研究相对论发表4篇论文

爱因斯坦在1905年发表了四篇论文。这四篇论文中每一篇都足以获得一次诺贝尔奖，这些成就深远地影响了整个世界，爱因斯坦也由此变得举世闻名。在第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》里，爱因斯坦通过量子理论解释了光电效应，并最终证明了能量子以及光子（即光的粒子）的存在。

另外一个是布朗运动，还有一篇是关于原子大小的测定，我们从这些成果可以看出，爱因斯坦在20世纪最重要的两个物理学学术贡献中占了一半，除了相对论之外，量子力学、光电效应都从爱因斯坦开始。

在该年度发表的论文中，爱因斯坦深信原子真实存在，直到那时，原子对科学界来说还更多的是一个对方程有用的数学工具，而不是物理实体。假设热水是由很多不稳定的水分子组成的，水是热的，这些分子不稳定，到处移动，无规则地撞击花粉；爱因斯坦推论花粉的运动是碰撞的结果。爱因斯坦遇到的最大问题是需要结合热力学和经典力学来阐述他的观点，后者描述物体的运动，前者却研究大系统。

在科学史上，1905年被称为：爱因斯坦奇迹年。在这一年，爱因斯坦共发表了4篇学术论文，每一篇都是诺奖级别的理论，并且也是开创性的科学成果。

其中，在1905年6月30号发表的《论动体的电动力学》，后来也被叫做：狭义相对论。

今天是狭义相对论发表的114周年。这都100多年前的理论，我们没有理由看不懂它。今天，我就来给你好好讲一讲：狭义相对论到底讲了些什么？

一场跨越200年的恩怨

狭义相对论能够诞生，其实主要源于一场跨越200年科学史的恩怨。

让我们先把镜头切换到17世纪，首先出场的一号男配角是号称近代物理学之父的伽利略。

伽利略曾经提出过了一个“伽利略变换 ”：

在一个参考系中建立起来的物理定律，通过适当的坐标变换，可以适用于任何参考系。

是不是有不明觉厉的感觉？其实这都是唬人的。举个例子你就懂， 如果你在火车上，旁边正好也有一辆火车，这时候只要有一辆车子动了，坐在车上的人是很难分得清是自己所在的火车动了，还是旁边的动了。

这其实可以理解成运动是相对的，如果用一个简单的模型来说就是：

A和B相互靠近，如果选择A为参考系，我们就可以得出A是静止的，B在运动，如果选B为参考系，那B就是静止的，A在运动。

没错，这就是初高中物理课上都会讲的“参考系”或者“参照物”

如果你在车上内向前走，那站在地面上的小伙伴看来，

你的速度=火车的速度+你在车上的速度，你的速度=10+5=15m/s。发现没有，在这个理论当中，速度是可以叠加的。

后来，牛顿把伽利略变换纳入到的自己的力学体系当中。我们在运用牛顿定律的时候，都得先规定好一个参考系。

不过，我们要搞清楚一点，牛顿其实做了一个假设：空间和时间是绝对的，是独立的。

说白了就是，地球上所有的物体对于时间的感受都是一样的。空间也一样，空间的距离对于每个人来说都是一样的。如果非要简单总结一下就是：

空间、时间与物体的运动状态无关！

空间、时间与物体的运动状态无关！

空间、时间与物体的运动状态无关！

（重要的事情说三遍）

牛顿理论后来被广泛运用，甚至还能预言海王星的存在，成为了物理学坚定的基石理论。

后来科学家开始研究“电”和“磁”。尤其是到了麦克斯韦的时代，麦克斯韦提出了麦克斯韦方程。

统一了“电”和“磁”，并提出了电磁波的概念，还预言光是一种电磁波。

物理学家赫兹通过实验验证了麦克斯韦的观点。可问题恰恰就出在这里，麦克斯韦方程是不需要参考系的，说白了就是：

电磁波速度，或者说光速是不需要相对于某个参考系而言的。在任何惯性参考系下，光速都是3×10^8m/s。

这就和牛顿力学是相互矛盾的。可是，牛顿力学是那么正确，观测和理论完美的匹配。而麦克斯韦方程也同样坚如磐石，能够很好地解释电磁现象。那到底是哪里出了错？

科学家们的妥协

要知道伽利略，牛顿，麦克斯韦都是物理学史上前五的选手，绝对的大神。神仙打架，一般的物理学家只能做个吃瓜群众。只是物理学总是要向前发展的，但大神又得罪不起，总得一碗水端平。

于是，科学家们就想到：水波的传播是需要介质的，那就是水。那光传播是不是也需要介质？

因此，当时的科学家就认为这个光传播的速度应该是相对于它的介质的，而不是绝对的。因此，科学家认为空间中布满了一种叫做“以太”的物质。以太对于光（电磁波），就如同水对于水波这般。看起来十分完美有没有？但科学不能光靠想象力，得找出证据证明“以太”真的存在。

结果呢？很抱歉，科学家想尽了一切办法，最后得出了一个结果：以太不存在！

这下子可完了，搞了半天，牛顿和麦克斯韦的矛盾还是没解决。于是，科学家们又开始开脑洞，憋大招。其中最有名的就是洛伦兹和彭加莱。如果非要给两个人找到共同点，那一定是：距离狭义相对论最近的男人。

洛伦兹简直是个左右逢源的高手，左手一个“伽利略变换”，右手一个“光速在惯性参考系下速度不变”，然后把它们结合起来，弄出了一个连他自己都无法理解的东西，这东西就叫做：洛伦兹变换。

彭加莱则是从哲学的层面提出了一些想法，尤其是同时性的相对性。说的就是同一个事件，不同的人（参考系）看到的很可能不是同时发生的，这取决于他们的运动状态。不过，彭加莱也就想一想，可谁也没能真正意义上提出一个令大家满意的结果。

杨振宁曾经在他的文章《机遇与眼光》写到，

洛伦兹有数学，但没有物理学；庞加莱有哲学，但也没有物理学。正是 26 岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的原始观念，坚持同时性是相对的，才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。

专利局三级技术员

是的，在一堆学术界大神失败后，我们故事的主人公横空出世。不过，在讲述他的传奇之前，我们先来了解一下他的情况。

1905年6月30号，爱因斯坦发表了他的论文《论动体的电动力学》。他一开始应该也是和洛伦兹，彭加莱一样，想来一个左右逢源，于是，从两条基本假设：

1. 相对性原理（伽利略变换）

2. 光速不变原理（光速在惯性参考系下速度不变）

这两条假设，一条是伽利略提出来的，而另外一条则是基于麦克斯韦的理论。然后进行推导得出洛伦兹变换（毕竟用的办法都一样），刚才也说到洛伦兹看不懂这个这东西。但爱因斯坦和洛伦兹，彭加莱不一样的是，爱因斯坦左右逢源的功夫了得，还能顺手倒弄出了一个全新的世界。

那这个全新的世界是什么呢？

爱因斯坦的叛逆

应该说是爱因斯坦的叛逆，在他之前，没有人敢于质疑空间和时间。大家都觉得空间和时间是绝对的，什么叫做空间和时间是绝对的呢？意思就是说，

对于你来说的一秒，对于其他所有的人来说也是一秒，每个人的一秒都是一样的。

但爱因斯坦觉得这不对，让我们来想象一个画面，你站在地面上，而你的朋友在一艘飞船上。这时候你朋友拿出一个光钟，这东西现实生活中不存在，不过原理和时钟计时是一个道理。毕竟爱因斯坦就喜欢这种“思想实验”，这个光钟的计时方法就是：

光上下往返一次的时间设定为一秒。

其实道理和时钟跑一圈是一样的。如果我们假设光速在任何参考系下都是一样的（光速不变原理），那在飞船上的人看到的光就是一上一下的，而地面上的看到的光其实走到路径是倾斜的。

爱因斯坦认为时间=路程/光速在任何惯性参考系下是不变的，而光速也是不变的。所以，飞船上的人看光往返一次是1秒，但是在地面上的人看来由于路径变长了，需要的时间就更长一些，我们就假定是2秒。

如果飞船上有人跟着“光钟”的节奏在做广播体操，那么在飞船上1秒钟能做完的动作，地面上的人看就需要2秒，说白了就是看到的是广播体操的慢动作。

反过来，如果地面上的人也拿着一个“光钟”，其实由于运动是相对的，情况会正好倒过来。地面上的人看就是1秒，飞船上的人看就是2秒，也就是说，如果地面上的人也跟着“光钟”的节奏在做广播体操，那飞船上的人看到的也是广播体操的慢动作。

这种效应就被称为：时间膨胀。它真实存在，科学家通过μ（miù）子实验证明这一点。如果我们把飞船换成高铁，那么高铁内的钟表其实会变慢十亿分之一秒，正因为这个差异如此之小，所以我们才没有感觉到。当速度特别快时，尤其是越接近光速，时间膨胀的效果越明显。

这个实验告诉我们一个道理：

时间与物体的运动状态有关！

时间与物体的运动状态有关！

时间与物体的运动状态有关！

（重要的事情说三遍）

爱因斯坦说，不仅仅时间与物体的运动状态有关，空间也是这样。我们还拿刚才的飞船来说事。同样是一段距离，由于时间膨胀效应，我们在地面上看可能需要2秒才能走完，但是在飞船中的人，1秒就走完了。而且无论是飞船中的人还是地面上的人，飞船相对于这段距离的飞行速度都是一样的。这就说明，飞船上的人看到的这段距离其实要比地面上的人更短一些。这就是长度收缩。

所以，我们会发现，速度越接近于光速，长度收缩得越严重。这说明：

空间与物体的运动状态有关！

空间与物体的运动状态有关！

空间与物体的运动状态有关！

（重要的事情说三遍）

爱因斯坦更进一步，提出了一个很颠覆三观的概念：同时性的相对性。具体来说就是：

在一个坐标下看是同时发生的两件事情，换一个坐标系就很有可能不是同时发生的了。

那具体咋回事呢？

我们也来向爱因斯坦学习，玩一玩思想实验。首先，我们可以想象一下，有两列大小一模一样的火车，它们相向而行，并且相对于地面速度的大小是一样的。

只不过两个火车不是在同一个轨道上，而是双层的平行轨道，一辆火车在上面，另一辆在下面。我们规定，“事件A”是上面火车车头和下面火车车尾相遇；“事件B”是下面火车车头和上面火车车尾相遇。

那么，问题来了，到底是"事件A“先发生，还是“事件B”先发生呢？

当然，如果你是在地面上看，两个事件确实是同时发生的。

但是，如果你是在上面的火车上，那下面的火车相对于你是有运动的。上面我们也讲到了尺缩效应。所以，你看到的是：下面的火车比你所在的火车要短一些。因此，你看到的场景就会是这样：

也就是说，在上面的火车里看到的是："事件A“发生在前，“事件B”发生在后。

如果你是在下面的火车上，那上面的火车相对于你也是有运动的。还是因为尺缩效应。所以，你会发现上面的火车比你所在的火车要短一些。所以，你看到的场景应该是这样：

也就是说，在下面的火车里看到的是："事件B“发生在前，“事件A”发生在后。

不过，这里要注意一点，只有速度非常大的时候，越接近于光速，这种效应才会越明显。低速的情况下，我们肉眼根本看不出任何差别来。

因此，“同时”也是一个相对的概念，都是基于参考系而言的，不同的参考系，情况是不同的。

基于这样的认知，爱因斯坦曾经的数学老师，闵可夫斯基提出了“光锥”的概念。

我们可以基于任意事件建立一个坐标系，横坐标代表空间，纵坐标代表时间，画出关于一个事件在坐标系中的时空位置。

要注意了，这个光锥是专门针对事件而言的，未来光锥指的是：

现在对未来的事件的影响。

比如，下图中此刻的事件A，就很有可能对事件B产生影响。

而过去光锥指的是对现在有影响的过去事件。

意思是说，只有发生在“过去光锥”之内的事件，才会影响现在。在“过去光锥”之外的过去事件，由于光速的限制，还无法对现在产生影响。

比如：我写下这篇文章是事件A，而你看到这篇文章则是事件B。

所以，有一句很有名的话是这么说的：

光锥之内就是命运。

所有现状，都是过去光锥的事件导致的，而过去的事件已经发生，我们根本无能为力去改变。如果更进一步，我们会发现，我们永远无法活在当下，因为我们所谓的“当下”都是过去造成的。

举个例子，你照镜子，你看到的其实是过去的自己，而不是现在的自己，这是因为你的脸反射光到镜子上，镜子再反射光到你的眼睛里，光走过这段路程需要时间，因此，你看到的其实是过去的自己。

也就是说，你看到的所有事件其实都是发生在过去的，过去的事件影响到当下是需要时间的；而当下发生的事件影响的不是当下，而是未来，这就是时间光锥给我们的启示。可以说，爱因斯坦通过狭义相对论只统一了时间和空间，但这还没完。

质量就是能量

1905年9月份，在发表了狭义相对论之后，爱因斯坦又发表了另外一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，爱因斯坦在这篇文章当中统一了质量和能量，并提出了那个著名的质能方程：

那我们该如何理解质能方程呢？

在爱因斯坦之前，拉瓦锡提出了“质量守恒定律”，而牛顿力学中，能量是守恒的。不过，爱因斯坦认为：

能量和质量并非独立保持不变的，它们其实是一回事。

著名科学家大栗博司曾举过这样一个例子：

假如你在中国和美国都有存款账户，两个账户的存款价值不会发生改变。但是由于是分属两个国家，想要把钱从一个账户转移到另一个账户，就需要通过汇率进行换算。这里，我们可以把人民币看成是能量，把美元看成是质量，如果总和保持不变，能量和质量能够进行转化。那么E=mc^2就表示了能量和质量的汇率，其中光速c就是汇率制。

这个公式解释了为什么原子弹的威力如此之大，这是因为原子核爆炸前后的质量有亏损，这些质量都转换成了能量。

关于狭义相对论其实内容还有很多，这次就说这么多。想要深入地了解狭义相对论，其实需要动笔做做数学计算，这是因为相对论是反常识的。为什么会反常识呢？

我们生活在宏观低速的世界里，在这个尺度下，相对论效应实在太小。是人无法感受到的，连仪器都很难测到。在宏观低速的情况下，相对论是和牛顿力学等效的。而相对论效应只有在速度越接近于光速时，才越明显。

这是因为这个原因，我们才会觉得相对论很反常识。这告诉我们一个道理：

不要被眼前的生活所欺，多去看看外面的世界，只有跳出自己的生活，才能够更深刻地理解世界。

狭义相对论：能揭示空间和时间的奥秘？一分钟带你了解狭义相对论

说的是物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加(质速关系)，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化。