相对论

爱丽丝笑了起来，“尝试没用的，”她说，“人不能相信不可能的事情。”

“我敢说你没有太多的实践，”女王说，“当我在你这个年龄，我总是每天花半个小时这么做。这就是为什么有时我能在早餐前搞定多达六个不可能的事情。”

——刘易斯·卡罗尔《透过窥镜》

当光作为波被接受时，就已经假设了有些东西在波动。电场和磁场在这样一种波动媒质中振荡。由于物体可以无阻碍地穿越这种媒质，因此这种媒质是空虚的，被称为“以太”。既然我们收到来自恒星的光，因此以太可能弥漫于整个宇宙。相对于这种以太的运动被定义为绝对速度，如果宇宙中没有以太来定义一个“马桩”，事情就会变得没意义。

19世纪90年代，阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷着手确定我们这颗星球在以太中的运动速度。当小船在与水波同一方向上行驶时，你看到的波相对于船的速度显然要比船与水波沿相反方向运动时的相对速度慢。从这两种波速的差别，就可以确定船在水波中运动得有多快。这正是利用光波进行的迈克耳孙—莫雷实验的基本原理。

令他们吃惊的是，地球相对于以太似乎是不动的。至少他们在所有方向上测得的光速均相同。试图运用电磁理论来解释这一结果的各种巧妙尝试都归于失败。

爱因斯坦采取了不同的策略：快刀斩乱麻。他大胆地将观察到的事实作为假设：无论观察者运动的速度有多快，光速都是不变的。他把这种奇怪的结果作为大自然的一种新属性。因此两名观察者，尽管以不同的速度在移动，但他们测得的光速均相同。因此（真空中）光速成为一个普适常数，记为“c”。

既然光速对所有观察者都是相同的，那么就不可能测到绝对速度。任何观察者，无论他的速度是多少，都可以认为自己是处在静止参照系中。因此不存在什么绝对速度，只有相对速度是有意义的。故此，我们称爱因斯坦的这种理论为“相对论”。

借助于简单的代数，爱因斯坦从他的假设中进一步推导出可检验的预言。这个预言也是本书中最重要的预言，它是说：没有任何物体、任何信号和任何信息可以跑得比光速更快。另一个预言则是：质量是能量的一种形式，可以转换成其他形式的能量。它概括为：E=mc ² 。这些预言都已被证实，有时还非常显著。

相对论中最难置信的预言是时间的推移是相对的：我们看到，一个快速移动物体所经历的时间要比身边静止参考系中时钟所显示的时间慢。

假设一个20岁的女人乘坐超快火箭去遥远的恒星旅行，与她地球上的孪生兄弟分别了30年。在她回归后，她的弟弟已经老了30岁，现在是50岁。而她，因为乘坐在以95%的光速运行的飞船里，时间才过了10年。她相对年轻，才30岁。不论是在物理上还是生物学意义上，这位旅行回来的人要比待在家里的孪生兄弟年轻20岁。

早期这种“双生子佯谬”提出的目的是为了驳斥爱因斯坦的理论。如果在她所在的静止参考系里看，她的兄弟岂不是在做高速旅行，那么他岂不该比她年轻？因此有人声称这一理论是不自洽的。但事实并非如此。这里的情况不是对称的。只有以恒定速度（速率、方向均不变）运动的观察者才能认为自己处在静止参考系里。而对于旅行者来说，这不可能是真实的，因为她从遥远的恒星返回时需要改变运动方向，需要加速。（当她加速时她可以感觉到受到的力，这就告诉她，她不是处于静止参考系中。）

虽然要建造接近光速运行的载人飞船在技术上不可行，但相对论已得到广泛检验和证实。大部分检验是用亚原子粒子进行的。人们还通过对原地钟表与周游世界飞行的时钟进行精确比较检验了这一理论。旅行时钟返回后确实变“年轻”了。它们与本地时间的差值与理论预言的结果精确地一致。相对论的有效性在今天是如此稳固，以至于只有极具挑战性的检验才可能有意义。如果你读到有关“相对论”的检验，那很可能是一项关于广义相对论，即爱因斯坦的引力理论的检验。而我们这里所说理论的全称是狭义相对论。

爱因斯坦相对论告诉我们的很多怪事都令人难以置信。例如，原则上一个人可以变得比自己母亲更老。但接受这样一个现已通过实验牢固确立的事实——运动系统的年龄较轻——对于我们了解量子力学里更奇异的事情有很大好处。

现在我们就准备开始讨论这些奇异的事情。 R86VHbe0oS7u993ae2vytwZQ6n8CdNYsaJneAt6YPWJRL4KEQFl6JrhqJZvBrUXd