为什么爱因斯坦成为众所周知？

其实大部分人并不知道爱因斯坦的具体成就，不论如何我们还是来看一下他的工作到底有何特别之处，以至于他能成为家喻户晓的明星。虽然他的具体理论研究不为众人所了解，但大多数人还是知道“他是那个提出E=mc²的人”。还有一部分人会说“是爱因斯坦发现一切都是相对的”，后者的认知是最糟糕的。

爱因斯坦的理论表明，时间并非在世界范围内以相同的速度传播，事实上，也并不是在宇宙的每一个角落都存在时间。他的这一想法可以用这句话进行概括：当您的移动速度越快，或所处的引力场的引力越强时，对那些在引力场之外的人来说，您周围的时间流逝得越慢。

“我觉得您可能需要再解释一下这个理论，我并没有理解其含义。”

嗯，您说得对。让我们从头开始讲解吧。首先是理解相对速度的概念。

当人们在大街上的长椅上坐下，就会看到周围快速而过的汽车、摩托车、自行车等，以及那些以大小不同，却相差不多的速度行走的人。

现在，您从长椅上站起来。随意选择一个方向，以6千米/小时的速度行走，当然这个速度也是随机的。这时您看周围的情形会感觉产生了一些变化：即使其他人的行走速度与您相同，但那些与您行走方向相反的人似乎比之前更加快速地远离您，而以此类推，那些与您行走方向相同的人，其速度似乎比之前慢。

您甚至可以骑着自行车，以20千米/小时或30千米/小时的速度穿梭于车流中。那些您曾坐在某处不动时认为移动得很快的公交车，似乎速度也变慢了。因为您正在以相似的速度与其同向而行。这种现象就被称为相对速度。人们普遍把这一现象当作已经内化了的常识，在平常生活中也很少去留意。

既然我们已经提到了机动车和相对速度，那就再举一个例子。

若某辆车正在以100千米/小时的速度沿着一条路行驶，而另外一辆车与其同向而行，速度为220千米/小时，那么后者则会以120千米/小时的相对速度远离前一辆车。然而其真正的速度是要以静止的物体，如地面或交通雷达作为参照的。

相对速度是指某个运动中的物体，对另一个运动的物体的感知速度。观察者可能是相对静止的，或者是有相对速度的。也就是说，某物体相对于观察者的移动速度亦取决于后者自身的速度。

不过，这一简单的概念却无法应用于光（或任何其他形式的电磁辐射，也可以理解为不可见光）的研究中。

正如我们前文所讲，麦克斯韦于1860年提出了电磁辐射的基本理论，并发现光以恒定的速度运动。虽然其自身速度不变，但是光在不同介质中的传播速度仍然会发生变化。人们常说的没有其他物体的运行速度可以超过光，是指其在真空中的最大运行速度，具体数值为299792千米/秒（为了方便计算，该数字通常四舍五入为3.0×10⁵千米/秒）。

“请等一下，那么，到底有没有比光速更快的运行方式呢？”

实际上，光在非真空的介质中之所以移动得更慢，是因为在其运动路径中有许多粒子，因此光子会与原子不停地发生碰撞。由此产生的弹跳会造成路线延长，也就是说光在此时并不是沿直线行进。

事实上，没有某一束光线比其他光线传播得更快，这种移动就好像宇宙版本的《速度与激情》：所有的光子都以相同的速度移动，且光线以其所在环境中允许的最大速度传播。

爱因斯坦由此产生了一个想法：如果光速是不变的，其传播速度只取决于它经过的介质，那么两个以不同速度移动的人所感知到的光线传播速度应该是相同。

我知道，乍一听似乎没什么道理。

现在举一个例子来解释：请大家想象自己是一个黑帮分子，正位于一辆以250千米/小时行驶的汽车内，并向前发射了一颗起始速度为1000千米/小时的子弹。如果在车上对子弹进行观察，将看到它以1000千米/小时的速度运动，因为我们位于汽车上，本身已经具有250千米/小时的速度。

然而，对一个位于路边的旁观者来说，子弹则具有1250千米/小时的速度。这是将手枪赋予子弹的1000千米/小时的速度与车辆的行驶250千米/小时的速度进行叠加。

不过在相同场景下，子弹变为光束，汽车变为可以以极大速度运行的宇宙飞船，事情就会复杂得多。

假设我们在一艘宇宙飞船中，以20万千米/秒的速度飞行。这时将飞船前方的灯打开，则会看到这束光以30万千米/秒的速度前进。这与上述汽车子弹实验的第一组情况类似。

然而有一个奇怪的现象是：若有一个人也位于外太空，但并不在飞船上，也会看到光束的运行速度为30万千米/秒。若类比前一项实验，这个在太空中相对静止的人应该感知到，光在叠加了飞船20万千米/秒的速度与自身30万千米/秒的速度后，以50万千米/秒的速度前行。可事实并非如此，飞船上与飞船外的两人所观察到的光速一致。

先不要太激动，要想将您的手电筒变为伽马射线枪，其速度确实得非常快才行，大概在299789千米/秒，或以光速的99.99899%行进。确切地说，如果想将黄色的光线变为蓝色，其推进速度要达到233451千米/秒……所以，还是换一种方式来征服世界吧。

还要说的一点是，这种光线颜色的变化只能被外侧观察者注意到。身处其中的飞行员所看到的灯光还是淡黄色的光线。

这一现象引发了爱因斯坦的深度思考：为何一个相对静止的人与一个以接近光速行进的人感知到的光速会是相同的呢？唯一可能的解释是，影响两个人感知的某些参数是在变化之中的。

我们对某物体运行速度的感知受到其路程与运动时间的影响，这两个参数之间的关系被解读为“速度”概念。那么，两个运动速度不同的人对“光速”的感受却相同，这可能是由于两名观察者对时间与路程的感知受到了影响。

爱因斯坦非常直观地回答了这个问题：时间的行进速度并非一个普遍常数，它取决于我们移动的速度。

换言之，时间与距离这两个参数并非如我们之前所想的那样绝对。

设想一下，您正站在宇宙中的国际空间站，突然一艘不断加速的飞船经过，它上面覆盖着一个巨大的钟表（这是星际空间内的时尚设计）。在您眼中，这只钟表上的指针会移动得越来越慢，直到飞船达到光速后完全停止转动。同样，您所观察到的飞船中宇航员的所有动作也在变得越来越慢。

与之相对，如果宇航员将目光放到窗外，而您身边也有一只钟表的话，在他眼里的一切也将成为慢动作式的景象。

然而，不论是对宇航员还是对宇宙中的旁观者来讲，他们所处环境中的一切并没有改变。宇航员会觉得自己还是在操作台上正常工作，而他的手表也以正常速度运行。相应地，旁观者对自身周围的感受也是如此。

“等一下，这太奇怪了。如果两个人各自对自身的速度感受是正常的，怎么会看到对方以慢动作移动呢？难道不应该是看到对方快进式的画面么？”(www.xing528.com)

不是的，对于上述假设选择哪一方为参照物并不重要：宇航员与观察者在该场景中有相同的感受，因为对我们来讲，宇宙飞船以接近光的速度在行进；而对宇航员来讲，是外部的宇宙以同样的速度在移动，而非他自己。

这也就是为什么每个人看到的光都以相同速度移动的原因之一：同一束光线在两个以不同速度前进的人眼中其速度是相同的，而不同的是人对时间节奏的感知，而非光本身的速度。

我们移动的速度不仅影响着自己对周围事物的时间感知，其间由距离引起的差异也会对视觉造成影响。如果我们在一艘宇宙飞船中以占光速较高百分比的速度行进，就会发现周边的物体在其运动方向上逐渐缩小，而在飞船外的人会觉得我们所在的船体似乎也在缩小。

上述假设是对爱因斯坦的一个非直觉理论的阐释。实际上，这一理论十分有意义：若是我们对某一物体的时间感知由于其高速运动被改变了，而该物体的运动速度保持一致，那么我们对它周围的空间感知也会发生变化。

下面再举一个例子来更好地讲解这个理论。

想象这样一幅场景，在客厅中分别有仓鼠、指挥官和一台电视机。此时指挥官位于一艘飞船内，并以259627千米/秒的速度绕着客厅盘旋。而仓鼠正待在纸板做成的城堡中，静静地观察着这一切。

对他俩来讲，时间以不同方式流逝。因为其中一个静止，另一个的速度达到了259.627千米/秒。不过，正如我们所知，两者所看到的光线移动速度是相同的。正是由于光速恒定，才可以用这一尺度来测定周围事物在他们视角范围内的大小。最佳测量单位是纳秒，指的是光在十亿分之一秒内传播的距离，大概为30厘米。

这样一来，指挥官与仓鼠可以通过纳秒来计算从一点到另一点之间的距离。因此，他们决定尝试测量一下各自对物体大小感知的变化，比如电视。

仓鼠走出城堡，用一束平行激光穿过电视机的侧面，通过观察，激光从一侧到另一侧需要2纳秒。已知1纳秒内光可以通过30厘米的距离，由此可以推算出电视机的尺寸为60厘米。

接下来，指挥官在运行速度为259627千米/秒的状态下重复上述实验。从他的角度看，只需要1纳秒光束就从电视一侧传播到了另一侧。我们要记住，对指挥官来讲，飞船以外的每一秒钟从他的角度感知都要持续两倍。因此，这样测量出的电视机尺寸为30厘米。

若是仓鼠想用这种方式测量指挥官的大小，也会出现相同的情况。因为对它来讲，自己周围的时间是正常流逝的，而指挥官的速度看起来好像减少了一半。

而且，对距离的感知也会由于某一物体移动的速度而发生改变。通过前文，我们已经知道两个以不同速度运动的人看到的光线是以相同速度传播的。

如果类比日常生活中的例子，就会是如下情况：一个处于静止状态的人与一个以50千米/小时移动的人同时观测一辆以100千米/小时行进的车。若第二个人所感知的时间流逝节奏是正常速度的一半，那么这两人观测到的车辆就是以相同速度行进的。

爱因斯坦将上述理论称为狭义相对论。我们后面会看到，这并非一个不切实际的论断，其推断出的情况在现实生活中都得到了验证。

“嗯，我有一个问题。我曾经在科幻书籍和电影中看到某个人踏上宇宙之旅去做一些傻事时，经过一场短时间的旅行回到地球的家中，却发现他的家人和朋友都老了很多，只有自己还很年轻。”

我明白您的疑问了。您想知道，既然我前文说静止与运动的双方会觉得对方的时间移动得更慢些，那么为什么地球上的时间过得比太空旅行者的时间要快呢？

“是的。”

这是一个好问题。

在上述的假设中，我们并没有考虑那些以接近光速运动的物体会迅速地远离那个静止的物体。也就是说，在几秒钟内，前者已经位于数十万千米以外了。为了对其进行观察，我们还需要等待光的到来。下面讲述一个我在《科学美国人》杂志中看到的例子，我很喜欢这个解释，不过还需要以仓鼠作为讲解对象。

这次来想象一下，指挥官停留在地球而仓鼠要以光速60%的速度向宇宙进发，目的地是一个距离我们6光年的恒星。

那么对于仓鼠来讲，飞船之外本来与地球相距6光年的航程只有4.8光年。因此，它以60%的光速行驶则需要8年才能到达目标恒星。

然而，从位于地球的指挥官的角度来看，他与那颗恒星之间的距离并没有发生变化，对他而言，仓鼠无论如何都需要6年时间才能到达。不过，由于其飞行速度是光速的60%，您会发现要到达目的地需要10年的时间。

但是，等到指挥官见证到仓鼠离开地球并到达恒星，已经是16年后了：仓鼠需要10年的时间到达目的地，而光传播回地球还需要6年。如果我们在飞船上放置一个巨大的时钟，当指挥官看到仓鼠到达恒星时，虽然时钟上标记着过去了10年而非16年，但只是因为那是飞船抵达目的地时的画面，额外的6年是一段延迟时间，因为光需要很长时间才能到达望远镜。

也就是说，在观察过程中，指挥官会看到仓鼠在太空完成某一动作需要原来在地球两倍的时间。因为他看到的仓鼠所处的时空，其时间节奏是地球的一半。不过，在飞船返回地球的过程中，两个时空的时间步伐将会逐渐平衡。

当指挥官观测到仓鼠已经乘坐飞船向地球靠近时，仓鼠实际上已经行驶了很长一段时间了，这同样是由于光线的延迟。对指挥官来说，仓鼠只花费了4年就完成了整个回程，他会认为此时飞船所在时空的时间流速是地球的两倍。虽然对仓鼠来说，这一过程将耗时8年。

换言之，当飞船最终回到地球时，对仓鼠来讲已经过去了16年（去程8年，回程8年）。然而对指挥官来讲，却认为它完成了一次20年的太空旅行（去程16年，回程4年）。

“等一下，这些会带来什么后果呢？”

爱因斯坦方程预测出了这样的现象：我们的运动不仅能够改变自身对时间的感知，还会让我们对空间的感知发生偏差。比如，相对一个静止的观察者而言，某个人的移动速度使其感知到时间的流逝节奏慢了10%，那么他所观测到的距离也将相对减少10%。这就意味着时间和空间并非单独存在，而是在同一四维空间中的两种表现形式。

令人意想不到的是，爱因斯坦并没有意识到这一点，论文发表两年后，他的教授、数学家赫尔曼·明科夫斯基开始研究这一理论。由于这一学说的复杂性，很多物理学家都认为它很不直观，需要能够想象出四维空间内物体的行为方式。不过对明可夫斯基等一群数学家来说，他们使用爱因斯坦方程式有一个优势。因为在数学领域内，学者们会经常使用拓扑学来处理问题，而这一理论的特点就是常常需要讨论三维以上的物体。

起初，爱因斯坦并不认为明科夫斯基的发现是真实存在的，他觉得这不过是一种数学技巧。然而，在数学技能有所提高并完成广义相对论时，爱因斯坦意识到自己老师的理论是真实的：宇宙是由时空结构构成的。

相对论中所谈论的现象其实在任何速度条件下都会发生，只是在现实生活中影响并不明显，以至于我们察觉不到这种细微的差别。例如，您驾车以120千米/小时的速度行驶，相对静止的旁观者则会看到您的时间减慢了0.00000000000062％，而您在所处空间内也会对外部世界有一样的感受。若想感知到自身的时间相比于其他人运转快得多，那么就得以每秒几千米的速度移动。也就是说，在日常生活中人们是觉察不到这种现象的。