文/老餘
上篇，留下了一個讓所有物理學家都疑惑的問題：
光速啊，你到底是相對於誰的？！
比如你坐在400公里/小時（111米/秒）的高鐵上，在車廂裡以時速700米/的速度射出子彈。
相對於你來說，因為你和列車是一體的，子彈的速度是700米/秒，沒錯吧？
如果我站在地面上，子彈的速度應該是高鐵的速度+子彈的速度=700+111=811米/秒，這也沒錯吧？
但要是把子彈換成手電筒，你在高鐵上打一束光，這束光相對你的速度就是光速本身，沒錯吧？
那站在地面上的我，這束光相對於我的速度還是高鐵的時速+光速嗎？
愛因斯坦說：
不是了，這束光於我的速度和你一樣，也是30萬公里/秒。
也就是說，不管你在車上、船上、地面上、還是在太空裡，雖然我們有相對速度，可當我們看到任何一束光時，這束光的速度都是299792458米/秒（≈30萬公里/秒）。
光，與座標系的運動速度無關。
——光的速度，竟然不需要相對於誰，在所有座標下，竟然是一個恆定不變常數（物理學家用小寫的"c"表示這個常數）。
這就是愛因斯坦相對論要解決的主要問題，當時的論文題目叫《論運動物體的電動力學》，也因為推論出光速在任何座標系下的速度都是一個恆定不變的常數，他當時還想把相對論叫做“不變論”。
論證過程複雜且枯燥，這裡就不多說了，我們只要記得愛因斯坦的相對論就是為了解答“光速是相對於誰的？”
答案是：光速不相對於誰，它是一個恆定不變的常數！
（科學家是如何驗證的？上一篇講過了，想知道的朋友可以點選「相對論」到底牛在哪？這次給你講清楚（1））
你可能會問：
怎麼會是這樣呢？不同的座標下，速度不應該是疊加的嗎？我們迎著光走，這束光的速度相對於我不應該會更快一些的嗎？
為何會這樣，為何光速在任何座標系下都不變？
迄今為止，還沒有人能解釋為何會這樣。仔細一品，何止是光速這個性質顯得怪異，一個帶電的粒子做點運動就能產生光，難道這個不怪異嗎？地球上從什麼都沒有，到自然產生單細胞動物，再到現在這麼多姿多彩的萬物世界，難道不怪異嗎？
既然一切都很怪異，那光速在任何座標系下恆定不變，又有什麼好奇怪的呢？
可為何光速是30萬公里/秒，而不是別的什麼數字？
同樣，這一點也沒有人能夠解釋。就像復旦大學教授鋒打趣地說，我們這個宇宙可能是一個計算機模擬，因為系統CPU處理能力有限，所以必須給光速設定一個上限。
回到相對論，既然光速在任何座標下的速度都是恆定的，那下面的一些推論你就能理解了，即使這些推論是如此的反直覺，如此的顯得“荒誕”。
本篇主要說一點相對論的“荒誕”推論，以及科學家是如何證明這個推論的：
時間變慢，到底該怎麼理解？
科學家用了什麼方法證明了時間變慢？
（一）時間變慢，到底該怎麼理解？
在說之前，你心裡一定要默唸三遍愛因斯坦的這個結論：
光的速度在任何座標系下是不變的！光的速度在任何座標系下是不變的！光的速度在任何座標系下是不變的！
如果不堅信這個，下面的這個邏輯會讓你瘋掉的。
好，我們開始。
假設以上是一節未來的高鐵時光隧道，這列高鐵的時速“V=0。1c”（c為光速），這節高鐵的長度是“500米”，你在車廂裡，在最左端打一束光，這束光到達車廂最右端所需要的時間是多少？
很顯然，因為慣性定理，車在走，車上的光源也在走（你在勻速的車上拋小球和在地面上拋是一樣的，也是因為你和球都在相同的慣性之下），所需時間與車速無關，這個計算小學生都會做，即：
T（1）=L（車廂長度）➗c（光速）=500/c
這個沒錯吧？
如果我在車廂外面看你做這個實驗（我倆處於不同的座標系），那我看到實驗全過程所需要的時間是多少呢？
按照經典的物理學的解法（現在學生也是這麼學的），也很簡單：
1、在時間T（1）裡，這列車走了多遠，即：D=速度0。1C✖️時間T（1）=1c/10*500/c=50（米）；
2、總時間=總距離➗總速度，即：T（2）=（50+500）➗（高鐵速度0。1c+光速c）=550➗1。1c=500c
是不是很簡單？
我們會發現，用傳統的方法，在高鐵上的時間和在地上的時間是一樣的，按照我們的樸素理解，這很好解釋：
——如果把光源發出光的剎那看作是「事件1」，把光到達車廂另一端的剎那看作為「事件2」，無論是誰看，兩個事件之間的時間間隔，肯定是一樣啊，這還用說？！
之所以下這樣的定論，是因為在我們心裡
——時間流逝是客觀存在的，不以任何人的意志為轉移的。
但愛因斯坦不這麼認為，還記得本節開頭的那句話嗎？
——光的速度在任何座標系下是不變的！
也就是說，我在看高鐵上的你做實驗的演算法是錯的，因為這個演算法裡我們把把光速看做了變數，把高鐵的速度疊加了進去。
按照相對論，光速在任何座標系下的速度都是30萬公里/秒，也就是說我在地面上看你做實驗，那束光的速度不是“1。1c”，而就是“c”。
也就是說：
T2的時間不是5500/1.1c=500/c，而是550/c。
550/c＞500/c。
也就是說，面對同一個事實（光從車廂的一端到另一端），在高鐵上的你：
——時間變慢了。
我們推匯出這樣一個怪異的結論，唯一用到的就是兩點：
在我們生活裡，速度是變來變去的，所以我們以為所有事物的速度都會變來變去，但我們錯了——光速是個特例，它是常數；
在我們生活裡，一直以為時間流逝是客觀的，但我們又錯了——時間也並不是對所有人都是一樣的，高速運動的物體，時間會變慢。
在雞湯文裡，總能看到這樣一句話“在這個不公平的世界裡，只有時間是公平的，大家都是一天24小時”，看來這最後的公平也沒能守住。
你可能會說，不會吧？我怎麼沒有感覺到這一點？
只是因為我們生活在低速世界裡，那個“慢”的程度，完全沒法感知到。
回到相對論，其實以上都是愛因斯坦根據自己的理論純推匯出來的，而一個學說一個理論要歸集到科學領域裡，是因為它能實驗證偽，科學有一套嚴苛的體系來證明一個學說、理論是不是真科學。
比如屠呦呦的青蒿素，就是科學的，因為能證明它的有效性，而很多傳統的中藥不能歸集到科學裡，是因為它沒有經過嚴苛的雙盲實驗去驗證。
回到“時間變慢”這麼怪異的結論，科學家找到了一個完美實驗證明了這一點。
怎麼證明的？
我們接著往下看。
（二）科學家用了什麼方法證明了時間變慢？
要證明時間變慢，即能觀測到，需要兩個前提條件：
一個事物的速度能快到與光速同一個數量級；
這個事物的年齡變化要非常快。
當相對論提出36年後，科學家找到了一種完美驗證高速運動的物體時間會變慢的粒子，他就是“μ子”，這種粒子是電子的變種，它的特性就是生命非常非常非常短，他的半衰期只有2。2微秒（1微秒是百萬分之一秒）。
先解釋一下什麼是半衰期，拿μ子來說：就是給你一定數量的μ子，在2。2微秒後它們就死了一半，再過2。2微秒，剩下一半的一半又死了，再過2。2微秒，剩下一半的一半的一半，又死了，就這麼衰變下去。。。 。。。
而利用粒子加速器，這種粒子的速度竟然可以接近光速。
由此兩點，驗證相對論推論——高速運動的物體時間會變慢的時刻，終於到來了。
科學家們站在華盛頓山的山頂（高度2千米），他們專門統計那些速度為「0。994c」的μ子，計算出了這些μ子到達海米麵需要的時間為6。7微秒。
如果這些μ子在靜止狀態下的半衰期和加速後的μ子半衰期是一樣的，在山底海平面收集到的μ子應該是山頂的1/8。5。
也就是說，要是在山底收集到的μ子確實是這個數，那愛因斯坦就錯了！
但如果山底收集到的μ子明顯多於這個數量，就說明高速下的μ子半衰期變長了，也就是說高速下的μ子時間變慢了（高速延長了它的半衰期），那就說明愛因斯坦是對的！
這個沒錯吧？
我們直接說實驗結果：
在山底收集到的μ子數量是山頂時的1/3左右，這些μ子真的透過高速運動保持“青春”，老得比靜止/勻速的μ子慢。
1979年，科學家再次做了這個實驗，不僅證明相對論的正確，還計算了μ子在0。994c的速度下平均壽命延長了29。3倍，而這個數值，與愛因斯坦的理論公式計算出來的分毫不差！
——相對論，不僅是正確的，而且公式非常精準。
愛因斯坦，神一般的存在！
（三）結語
在《星際穿越》裡，當主角去了一趟蟲洞附近，回來時自己還是那麼年輕，而走時留下的十幾歲的女兒，已經非常蒼老，躺在病榻上。
看到現在，你應該能理解了這確實能成為事實。
但我要說的是，這並不代表這個爸爸能感知到比地球上的人多出了時間。
什麼意思？
因為對於高速運動的他來說，雖然只過去了幾年，在此過程中該吃1000頓飯還是吃1000頓飯，能看100本書還是隻能看100本書（雖然地上已經是幾十年），而回來後，他的時間流逝程度又和我們一樣了。
也就是說，他如果能活到80歲，雖然他去過蟲洞附近後地球上的人們比他老了幾十歲，但最後他自己能感知、能幹的事的總和，也是80年。
這種感覺與把人冰凍了類似，20歲時被冰凍了，30年後解凍，這30年你是幹不了任何比別人多的事的。
喜歡思考的朋友到此應該有一個疑問：
既然速度是相對的，《星際穿越》裡站在地上的女兒看坐在飛船裡的爸爸是高速離去的，那站在爸爸的角度，地上的女兒也是在做高速的運動。
既然這樣，為何是爸爸的時間變慢了，而不是地球上的女兒時間變慢了呢？
這一點我們下一篇再討論。
（完）
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