极简广义相对论（2）

从光速到狭义相对论

先说结果，狭义相对论用一套完美的数学语言解决了“光速恒定不变”和“伽利略变换”的矛盾。“伽利略变换”升级为“洛伦兹变换”，相对于光速，在经典世界中的速度，比如人奔跑的速度，火车、飞机的运动速度实在太小了，小到可以忽略不计。所以解决经典世界中物体的动量问题，用“伽利略变换”就足够了。比如小明在火车上奔跑那个故事，非要用“洛伦兹变换”来计算，那么计算出来的结果就是105后面很多0，最后一位是1~9中的一个数字，譬如105.000000000000000001公里/小时这样（并未实际计算，仅是举例）。很显然这个看似精确的数字并没有什么用，因为在经典世界中我们不需要那么精确的数字。而在科学研究、航空航天等高科技领域，就必须用到洛伦兹变换了，例子在下一篇我会举。

简单来说，狭义相对论从更高维的逻辑角度解释了在光速恒定不变的状态下，宇宙中各种物体之间的关系。当然我们都知道爱因斯坦的狭义相对论最著名的部分便是解释了时间膨胀、空间收缩、质能转换等式等问题，这些思维模型都非常有趣，我也很想一一展开和各位小伙伴们来讨论，但本文的主旨是通过故事让小伙伴们更深刻的理解“逻辑”的概念，用更丰富多样的角度去解释“逻辑”，所以小编会挑选对本文主旨相关性高的知识来进行阐述。那么下面我们来看看在狭义相对论中时间膨胀这个概念。

时间膨胀，简单的来说就是时间变慢。时间这个概念在接触到狭义相对论之前，在常识范畴内小伙伴们都会认为时间是绝对的，也就是每个人和每个人的时间都是绝对相等的，我过1秒，你也过1秒，我过1年，你也过1年。但下面的结论可能要让你大跌眼镜了：“时间不是绝对的，也是相对的”，换句话说就是，你的时间和我的时间是不一样的。

什么？？？很多小伙伴要发起提问攻势了，“怎么可能，我从未见过谁的时间和我不一样。”“如果每个人时间都不一样，那世界标准时间还有什么意义？”

别着急，这部分比较烧脑，小编尽量用简单的例子来让小伙伴们理解为什么时间不是绝对的。我们都知道光速是恒定的，速度约为30万公里/秒。现在请你和小编一起来做一个思想实验：

你和小编各拿着一个光子钟，这个光子钟由平行的两面镜子组成，距离15米，光在这两面镜子之间垂直折返一次用时为一千万分之一秒（光速c=30万千米/秒除以折返一次距离30米），也就是说，光子在镜子之前来回折返1000万次是一秒，这是一种很精确的时钟。可以很方便的确认你的时间和小编的时间有什么不同。

小编拿着光子钟坐上了宇宙飞船，而你在原地不动，这个时候，小编的宇宙飞船以亚光速起飞了，因为是思想实验，我们假设你可以看到小编的光子钟，那么从你的视角来观察小编的光子钟会发生什么现象呢？

我们来用慢动作拆分，看看你观察到了什么。小编起飞那一刻，你和小编的光子钟的光子由下镜面自上镜面运动，不同的是，在你眼中你看到自己的钟的光子垂直上升到上镜面又垂直反弹回到下镜面，一共走了30米，时间过了一千万分之一秒；而你看到小编的光子钟的景象是，光子一上一下的过程构成了一个等腰三角形的两条相等边，因为在你的视角里飞船在亚光速移动，所以你看到小编的光子移动方向一定不是垂直而是倾斜的。

细心的小伙伴可能发现问题了，在你视角的坐标系中，小编手中的光子钟光子折返一次的的运动距离变长了，也就是说你手中的光子钟折返了一次，小编手中的光子钟并未完成一次折返。那么我们可推导得出你手中的光子钟折返了1000万次，也就是渡过了一秒钟，你眼中小编的光子钟只折返了500万次（1000万和500万只是一个比方，不必纠结具体是怎么求得的），你的一秒钟和你眼中小编的一秒钟长度并不相等。所以，在你看来，小编的时间变慢了，时间膨胀了。

同理，我们来到小编的视角中，小编坐在宇宙飞船上以亚光速移动，小编自己是相对静止的，而你对于小编是以亚光速移动的，小编看到你的光子钟也是变慢的，你的时间相对于小编也是膨胀的。

而为什么以亚光速的宇宙飞船为例？是因为如果换成飞机的速度，千万分之一秒的光子倾斜是几乎看不出来的，飞机的速度相对于光速实在太慢了。不如我们可以算一下，飞机的速度按800公里/时来计算，就是222米/秒，在一千万分之一秒内，飞机前行了0.022毫米，这么短的距离内用三角函数计算来求得小编的时间比你的慢了多少是微乎其微到可以忽略不计的。

通过以上，我们得出了结论：在你看来，小编的时间比你慢，小编的时间膨胀了；在小编看来，你的时间比小编慢，你的时间膨胀了。

爱因斯坦的狭义相对论从时间膨胀的这个更高的逻辑维度给我们解释了时间为什么是相对的而不是绝对的，完美的解决了光速恒定与经典物理学的矛盾冲突。

看到这个结论聪明的小伙伴又要发问了：“时间膨胀我理解了，可为什么非要从某一个的视角去看呢？难道不能从一个外部的视角去观察小编和我的时间到底谁更慢吗？”

当然可以，可是这个问题就不是狭义相对论可以解决的了，我们要从1905年继续前进到1915年，看看爱因斯坦提出的广义相对论是怎么解决这个问题的。

关于“洛伦兹变换”的具体公式及推导过程，包括相关的一些实验过程，因为篇幅关系我就不一一列举了，有兴趣的小伙伴可以自行了解。

今天的内容比较烧脑，有兴趣的小伙伴可以多看几遍，理解了时间膨胀这个概念，是理解相对论的前置条件。明天小编会和大家聊聊广义相对论及其应用。