漫画：什么是狭义相对论？

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学过初中物理的人都知道，运动是相对的。脱离参照系来讨论一个物体的运动或静止，是毫无意义的。这个参照系被称为惯性坐标系。

我们来看一个例子：

有一辆坦克，以10米/秒的速度在前进。这辆坦克在行进过程中，发出一颗炮弹，炮弹相对坦克以20米/秒的速度飞行。那么，以地面上站立不动的士兵为坐标系，炮弹相对士兵的速度是多少呢？

还是一辆坦克，以10米/秒的速度在前进。这辆坦克在行进过程中，打开探照灯射出一束光（大家都知道，光速是300000km/s，用小写c表示）。那么，以地面上站立不动的士兵为坐标系，这束光相对士兵的速度是多少呢？

狭义相对论

什么是狭义相对论呢？狭义相对论是基于两个重要的假设。

1.相对性原理：在所有惯性系中，物理定律都具有相同形式；或在任何一个惯性参考系内部，不能通过任何实验测出该惯性系相对于其他惯性系的速度。

2.光速不变原理：在所有惯性系中，光在真空中的传播速度均为c，与光源运动与否无关。

相对性原理并不难理解，任何的运动和静止都是相对于某个坐标系的，并不存在绝对的静止。在经典力学体系中也有类似的观点，狭义相对论对这个原理进行了扩展和补充。

至于光速不变原理，对于我们这些生活在低速运动世界的人们来说，确实很难理解。无论我们相对于光做怎样的运动，是迎着光跑过来，还是顺着光一起跑，甚至用接近光速奔跑，光速相对于我们都是不变的！

这两个假设还仅仅是狭义相对论的起点，通过这两个假设，后面推导出的结果会更加不可思议。

时间膨胀效应

时间还会有不一致的情况？在什么情况下会出现呢？让我们来看一个例子：

有一辆公共汽车以速度v向前行驶，从车底到车顶的高度是L。有人在车上打开手电筒，从车底向车顶照射。

以车上的人为坐标系，光所经过的路线是向上垂直的，路程是L，光到达车顶所花费的时间 t1=L/c。

那么，以一个站在路边的人为坐标系，光所经过的路线是什么样呢？

当光线向上照射的时候，车也在向前走，所以在路人看来，光线到达天花板所经过的路线是斜向的：

假设路人看到光从车底到达车顶的用时是t2，那么这个过程中汽车走出的距离就是v * t2。当然，图中所画的比例有些夸张，实际上汽车不可能走出这么远距离。

如此一来，光实际经过的距离是多少呢？用勾股定理可以算出光经过的距离，我们把这个距离设为D。

光速在任何坐标系下都是c，所以 t1 = L/c，t2 = D/c。

L是汽车的垂直距离，D是斜向的距离，显然D大于L。

所以t2（路人感受到的时间）>t1（车上人感受到的时间）。也就是说，在行驶的汽车上，时间变慢了。

由此可见，时间并不是绝对的，对于不同惯性坐标系下的人可能会不一样。有一个著名的科幻电影《星际穿越》，情节中父亲高速飞行到遥远的星系，回来以后发现女儿比自己还要老得多，就是这个道理。

“就算在飞机上坐一辈子，人们延长的生命还不足1秒钟，远远不及劣质飞机餐对健康的残害。”

长度收缩效应

为什么说长度可以收缩？让我们回到刚才公共汽车的例子，有一辆公共汽车以速度v向前行驶，从A点行驶到B点：

以汽车乘客的惯性坐标系来看，所花费的时间是t1，从路边站立的行人来看，所花费的时间是t2。

汽车相对于道路的速度v，这个速度在两个坐标系下看来是一样的。因此，在汽车乘客看来，A点到B点的距离S1 = v * t1；在路人看来，A点到B点的距离S2 = v * t2。

刚才我们已经证明过 t1< t2， 所以S1也小于S2，也就是说对于车上的乘客而言，A点到B点的距离变短了。

运动物体沿运动方向的长度变短，这就是相对论的长度收缩效应。

仅仅冰山一角

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