第二章

1　愛(ài)因斯坦

愛(ài)因斯坦對(duì)天文學(xué)最大的貢獻(xiàn)在于他的宇宙學(xué)理論——大大推動(dòng)了現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展。

2　光速

光速實(shí)驗(yàn)

目測(cè)光速實(shí)驗(yàn)假設(shè)

假設(shè)一個(gè)人現(xiàn)在以時(shí)速100千米駕駛汽車(chē)，當(dāng)他看到一輛以時(shí)速200千米行駛的列車(chē)時(shí)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？

假如汽車(chē)是與列車(chē)同方向行駛，人對(duì)列車(chē)的目測(cè)速度是時(shí)速100千米。

如果汽車(chē)與列車(chē)開(kāi)往相反方向，那么人對(duì)列車(chē)的目測(cè)速度就是時(shí)速300千米。

結(jié)論

由運(yùn)動(dòng)光源發(fā)出的光速應(yīng)當(dāng)比起由靜止光源發(fā)出的光速更快。如果運(yùn)動(dòng)中的光有相交，那么目測(cè)速度應(yīng)當(dāng)是兩者速度之和。

對(duì)上述結(jié)論的質(zhì)疑

實(shí)驗(yàn)結(jié)論　對(duì)于運(yùn)動(dòng)的光源和靜止光源，每一位觀測(cè)者測(cè)得的速度都是一樣的，因此光速是恒定的。

3　永恒不變

時(shí)間永遠(yuǎn)是恒定的

如同散文家提出的疑問(wèn)：“但是，聰明的你告訴我，我們的日子為什么一去不復(fù)返呢？—是有人偷了他們罷：那是誰(shuí)？又藏在何處呢？是他們自己逃走了罷：現(xiàn)在又到了哪里呢？”物理學(xué)家也在思考，為什么時(shí)間無(wú)論在什么樣的情況下，都是恒定的。

4　絕對(duì)空間

以太的科學(xué)意義

被物理學(xué)家拋棄的以太以太（Ether）是一個(gè)歷史上的名詞。在古希臘，以太指的是青天或上層大氣；在宇宙學(xué)中，又用來(lái)表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)；17世紀(jì)的笛卡兒將以太引入科學(xué)，并賦予它某種力學(xué)性質(zhì)。

5　愛(ài)因斯坦之前的解釋

運(yùn)動(dòng)前帶來(lái)的驚人變化星體運(yùn)行的路徑

如圖所示，地球是繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，而太陽(yáng)也是從2億—3億年前就開(kāi)始繞著銀河系中心附近而運(yùn)轉(zhuǎn)的，銀河系本身又是受到相距2億光年鄰近的安拖羅美達(dá)星云吸引而運(yùn)轉(zhuǎn)的。

運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度變短了

在愛(ài)因斯坦之前，曾有科學(xué)家提出關(guān)于“運(yùn)動(dòng)中的物體長(zhǎng)度會(huì)縮小”的觀點(diǎn)。他們認(rèn)為，物體之所以運(yùn)動(dòng)，就是以太風(fēng)對(duì)物體中分子產(chǎn)生壓力的結(jié)果。由此，我們可以推斷，光速也應(yīng)該會(huì)發(fā)生變化。而且，與此同時(shí)，測(cè)量光速的直尺也在發(fā)生變化。

6　光速不變?cè)?/p>

在1905年，愛(ài)因斯坦顛覆過(guò)去所有的猜測(cè)和想法，提出了一種合理的解釋?zhuān)汗馑俨蛔冊(cè)?。這一原理讓媒介以太（能媒）也失去了存在的必要性。

7　相對(duì)性原理

有關(guān)“薩爾維蒂”大船究竟船是動(dòng)的還是靜止的呢

首次將相對(duì)性原理以明確的形式應(yīng)用于物理學(xué)的人是伽利略。人們?cè)谟^察物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)思考一個(gè)問(wèn)題：究竟船是動(dòng)的還是靜止的呢？對(duì)這些問(wèn)題的思考就是相對(duì)性原理被發(fā)現(xiàn)的原因。

“薩爾維蒂”大船闡述的真理

1632年，伽利略出版了他的名著《關(guān)于拖勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話(huà)》，書(shū)中回答當(dāng)時(shí)人們關(guān)于地動(dòng)說(shuō)和地靜說(shuō)的爭(zhēng)論。他提到了一艘叫作“薩爾維蒂”的船，它的狀態(tài)是靜止勻速運(yùn)動(dòng)。

結(jié)論

關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是在陸地上進(jìn)行還是在航船上進(jìn)行，結(jié)果都是一樣的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論　“薩爾維蒂”大船道出了一條重要的真理：就船中發(fā)生的任何一種現(xiàn)象而言，人們無(wú)法判斷船處于什么樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即我們所說(shuō)的伽利略相對(duì)性原理?！八_爾維蒂”的大船就是一種慣性參考系。

8　四維

大膽做一次實(shí)驗(yàn)太空船里的鏡子反光實(shí)驗(yàn)

這是以一半光速做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的太空船，正經(jīng)過(guò)地球的旁邊。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論　就太空船內(nèi)的人而言，光是同時(shí)到達(dá)兩邊的鏡子的，但就地球上的人而言，他們看到的光并非同時(shí)到達(dá)兩邊的鏡子。因此，同時(shí)與否，取決于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

10　鐘表變慢

運(yùn)動(dòng)中的鐘表的實(shí)驗(yàn)

我們將測(cè)定光行走時(shí)間的計(jì)時(shí)器分別置于靜止的容器和運(yùn)動(dòng)的容器中，然后開(kāi)始測(cè)量光線(xiàn)從容器底到天花板的往返時(shí)間。

靜止的箱子

假設(shè)測(cè)試者在失重靜止的箱子里測(cè)量光速，那么用箱子的高度來(lái)除以光速就可以得出光由地板到達(dá)天花板的時(shí)間；如果將所花的時(shí)間翻一倍的話(huà)，即可以知道光往返所需的時(shí)間。

運(yùn)動(dòng)的箱子

現(xiàn)在這個(gè)箱子正以一定的速度做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。箱內(nèi)的人所看到的光線(xiàn)的直射和反射跟箱子靜止時(shí)的情形基本一樣，但箱外的人會(huì)看到不同的情況。箱外的人看到的是光線(xiàn)的運(yùn)行路徑為先傾斜地上升，經(jīng)天花板上的鏡子反射后，再傾斜地下降，箱外人看見(jiàn)的光線(xiàn)要比箱內(nèi)人看到的光線(xiàn)多走一段距離。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論　光速是恒定的，但是箱外的人所測(cè)出的光往返的時(shí)間會(huì)比箱子里的人測(cè)得的時(shí)間更長(zhǎng)。正因?yàn)槿绱?，運(yùn)動(dòng)中的鐘表由靜止的人來(lái)看，會(huì)發(fā)現(xiàn)比起自己的鐘表多走了1個(gè)單位的時(shí)間。

11　測(cè)定值會(huì)縮小

物體運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度變化箱子過(guò)隧道的實(shí)驗(yàn)

由前文的實(shí)驗(yàn)我們可以知曉箱子里面的鐘表時(shí)間會(huì)比箱子外面的鐘表的時(shí)間走得更慢。為什么箱子以同樣的速度過(guò)隧道，箱子里外的人卻測(cè)出不同的時(shí)間呢？

分析物體運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度會(huì)變短

我們先假設(shè)，箱子外面的人測(cè)得箱子穿過(guò)隧道的時(shí)間是10秒，而箱子里面的人測(cè)得的時(shí)間為5秒而已。對(duì)于箱內(nèi)的人來(lái)說(shuō)，箱子在發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，隧道的長(zhǎng)度會(huì)比靜止時(shí)測(cè)得的長(zhǎng)度更短，即所有的東西在發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，其與運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度看起來(lái)都會(huì)縮小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論　理論上人可以長(zhǎng)生不老。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的人的時(shí)間和空間的尺度與靜止中的人的時(shí)間和空間之尺度是顯著不同的，造成這種變化的原因就在于光速的恒定。運(yùn)動(dòng)速度越快，時(shí)間走得越慢，而人的壽命則可以延長(zhǎng)。不過(guò)任何速度與每秒30萬(wàn)千米的光速相比，都是可以忽略不計(jì)的。

12　驗(yàn)證時(shí)間變慢

沖進(jìn)大氣層的宇宙線(xiàn)原子核

結(jié)論

推斷：假如時(shí)間沒(méi)有變慢，即使以光的速度，中微子流在進(jìn)入大氣層后也只能走數(shù)百米，絕對(duì)不會(huì)到達(dá)地面。因此，我們可以根據(jù)地面上存在中微子推測(cè)，中微子以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)著，所以它的壽命是大大延長(zhǎng)了——時(shí)間變慢了。

相關(guān)鏈接

什么是宇宙射線(xiàn)　宇宙射線(xiàn)是來(lái)自于宇宙中的一種蘊(yùn)涵著相當(dāng)大能量的帶電粒子流，主要由質(zhì)子、氦核、鐵核等裸原子核組成的高能粒子流，也含有中性的伽馬射線(xiàn)和能穿過(guò)地球的中微子流。它們?cè)谛窍惦H、銀河和太陽(yáng)磁場(chǎng)中得到加速和調(diào)制，其中一些最終穿過(guò)大氣層到達(dá)地球。1912年，德國(guó)科學(xué)家韋克多·漢斯在空氣電離度的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電離室內(nèi)的電流會(huì)隨海拔升高而變大，從而認(rèn)定電流是來(lái)自地球以外的一種穿透性極強(qiáng)的射線(xiàn)所產(chǎn)生的，即“宇宙射線(xiàn)”。

13　再度相逢時(shí)誰(shuí)更年輕

再見(jiàn)面時(shí)誰(shuí)更年輕

公元2500年，男孩搭乘了太空船前往距離太陽(yáng)4光年的一個(gè)恒星探險(xiǎn)。女孩則留在地球，等待戀人的歸來(lái)。男孩到達(dá)目標(biāo)恒星后，就立刻轉(zhuǎn)向直接返回地球。根據(jù)運(yùn)動(dòng)使時(shí)間變慢的原理，當(dāng)他們?cè)俣戎胤陼r(shí)，年紀(jì)將不再相同，但是，究竟誰(shuí)更年輕呢？

14　男孩更年輕

男孩更年輕的原因分析

現(xiàn)在來(lái)分析一下太空船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變的過(guò)程。

結(jié)論

對(duì)男孩而言，地球上的女孩的鐘表比他自己的鐘表走得更慢一些；同時(shí)，對(duì)于女孩而言，運(yùn)動(dòng)中的男孩的鐘表會(huì)比她自己的手表走得更慢一些，所以在持續(xù)向恒星飛行的這段時(shí)間里他們的狀態(tài)是相同的，而兩人的鐘表的運(yùn)行時(shí)間也是相同的，兩人的年紀(jì)變化也是相同的

結(jié)論

因此，處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的太空船的時(shí)間才會(huì)減慢，所以，再度相逢時(shí)，男孩更年輕。

專(zhuān)題　水桶實(shí)驗(yàn)

和牛頓有關(guān)的水桶實(shí)驗(yàn)牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀

牛頓在力學(xué)定律（包括慣性定律）里沒(méi)有明確指明，所謂“靜止”、“勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)”和“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變”是對(duì)什么參考物體而言。為彌補(bǔ)自己理論中這一薄弱環(huán)節(jié)，他引入了一個(gè)客觀標(biāo)準(zhǔn)——絕對(duì)空間，用以判斷各物體是處于靜止、勻速運(yùn)動(dòng)，還是加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如水桶實(shí)驗(yàn)所表明的。

“水桶實(shí)驗(yàn)”

將一個(gè)盛水的桶掛在一條扭得很緊的繩子上，然后放手，如圖所示：

牛頓的分析

在第一和第三階段，水和桶都有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，前者水是平的，后者水面凹下；在第二、第三階段里，無(wú)論水和桶無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，水面都是凹下的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論　桶和水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不是水面凹下的原因，根本原因是水在空間里絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的加速度。