特别的发现   

1905年,爱因斯坦宣布了一个了不起的发现,使相对论在伽利略的基础上又向前发展了一步。让我们回到大气急流,还记得空气的速度是如何为飞机加速,使之获得了一个更快的相对于地面的速度吗?同样,伽利略相对论也告诉我们:两架飞机迎面飞来,它们各自的速度分别为自身的速度加上对方的速度。或许,每架飞机相对于地面的时速为550英里,但对于朝它迎面飞来的另一架飞机来说,它的时速达到了惊人的1100英里。我们前面说过,如果两架飞机以同样的速度,朝同一个方向并排飞行的话,若以对方为参照物,它们是静止的。

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当爱因斯坦得出这个结论的时候,他想的不是飞机,而是光(这个时间比莱特兄弟首次试航的1903年晚了两年,那时飞机才刚刚被发明出来不久)。试想一下你的飞机突然获得了一个不可思议的速度。你的飞行速度达到了每秒186000英里(约300000千米/秒)。这和光速相同,而你也能与阳光同行了。根据伽利略的理论,在以你为参照物的情况下,阳光是静止的。但是爱因斯坦意识到这里有个大问题。

19世纪末,苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clark Maxwell)证实了光是以某一特定速度传播的。虽然光在不同的媒介中传播速度不同(例如真空中,它的传播速度要大于在玻璃中),但是在同一种媒介中,比如空气,它的速度是不变的。光、电、磁三者的关系密不可分。电流可以产生磁场,变化的磁场也能产生电流,如果能使电流以某一特定速度流动产生磁力,磁力再生成电力,就能这样无限循环下去。但是电流速度等于光速,而光只以某一特定速度传播,因此,现实中没有这样的无限循环。

因此,爱因斯坦意识到,如果参照物速度发生改变,光的相对速度也随之改变的话,那光就会消失。按照这种观念,你乘坐飞机一旦运动起来,环绕在它周围的光就开始分崩瓦解了。飞机只有在相对的静止状态下(那参照物又是什么呢?),你才能看到光瓦解的景象。现实中的情况并不是这样,因此这种说法是荒谬的。因此,爱因斯坦产生了一个大胆的想法,不管参照物的速度如何变化,光的速度是不变的。当你以时速550英里朝着太阳的方向飞行时,阳光传播的速度并不会因此加上550英里/小时,无论对于你来说,还是对于停在地面上的另一架飞机来说,阳光传播的速度都是一样的。

当爱因斯坦将这个想法带入牛顿的运动方程式时,他震惊了。为了使光速保持不变,其他一些我们认为的不可变量就要发生改变了。按照爱因斯坦的新理论,如果某物开始运动,它的重量会增加,体积会减小,而时间也会因此变慢。但是,当运动的速度小于光速时,这些变化难以察觉,不过它的结果却不容忽视,就像我们之前提到的GPS卫星,如果没有人为校正,它们就不能精准地工作。