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史上最烧脑物理学科普，看完瞬间涨知识！( 三 )


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爱因斯坦，御光飞行者
史上最烧脑物理学科普，看完瞬间涨知识！
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1、狭义相对论，光速恒定? E＝mc2
我们赞美阳光！它不仅孕育了的生命，同时也照亮了人类的思想。 爱因斯坦，是那个御光飞行、穿越时空的人。
爱因斯坦小时候，常以简单问题自问自答：“如果你追上一束光线，它看起来是什么样子？你会不会看到一束静止的光波，冻结在时间中？”这个问题，让他在后五十年里， 带领人类走进了时空神秘之旅。
十六岁时，爱因斯坦发现世界上似乎并没有能够追上光速的东西。二十六岁时，他用严密的数学证明了这一发现。在瑞士专利局担任低阶职员的他，用麦克斯韦尔的场方程式推导出狭义相对论（special relativity）。
用一句话概括狭义相对论，那就是： 光速在任何恒动架构里恒为常数。这个定理表面上看并不显眼，但确是人类心灵的最伟大成就之一！
爱因斯坦指出，无论我们怎样加速，无论我们自身的速度如何，人们所能测量的光速是一样的。
对于这一结论，爱因斯坦给出了超脱凡俗的解释，他认为：导致这个结果的原因是：时间变慢了！ （这是石破天惊的一句）也就是说， 我们移动的越快，我们的时钟就走得越慢，我们的量尺也越短，所以，我们测量的光速是不变的。
爱因斯坦进一步思考：那么，几乎所有的物体都必须使用时钟与量尺来测量，既然时间和量尺都是变化的，所以我们必须校正所有的物理量（quantity），于是他导出了下一个重大的结论： 质量是从能量来的。
这个结论，一举推翻了十九世纪的两大物理发现： 质量守恒和能量守恒。自此以后，质量与能量被视为单一单位：质-能（matter-energy）。
二十六岁的爱因斯坦同时给出了质能变动的方程式，那就是著名的 E＝mc2。
让我们再来追寻一下狭义相对论的推导过程：
光速恒定?时间变慢?质量不恒定?“质量-能量”相互转换? E＝mc2
狭义相对论，统一了“时-空”，也统一了“质-能”。
统一了“时-空”以及“质-能”之后的爱因斯坦，进一步思考“时空”与“质能”之间的关系，也就是狭义相对论所忽略的加速度，还有重力。
这关乎了他的下一个巨大成就： 广义相对论。
2、广义相对论，空间是弯曲的?力学＝几何学
再次，爱因斯坦由一个简单问题开始：“如果一个人处于自由落体状态，他就不会感觉到自己的体重？”爱因斯坦透过这个简单问题掌握了重力的基本特性：在加速度架构下的自然律和重力场的定律是一样的。 这就是所谓等效原理（equivalence principle）。
透过等效原理，爱因斯坦重新思考关于光速的问题：光速会受重力影响吗？ 答案是肯定的，重力场会扭曲光线的行进路线。
但是！但是，根据 费玛最短时间原理，光线会采取两点之间的最短时间路径，爱因斯坦再次得出一个令人震慑的结论： 如果我们可以观测到光线以曲线前进，那就意味着空间本身是弯曲的！（光以曲线前进这一预测，已经被后人的无数次实验反复证明。）
史上最烧脑物理学科普，看完瞬间涨知识！
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伟大的爱因斯坦进一步得出结论： 质能的存在造成周围时空的弯曲。
我们前面讲过，数学家黎曼早在一八五四年就提出了作用力与空间弯曲的关系，并提出了 重力场论。爱因斯坦利用黎曼的研究成果，用数学形式表达了他自己的物理学新发现，这就是 广义相对论（general relativity）。
让我们再来追寻一下广义相对论的推导过程：
光线以曲线前进＋光线走两点间最短时间路径?空间是弯曲的?“质-能”造成“时-空”弯曲?力学＝几何学
爱因斯坦的伟大，止步于他的第三次尝试！
在狭义和广义相对论之后，他终其一生研究统一场论（unified field theory ），简单说， 就是试图寻找一个公式，能够同时描述光与重力。可惜，他最终没有成功。
对这一问题给出答案的，是 Theodor Kaluza和 Oskar Klein两位科学家，他们的理论我们称之为 “克鲁查-克莱因理论”，简单说，这个理论就是： 在五维空间里，将光与重力的理论统一了起来。
可是，第五维到底在哪里？ 克鲁查说：第五维已经崩解成一个圆圈，它的体积实在太小了，连原子都装不下，因而也无法测量。一九二六年， 克莱因甚至计算出第五维的尺寸只有10E－33公分（10的负33次方），而探测如此微小距离所需要的能量也就是是所谓蒲朗克能量（Planck energy），相当于10E 20亿电子伏特，百万兆倍于质子蕴藏的能量。

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