物理群星
1905 相对论

狭义相对论

Special Relativity

时间与空间不是绝对的舞台,而会随观察者的运动状态伸缩——光速才是宇宙中唯一的不变量。

关键人物: 阿尔伯特·爱因斯坦

GPS 定位粒子加速器核能同步卫星授时

当时的困境

十九世纪末,物理学大厦看似即将封顶,但屋角悬着一朵乌云:麦克斯韦方程组算出光速是一个固定值,可是相对于什么的速度?当时的物理学家假想宇宙中充满一种叫「以太」的介质,光在其中传播。然而 1887 年迈克耳孙与莫雷的精密实验怎么也测不出地球穿过以太的「风」。以太理论被迫打上一个又一个补丁,越来越臃肿。

洞见时刻

爱因斯坦的做法不是再打一个补丁,而是釜底抽薪:干脆承认光速对所有观察者都一样,然后看看会付出什么代价。

代价是惊人的——「同时」不再绝对:你眼中同时发生的两件事,在飞驰的旅客眼中可以一先一后;运动的时钟走得更慢,运动的尺子会缩短。这些不是错觉,而是时间与空间的本性。伽利略以来「绝对时间」的直觉,被一个二十六岁的专利员用两条简洁的公设取代了。几个月后他补上了那个著名的推论:质量也是能量的一种形式,E=mc2E = mc^2

涟漪效应

狭义相对论重塑了此后所有的基础物理:它与量子力学结合诞生了量子场论;狄拉克为了让波动方程满足相对论,预言了反物质;质能方程则揭示了恒星发光的原理与原子核中蕴藏的能量。「时空」取代了「时间与空间」,成为现代物理学的通用语言。

如果没有它

打开手机地图能定位到几米之内,就靠它。GPS 卫星高速绕地飞行,星载原子钟因狭义相对论效应每天比地面慢约 7 微秒(广义相对论又让它快 45 微秒)——若不做相对论修正,定位误差每天累积约 10 公里,导航将在数小时内彻底失效。医院里加速电子产生射线的直线加速器、正负电子对撞机,设计时用的也都是相对论力学。

走近这些人