相对论的诞生：借助想象力

源于一个大胆想象

今天，恐怕没人相信“天圆地方”，然而以前人们都这么认为。这要感谢前辈先贤，如哥白尼、伽利略、爱因斯坦，他们大胆的想象力和勇气，改变了我们对世界的认识。
爱因斯坦的想象更为大胆。他在头脑里，构建了一处独一无二的实验空间，一切实验都在这个空间进行。这种思想实验最终得到了令人难以置信却无法拒绝的结论。这就是相对论，它颠覆了当时的物理学，也颠覆了人们对世界的认识。

16岁时，爱因斯坦就进行了一次大胆的想象。这想法是，如果一个人以光速运动时会看到什么现象？从那以后，爱因斯坦开始了对时空本质的思考。

升级版的伽利略之船

伽利略也做过思想实验，而且深深影响了爱因斯坦。
当时伽利略向人们解释为什么我们感觉不到地球在转动，他想象有一艘船在海上航行，船上有一间封闭船舱。如果人们在船舱内活动，与停在港口相比有什么区别？
实际上没区别，船舱里的人们并没有感觉到船在航行，只有看到船外的参照物时，人们才能确定船是否在航行。同样，地球转动时所有一切都随之转动，如果不把太阳、星星作为参照物，我们不可能觉察地球在转动。伽利略的思想实验为爱因斯坦提供了模型框架。
另外，19世纪后半叶电磁学发展迅速，人们认识到可见光是某一频率范围内的电磁波，并且与电磁波速度一样，真空中的光速大约是30万千米/秒，无论以什么为参照物，都会恒定不变。
爱因斯坦把光引入伽利略之船，并把船升级为新交通工具火车，然后在车上安置乘客小佳。在火车前进方向上，小佳打开灯并测得光速为30万千米/秒。根据伽利略之船的原理，爱因斯坦知道无论火车开得多快，小佳测得光速始终不变。
爱因斯坦继续想象，如果火车站台有一人小明，他看到灯光速度是多少？根据经典物理学，只需把火车速度和灯光速度简单相加，就是小明看到的光速。由于光速太大，火车速度一般忽略不计，可是如果火车速度也是30万千米/秒，小明看到的光速就是原来光速的2倍，即60万千米/秒了。
但电磁学证明光速永远恒定在30万千米/秒，不受任何参照物影响。这明显的矛盾使爱因斯坦十分困惑。

钟慢和尺缩

这时，爱因斯坦的丰富想象力才真正开始爆发。
以往，我们都认为时间和空间是独立存在的，时空是平均分布、固定不变的。但是爱因斯坦对此提出了质疑，如果时空固定不变，光速就不可能恒定不变。如果光速不变，那么时间和空间就必须“改变”。
爱因斯坦发现高速运动会使时间变慢。思想实验中，小明会认为，小佳所经历的时间慢了。反过来， 小佳会认为，小明反倒在飞速后移，小明经历的时间也会变慢。
为理解时间变慢，我们举一个例子。有一个特制时钟，装有两面上下相对的镜子，一束光在镜面之间不断反射，每反射一个来回，时钟就“嘀嗒”走一下（见上页图）。
小佳和小明分别带一个时钟。从站台上看去，小佳的时钟随火车高速运动，当光束射出还没到达对面镜子时，镜子随火车向前移动一点；当光束反射后还没返回原镜子时，镜子也会随火车向前移动一点。因此小明就看到，小佳的时钟里光束反射路径并不是完全的直来直去，而是沿着较长的一条对角线路径在镜子间反射。换句话说，小佳时钟“滴答”一下的时间变长了。反之，小佳会看到小明的时钟也是如此。
这只是时间的改变。此外，小明还会看到火车及一切随之运动的物体都缩小了，换句话说，火车变短了（在测量物体长度时，只有物体两端的光信号同时到达观测者眼帘时，测量才能得以进行。当火车高速运行时，车头的光信号到达车尾，与车尾的光信号同时发到测量者身边时，测量才能进行，而车头光信号到达车尾时，车尾自身也向前行进了一截，于是，在测量者眼中，火车缩短了）。这就是空间改变的效果。空间不是刚硬的，更不是固定不变的。当空间收缩，其中的物体自然也会收缩。
为了使光速不变，爱因斯坦让时空发生改变，带来了钟慢和尺缩效应。听起来很古怪，但这就是狭义相对论中的内容。自1905年发表以来，它经受住了各种考验，如今已成为物理学的基础。

引力和加速度

然而，狭义相对论仅限于物体运动速度不变的情况。爱因斯坦并不满足，他又展开了更大胆的想象。
1907年的一天，爱因斯坦偶然想到，如果一个工人从高空作业的脚手架上掉下来，呈自由落体状态，此时工人松开手里的苹果，会发生什么情况？他把这情景引入实验空间，由于没有其他参照物，当放开苹果后，工人会看到苹果静止不动，在原地飘浮（如下图）。
他继续想象，假如在太空中有一个处于失重状态的封闭船舱，工人正飘浮在船舱中央，突然遭遇失火爆炸，船舱地板因爆炸向上飞起，就要撞到他。而工人看来，自己正被压向地板，如果这时他放开苹果，会看到苹果掉到地板上。换句话说，船舱地板因爆炸产生向上的运动速度，使工人重新感觉到了引力作用。
爱因斯坦意识到，在引力空间里自由落体使人感觉到静止，而在失重状态下，向上的速度使人感觉到引力的作用，那么引力和加速度应该具有某种同等效应。

时空的扭曲

继续发挥想象，假如你现在是一名宇航员，独自飘浮在爱因斯坦的实验空间中，你决定发射激光信号求救。这时一艘飞船正好经过，虽然速度极快但恰巧被激光射中。
在你看来，激光直直地射出去，射中飞船窗户并进入飞船，射中窗户对面。由于飞船速度不减，激光射中窗户对面的位置，肯定比窗户的位置低一点（见下图）。因此你会看到激光本来是直直的，但进入飞船后就有点弯曲了。另一方面，飞船上人看不到飞船内激光是弯曲的。相反，由于速度和引力具有同等效果，飞船上人看到你发出的激光信号划过一条弯弯弧线到达了飞船。
爱因斯坦意识到引力扭曲光线，更确切地说，引力扭曲空间。如同一块石头在蹦床上滚动，把蹦床压得凹陷扭曲一样，空间被引力扭曲得像蹦床，光线沿着空间的扭曲路径传播。1919年天文学家验证了这个结论，在日食时他们直接观测到太阳周围的光线弯曲了。
引力不仅扭曲空间，还扭曲时间，使时间变慢。想象游乐场有一个速度超快的大转盘，你坐在上面。大转盘越转越快，你会感觉被一股强力拉扯，以圆形轨迹飞速运动。根据狭义相对论，运动物体的时间会变慢，对地面上游客来说，你的时间变慢了。而且大转盘转得越快，你的时间就越慢。大转盘拉扯你的这股强力就是向心力，它与引力等效，因此可以说，引力越强时间越慢。
引力扭曲时间，这时刻影响着我们，GPS导航就是例子。人造卫星远离地表引力减弱，时间会快一点，但是它又绕地球高速运动，时间又会慢一点。由于这两种效应不完全抵消，卫星时间大约每天快38微秒。如果不用相对论纠正误差，GPS导航将每天偏差约9.98千米。

质量与能量

爱因斯坦在相对论上每一个成就，几乎都来自他的想象，包括著名的质能方程。
想象一列封闭的火车车厢停放在轨道上。某一时刻，车厢后壁向前方发射一粒光子，这产生向后的反作用力，使车厢向后滑动；光子击中前壁时，又产生反作用力抵消车厢向后滑动，使之静止。整体上看，车厢后移了一点。这与水上独木舟的情景类似，如果你从独木舟后端走到前端，独木舟会向后滑行；当你停止，独木舟重新静止。
独木舟上你的质量从后端移到前端，因此车厢后壁的一些质量肯定也移到了前壁。与之同理，爱因斯坦认为，这意味着光子的能量被前壁吸收，并转为质量。
就这样借助丰富的想象力，爱因斯坦推导出质能方程E=mc2。核心是能量与质量等效，可以相互转化。这也是现代核武器和核电的关键原理。由于光速非常大，即使是极小质量也能产生巨大能量。
爱因斯坦提出的相对论，为人类开启了新纪元，使人类对宇宙的认识上升到新的高度。爱因斯坦的思想遗产弥足珍贵！然而，更珍贵的，与其说是相对论，不如说是他的大胆而丰富的想象力！