实验：一对双生子A和B，A在地球上，B乘坐光速飞船旅行，漫长时间过去后返回，爱因斯坦断定，重逢时B将会比A年轻。 事实上，光速飞行返回之后这个理想实验中乘坐光速飞船的的一个肯定比留在地球上的一个年轻。很多人无法理解，认为A与B相对于对方均是相对运动，为什么不是地球上的比飞船中的年轻呢？被认为是双生子伴谬，其实不论哪一种情况，总是会存在乘坐飞船的一个比留下的一个年轻。 这个