崖子

源于一個大膽想象

今天，恐怕沒人相信“天圓地方”，然而以前人們都這么認為。這要感謝前輩先賢，如哥白尼、伽利略、愛因斯坦，他們大膽的想象力和勇氣，改變了我們對世界的認識。

愛因斯坦的想象更為大膽。他在頭腦里，構(gòu)建了一處獨一無二的實驗空間，一切實驗都在這個空間進行。這種思想實驗最終得到了令人難以置信卻無法拒絕的結(jié)論。這就是相對論，它顛覆了當時的物理學，也顛覆了人們對世界的認識。

16歲時，愛因斯坦就進行了一次大膽的想象。這想法是，如果一個人以光速運動時會看到什么現(xiàn)象？從那以后，愛因斯坦開始了對時空本質(zhì)的思考。

升級版的伽利略之船

伽利略也做過思想實驗，而且深深影響了愛因斯坦。

當時伽利略向人們解釋為什么我們感覺不到地球在轉(zhuǎn)動，他想象有一艘船在海上航行，船上有一間封閉船艙。如果人們在船艙內(nèi)活動，與停在港口相比有什么區(qū)別？

實際上沒區(qū)別，船艙里的人們并沒有感覺到船在航行，只有看到船外的參照物時，人們才能確定船是否在航行。同樣，地球轉(zhuǎn)動時所有一切都隨之轉(zhuǎn)動，如果不把太陽、星星作為參照物，我們不可能覺察地球在轉(zhuǎn)動。伽利略的思想實驗為愛因斯坦提供了模型框架。

另外，19世紀后半葉電磁學發(fā)展迅速，人們認識到可見光是某一頻率范圍內(nèi)的電磁波，并且與電磁波速度一樣，真空中的光速大約是30萬千米/秒，無論以什么為參照物，都會恒定不變。

愛因斯坦把光引入伽利略之船，并把船升級為新交通工具火車，然后在車上安置乘客小佳。在火車前進方向上，小佳打開燈并測得光速為30萬千米/秒。根據(jù)伽利略之船的原理，愛因斯坦知道無論火車開得多快，小佳測得光速始終不變。

愛因斯坦繼續(xù)想象，如果火車站臺有一人小明，他看到燈光速度是多少？根據(jù)經(jīng)典物理學，只需把火車速度和燈光速度簡單相加，就是小明看到的光速。由于光速太大，火車速度一般忽略不計，可是如果火車速度也是30萬千米/秒，小明看到的光速就是原來光速的2倍，即60萬千米/秒了。

但電磁學證明光速永遠恒定在30萬千米/秒，不受任何參照物影響。這明顯的矛盾使愛因斯坦十分困惑。

鐘慢和尺縮

這時，愛因斯坦的豐富想象力才真正開始爆發(fā)。

以往，我們都認為時間和空間是獨立存在的，時空是平均分布、固定不變的。但是愛因斯坦對此提出了質(zhì)疑，如果時空固定不變，光速就不可能恒定不變。如果光速不變，那么時間和空間就必須“改變”。

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)高速運動會使時間變慢。思想實驗中，小明會認為，小佳所經(jīng)歷的時間慢了。反過來， 小佳會認為，小明反倒在飛速后移，小明經(jīng)歷的時間也會變慢。

為理解時間變慢，我們舉一個例子。有一個特制時鐘，裝有兩面上下相對的鏡子，一束光在鏡面之間不斷反射，每反射一個來回，時鐘就“嘀嗒”走一下（見上頁圖）。

小佳和小明分別帶一個時鐘。從站臺上看去，小佳的時鐘隨火車高速運動，當光束射出還沒到達對面鏡子時，鏡子隨火車向前移動一點；當光束反射后還沒返回原鏡子時，鏡子也會隨火車向前移動一點。因此小明就看到，小佳的時鐘里光束反射路徑并不是完全的直來直去，而是沿著較長的一條對角線路徑在鏡子間反射。換句話說，小佳時鐘“滴答”一下的時間變長了。反之，小佳會看到小明的時鐘也是如此。

這只是時間的改變。此外，小明還會看到火車及一切隨之運動的物體都縮小了，換句話說，火車變短了（在測量物體長度時，只有物體兩端的光信號同時到達觀測者眼簾時，測量才能得以進行。當火車高速運行時，車頭的光信號到達車尾，與車尾的光信號同時發(fā)到測量者身邊時，測量才能進行，而車頭光信號到達車尾時，車尾自身也向前行進了一截，于是，在測量者眼中，火車縮短了）。這就是空間改變的效果?？臻g不是剛硬的，更不是固定不變的。當空間收縮，其中的物體自然也會收縮。

為了使光速不變，愛因斯坦讓時空發(fā)生改變，帶來了鐘慢和尺縮效應(yīng)。聽起來很古怪，但這就是狹義相對論中的內(nèi)容。自1905年發(fā)表以來，它經(jīng)受住了各種考驗，如今已成為物理學的基礎(chǔ)。

引力和加速度

然而，狹義相對論僅限于物體運動速度不變的情況。愛因斯坦并不滿足，他又展開了更大膽的想象。

1907年的一天，愛因斯坦偶然想到，如果一個工人從高空作業(yè)的腳手架上掉下來，呈自由落體狀態(tài)，此時工人松開手里的蘋果，會發(fā)生什么情況？他把這情景引入實驗空間，由于沒有其他參照物，當放開蘋果后，工人會看到蘋果靜止不動，在原地飄?。ㄈ缦聢D）。

他繼續(xù)想象，假如在太空中有一個處于失重狀態(tài)的封閉船艙，工人正飄浮在船艙中央，突然遭遇失火爆炸，船艙地板因爆炸向上飛起，就要撞到他。而工人看來，自己正被壓向地板，如果這時他放開蘋果，會看到蘋果掉到地板上。換句話說，船艙地板因爆炸產(chǎn)生向上的運動速度，使工人重新感覺到了引力作用。

愛因斯坦意識到，在引力空間里自由落體使人感覺到靜止，而在失重狀態(tài)下，向上的速度使人感覺到引力的作用，那么引力和加速度應(yīng)該具有某種同等效應(yīng)。

時空的扭曲

繼續(xù)發(fā)揮想象，假如你現(xiàn)在是一名宇航員，獨自飄浮在愛因斯坦的實驗空間中，你決定發(fā)射激光信號求救。這時一艘飛船正好經(jīng)過，雖然速度極快但恰巧被激光射中。

在你看來，激光直直地射出去，射中飛船窗戶并進入飛船，射中窗戶對面。由于飛船速度不減，激光射中窗戶對面的位置，肯定比窗戶的位置低一點（見下圖）。因此你會看到激光本來是直直的，但進入飛船后就有點彎曲了。另一方面，飛船上人看不到飛船內(nèi)激光是彎曲的。相反，由于速度和引力具有同等效果，飛船上人看到你發(fā)出的激光信號劃過一條彎彎弧線到達了飛船。

愛因斯坦意識到引力扭曲光線，更確切地說，引力扭曲空間。如同一塊石頭在蹦床上滾動，把蹦床壓得凹陷扭曲一樣，空間被引力扭曲得像蹦床，光線沿著空間的扭曲路徑傳播。1919年天文學家驗證了這個結(jié)論，在日食時他們直接觀測到太陽周圍的光線彎曲了。

引力不僅扭曲空間，還扭曲時間，使時間變慢。想象游樂場有一個速度超快的大轉(zhuǎn)盤，你坐在上面。大轉(zhuǎn)盤越轉(zhuǎn)越快，你會感覺被一股強力拉扯，以圓形軌跡飛速運動。根據(jù)狹義相對論，運動物體的時間會變慢，對地面上游客來說，你的時間變慢了。而且大轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)得越快，你的時間就越慢。大轉(zhuǎn)盤拉扯你的這股強力就是向心力，它與引力等效，因此可以說，引力越強時間越慢。

引力扭曲時間，這時刻影響著我們，GPS導(dǎo)航就是例子。人造衛(wèi)星遠離地表引力減弱，時間會快一點，但是它又繞地球高速運動，時間又會慢一點。由于這兩種效應(yīng)不完全抵消，衛(wèi)星時間大約每天快38微秒。如果不用相對論糾正誤差，GPS導(dǎo)航將每天偏差約9.98千米。

質(zhì)量與能量

愛因斯坦在相對論上每一個成就，幾乎都來自他的想象，包括著名的質(zhì)能方程。

想象一列封閉的火車車廂停放在軌道上。某一時刻，車廂后壁向前方發(fā)射一粒光子，這產(chǎn)生向后的反作用力，使車廂向后滑動；光子擊中前壁時，又產(chǎn)生反作用力抵消車廂向后滑動，使之靜止。整體上看，車廂后移了一點。這與水上獨木舟的情景類似，如果你從獨木舟后端走到前端，獨木舟會向后滑行；當你停止，獨木舟重新靜止。

獨木舟上你的質(zhì)量從后端移到前端，因此車廂后壁的一些質(zhì)量肯定也移到了前壁。與之同理，愛因斯坦認為，這意味著光子的能量被前壁吸收，并轉(zhuǎn)為質(zhì)量。

就這樣借助豐富的想象力，愛因斯坦推導(dǎo)出質(zhì)能方程E=mc2。核心是能量與質(zhì)量等效，可以相互轉(zhuǎn)化。這也是現(xiàn)代核武器和核電的關(guān)鍵原理。由于光速非常大，即使是極小質(zhì)量也能產(chǎn)生巨大能量。

愛因斯坦提出的相對論，為人類開啟了新紀元，使人類對宇宙的認識上升到新的高度。愛因斯坦的思想遺產(chǎn)彌足珍貴！然而，更珍貴的，與其說是相對論，不如說是他的大膽而豐富的想象力！