相对论⑤︱鱼缸里的爱因斯坦

一名男子给妻子打电话：“老婆，你开车慢点，刚才收音机里说了，高速上有一辆车逆行。”

妻子说：“何止一辆呢，我都看到好几百辆逆行的SB车辆了。”

爱因斯坦有点像这个二货老婆。当所有人都觉得应当遵守一个公认的规则时，他转换了一个角度，发现了一个全新的世界。

物理学家都在试图给光安置一个坐标系，把光速装进经典力学的筐里。当无论如何都无法解释光速的参照系时，他们集体陷入了迷茫。

这时，爱因斯坦站了出来。他说：你们总看着光不顺眼，有没有考虑过光的感受？

1｜相对性原理

爱因斯坦提出相对论的论文题目叫做《论运动物体的电动力学》。在这篇论文中，爱因斯坦断言——

一切匀速直线运动或者静止的坐标系下，物理定律都是一样的。

这句话叫做“相对性原理”，它是相对论的两个基本前提之一。

什么意思呢？事实上，它是“伽利略相对论”的延伸。伽利略说，“力学”在一切匀速直线运动和静止的坐标系中没有分别。而爱因斯坦说，不光是力学，一切物理定律——包括电动力学——在匀速直线运动和静止的坐标系中也都没有分别。

２｜光速不变

爱因斯坦的相对论和“加利略的相对论”比较，多了些什么呢？

你在静止或者匀速直线运动状态下，做一个力学实验，比如向上抛一个小球，它都会落回到地面，没有分别——这是伽利略的相对论。

你在静止或者匀速直线运动的状态下，做一个电动力学的实验，比如测试光速。爱因斯坦说了，一切匀速直线运动或者静止的坐标系下，物理定律都是一样的——这就是说，你做测试光速的电动力学实验，实验结果，也应当和静止状态下一样的。

那么你在匀速直线运动状态下测试出的光速，和静止状态下测试出的光速，也应该是一样的，都是c = 299,792,458 米/秒。

举个说人话的例子——

你的车停在停车场里，打开车灯。车灯发出的光，会以光速c向前方传播。

你把车开到路上，假设你的车足够快，达到（c-1）米/秒。这时，你打开车灯，会看到什么？第一个1秒，光只比你的车远1米，前面是一片黑暗；第二个1秒，光在你的车前面2米，前面是一片黑暗……

爱因斯坦说，No，不是这样的！即使你以只比光速慢1米的速度向前飞奔，你看到的光，还是以光速Ｃ向前传播。

光速不变，是爱因斯坦相对论的第二个基本前提。

怎么能这样呢？这不是明显的反常识吗？难道不同坐标系下的速度不应该叠加吗？难道我追着光走的时候，光速对于我来说，不应当是（C-我的速度）米/秒吗？

爱因斯坦说，不是。不是光有问题，是你的时空观有问题。

3｜鱼缸里的爱因斯坦

几年前，意大利蒙扎市议会提出一个议案：禁止把金鱼养在弯曲的鱼缸里。提案的负责人解释，因为金鱼会透过弯曲的鱼缸，看到歪曲的景色——这对金鱼来说是残酷的。

看到了吧，国外的议员似乎并不比咱们人大、政协的代表、委员更靠谱儿。

我们不谈议员和提案了，不妨思考一个场景：

假设这些鱼是有智慧的，其中一条根据自己对鱼缸外部世界的观察，提出了一套完备的“金鱼物理学”——

比如，一个人走到哪个位置会变胖，走到哪个位置变瘦，变化幅度是多少。一束光，早上从一扇窗照到鱼缸时，弯曲的弧度是多少；黄昏从另一扇窗照到鱼缸时，弯曲的弧度又是多少。

这些规律，经过其他金鱼的不断观测，完全正确，而且非常精准，于是被奉为解释世界的经典。

过了一段时间，出现了另一条金鱼。它经过观察和思考，得出结论：鱼缸外的人，并没有胖瘦的变化，光是延着直线传播的，并没有弯曲。经典的“金鱼物理学”只在鱼缸这个坐标系中适用。

其他的金鱼都惊讶得张大嘴巴，这个新理论实在太反常识、反直觉了，怎么可能呢！

你肯定想到了，这第二条金鱼，名字叫作爱因斯坦。

（万维钢《精英日课》笔记）