什么是狭义相对论?

狭义相对论是一个美丽的科学理论;它的美丽在于它推翻了牛顿力学，彻底改变了科学的面貌，也在于它的简单。爱因斯坦于1905年发表了他的狭义相对论;该理论描述了以不同速度运动如何影响物体的长度以及时间的快慢。这是广义相对论的最简单形式，因为它只考虑以恒定速度运动的物体——因此被称为“特殊”。加速物体留给广义相对论来解释。爱因斯坦于1915年发表了他完整的广义相对论，比狭义相对论晚了十年;今年是他的著作出版100周年。

尽管狭义相对论鲜为人知，但它在我们的生活中扮演着不可或缺的角色。狭义相对论导致的长度和时间的变化必须在日常物品中得到解释，比如全球定位系统(gps)。由于社会赋予爱因斯坦天才的形象，人们常常错误地认为狭义相对论太难理解，而事实上，整个狭义相对论实际上是由两个非常简单的原理推导出来的。

狭义相对论的原理

狭义相对论第一原理

你坐在火车上，等待着火车开走。最后，你听到门的哔哔声，表明你的火车即将出发。你看着窗外临近轨道上的火车，看着你驶过它。只是，一旦你驶过另一列火车，你看到的不是飞驰而过的世界，而是完全静止的车站。是另一列火车朝相反的方向开走了。

每个人都能理解这个故事，它发生在我们所有人身上。这是因为，一旦你停止加速，就没有办法判断你的火车是否在移动。一旦你在移动，火车里的一切都表现得好像你是静止的;你的杯子仍然放在桌子上，你可以自由地在马车上走来走去，就好像它没有以每小时60英里的速度飞驰一样。这是因为无论你是静止还是匀速运动，物理定律都是一样的。

但是，当你望向窗外，看到世界飞驰而过，这难道不告诉你，你在移动吗?不，不是的!所有这些告诉我们的是，我们相对于地球在运动，但我们无法真正知道我们的运动速度有多快，甚至无法知道我们是否在运动，因为地球本身并不是静止的。地球绕着太阳转，太阳绕着我们银河系的中心转，我们的星系也在不停地旋转，更不用说宇宙在不停地膨胀了。

没有办法知道某物是否在移动;这是狭义相对论的第一原理。

狭义相对论第二原理

你和你的朋友欧文各自买了一枚高速火箭，并决定向你的朋友罗莎琳德炫耀一下。你有一场比赛;罗莎琳德站在地上，抬头看着你，测量你的速度。她测得你的速度是每小时2万英里，欧文的速度是每小时1.5万英里。

然而，欧文也测量了你的速度，在他看来，你的速度只有每小时5000英里。这是因为5000英里每小时是你的两个速度之差。因此，你没有绝对速度，你走得多快取决于观察者比你走得多快。

为了进一步验证这一观察结果，你以每小时1000英里的速度从火箭前部发射一个球。对你来说，球的速度是每小时1000英里，罗莎琳德测量它的速度是每小时21000英里，欧文测量它的速度是每小时6000英里。这再次证明了速度是相对的，球本身没有绝对的速度，它的速度取决于观察者与它相比运动的速度。

你和欧文都发现了一个新的按钮，它可以打开火箭中超强的推力引擎。当你按下按钮时，你的速度是光速的一半(c/2)，当欧文按下按钮时，他的速度是光速的四分之一(c/4)。你决定测试一下，看看你之前的观察是否也适用于光;你挥动手电，释放出一束光。你测量光束的速度为光速(c)。根据你之前的观察，你会期望罗莎琳德测量光束的速度为1.5c，因为她观察到从以c/2速度飞行的火箭以速度c射出的光束。然而，事实并非如此，罗莎琳德也测量到光束以c的速度行进。事实上，欧文也测量到你的光束以c的速度行进。你、罗莎琳德和欧文都记录到光束以完全相同的速度行进。

光速对所有观察者来说都是一样的;这是狭义相对论的第二个原理。

对所有观察者来说光速怎么可能是一样的呢?

如果你认为这非常奇怪，那么你并不孤单。光对所有观察者都以同样的速度传播，这一事实直接与前面使用球的例子相矛盾。然而，这是可以解释的。我们都知道:

速度=距离/时间

为了使所有观测者对光速的看法一致，距离和时间会随着观测者的速度而变化。你走得越快，时间就越慢，物体就会收缩得越多!所以你的表走得比欧文的表慢欧文的表走得比罗莎琳德的表慢;你火箭上的尺子比欧文火箭上的尺子短，欧文的尺子比罗莎琳德的短。这些变化意味着每个人测量光的速度都是一样的。

对于不接近光速的速度，时间和距离的变化很小。每次你坐火车的时候，时间确实变慢了，物体也确实缩小了，但缩小的幅度很小，你根本察觉不到。然而，在某些情况下，这种差异是显著的。

狭义相对论在起作用

如果我们能够以接近光速的速度运动，狭义相对论将产生重大影响。例如，你决定乘坐火箭，以光速的一半(c/2)在太空中旅行四年。然而，当你回来的时候，你发现罗莎琳德已经过去了30年!这是因为你的旅行速度比地球快，所以时间对你来说比罗莎琳德过得慢——导致你只老了4岁，而她30岁。

尽管像上面这样的例子还没有在日常生活中出现，但狭义相对论的影响确实经常需要考虑，特别是在诸如gps之类的电子设备中。大多数人可能都用过GPS。他们是如此的平凡，以至于我们很容易忘记他们是多么的聪明;你可以用一个像手机一样小的设备站在世界上的任何地方，它会告诉你在地球上的位置，误差不到半米!

全球定位系统接收器的工作原理是，从我们目前在地球轨道上运行的24颗定位卫星中至少接收4颗卫星的信号。每个都发出一个信号，被接收器接收。然后，接收器通过测量每个信号到达卫星所需的时间来计算自己的位置，因为它知道卫星的位置。为了确保接收器和卫星在信号发送的时间上达成一致，必须考虑到狭义相对论效应。由于地面上的观测者看到卫星相对于它们移动，狭义相对论预测它们的时钟应该移动得更慢。如果不把这种时间上的差别考虑在内，每天就会发生十公里的位置误差!

2015年是有史以来最具突破性的科学论文之一发表100周年;这篇论文为世界带来了太空旅行、卫星、GPS以及对宇宙的更深入了解。希望我们不用再等100年才能看到下一个。