互动科普

分析是否有可能去到未来的关键之一——相对论

从这里开始，我们来说明 “以接近光速的速度运动，时间流动变慢”的结论是如何得到的。

理解这个结论要掌握的关键之一是“相对性原理”。我们可以想象一下在一架飞机（假定沿直线作匀速飞行）上的情形，假定有一位乘客在座位上用手将一只小球向正上方抛出。

乍看起来，在小球离手悬在空中的这段时间飞机向前移动了一段距离，小球大概应该“滞留在原地”，掉落在座位的后面。实际情况当然不是这样。同在地面向上抛球完全一样，在飞机上向正上方抛出的小球仍然是向正下方落下。

在抛出小球前，小球、乘客和飞机全都以同样的速度向前运动。向上抛出小球后，小球在水平方向仍然保持了那个速度（惯性定律），所以它不会掉落在后面。

爱因斯坦发展了伽利略的相对性原理

在作匀速直线运动的飞机和列车等运输工具上看见的物体的运动，同静止观测者在地面上看见的物体的运动完全相同。这个结论叫做“伽利略相对性原理”，是为了纪念发现物体运动规律的伽利略·伽利雷（1564〜1642）而得名。

爱因斯坦发展了相对性原理，认为这个原理对于光也成立。比如说，在作匀速直线运动的运输工具上的观测者，他看见从自己运输工具向正上方发出的光仍然是笔直向正上方行进。

图：地面其实也并非“静止”！

在飞机上的上抛球仍然是直上直下运动，这似乎不好理解，其实，地面也并不是“真正的静止”。地球有自转，还有围绕太阳的公转，而太阳系也在银河系中运动。总之，地球在任何时候都处在运动之中。所以，在地面上向正上方抛出的小球仍然落回到手上，这件事情本身就已经证明相对性原理是正确的。

分析是否有可能去到未来的关键之二——光速不变原理

理解时间流动变慢要掌握的关键之二是光速不变原理。光速不变原理称：“不论光源在以怎样的速度运动，也不论测量光的速度的人（观测者）在以怎样的速度运动，光在真空中的速度始终不变。”真空中光的速度为约每秒30万千米（准确值为每秒299792.458千米）。

这意味着，相对于观测者，光源（白炽灯、荧光灯和LED等，可以是任何一种发光体）无论是朝向他运动还是背离他而去，测得的光速值都不变。反过来，光源静止不动，观测者无论是朝向还是背离光源运动，测得的光速值也不变。即使光源和观测者两者都在运动，测得的光速值仍然不变。

发端于爱因斯坦年轻时的一个疑问

建立相对论的爱因斯坦在他16岁时曾经思考过一个十分有趣的问题：如果我以光速追赶光，我将会看见什么？按照普通常识，答案是他将会看见静止不动的光。

然而爱因斯坦对这种常识提出了怀疑，他认为在现实世界中不可能有静止不动的光。此后，他沿着这条思路研究，终于发现了光速不变原理。

（本文发表于《科学世界》2012年第5期）