小朋友也可以看懂的“狭义相对论”

肖老师科普

一天，16岁的爱因斯坦，开了一个脑洞:

如果我以光速奔跑，会看到什么？

这个脑洞引发了这样两个效应:

1.时间膨胀

2.空间收缩

牛顿孤立绝对的时空观，根本无法解释这两个效应。

除非把时间和空间看成是相对的、不可分割的整体，这就是爱因斯坦的“相对论”。

接下来本文将以最少的篇幅，但却是绝对正确的方式，让你了解狭义相对论的核心结论——时空的相对性。

请看:

开个玩笑😜，我保证接下来你不会看到一个公式:

一、时空

1.空间的维度

想象一下，眼前有一支水平摆放的铅笔，随着它在水平位置上旋转，铅笔好像变短了！

当然，你不会上当，你知道铅笔只是旋转了。

但是假设你是一个生活在铅笔影子所在平面的二维生物，只能看的铅笔的影子，没有办法意识到它的旋转，那么对你来说，铅笔的确是变短了。

在这个例子中，生活在二维世界里的生物无法感知三维世界。

就像我们这些生活在三维空间的人，无法感知第四纬一样。

2.时间的维度

在一维世界里，你看到这样三个点:一个点保持不动，另外两个点相向运动，碰撞后再弹回来

但如果用横轴代表空间维度，纵轴代表时间纬度，将带缝隙的活页沿时间轴滑动，你将看到一样的情景。

发现没?一维生物感知到的运动，在二维生物的眼里其实是不存在的。对二维生物而言，没有运动的点，只有固定的线条。我们把这些线条叫作“宇宙线”

在一维生物眼里，这三个点速度快慢不同。

但在二维生物眼里，不过是宇宙线的倾斜度不同罢了。

刚才在一维空间，时间作为第二个纬度，组成了不可分割的二维时空。

那么在二维空间，时间就是第三个纬度，同样组成了不可分割的时空:

上图中，二维生物看到的圆沿着一个圆形轨道运动和正方形的自转，在三维时空中的真相其实是:代表时间的平面从上向下的滑动。

同样的，对于三维空间的物体来说，时空是四维的，因此 我们习以为常的物体是四维物体在三维世界中的截面。

正如一维世界的生物无法感知二维时空一样，我们这些生活在三维空间里的人类，也无法感知四维时空。

就像在一维世界里点的运动，在二维时空中变成了静止的线。我们作为三维生物所感知到的运动，不过是四维时空在三维世界投影出的幻象。

二、相对论效应

我们刚才已经知道，宇宙线的倾斜会使点的速度发生变化。现在我们以不同的方式来移动缝隙:

水平向上移动缝隙，我们看到了一个不动的点:

将缝隙倾斜，并沿着倾斜的方向移动缝隙，我们就看到了一个运动的点:

保持缝隙移动的速度不变，我们发现缝隙倾斜的角度越大，点运动的越快

因此，无论是通过倾斜宇宙线还是倾斜缝隙的方式，都可以再现点的运动。

这样，我们就很容易理解相对论的两个效应了，先看空间效应:

缝隙水平，向上滑动缝隙，我们从缝隙里看到的杆是静止不动的:

缝隙倾斜，并沿倾斜方向滑动缝隙，我们从缝隙里看到的杆是运动的，而且长度变了，运动速度越快，杆变得越长:

再看时间效应:

我们假设有块一秒闪烁一次的表，当缝隙匀速平移时，表是静止的，缝隙里点的闪烁频率不变，这代表着时间在均匀的流逝:

当缝隙以同样的速度斜移时，表开始运动，缝隙里点的闪烁频率变快，这代表时间的流逝也变快了，而且速度越快，时间的流逝越快:

那么，可不可以这样说:速度越快，杆就越长，时间的流逝也越快?

不行，我们还要考虑“反效应”，以地图为例:

上图是实际的地球地图，印在一个球面上。

如果将其展开到平面上，就会形成一个椭圆:

再将椭圆变成矩形，就需要将靠近两极的部分放大:

这就是反效应，由于我们刚才体会到的时空，其实是更高维度时空的投影，所以也会存在这样的反效应。

所以，真正的相对论效应是“动钟变慢，动棒缩短”。

爱因斯坦九岁的二儿子爱德华问他:“爸爸，你为什么这么出名呢？”

爱因斯坦哈哈大笑，回答道:“你瞧，甲虫在球面爬行,它意识不到自己爬过的路径是弯的，而我有幸发现了这一点。”

本文灵感来自:

斯蒂芬·杜兰德的书《会动的相对论》

薛定饿了么的视频《跟克苏鲁一起五分钟看懂相对论》

延伸阅读:

 从“不懂波”到“引力波”

 牛顿的“速度与激情”

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