追光之旅：愛因斯坦與狹義相對論

一提起舉世聞名的大科學家，很多人都會下意識的想到伽利略、牛頓、法拉第、愛因斯坦、波爾、薛定諤等等。

這些人當中，甚至還有些廣為人知的事迹，被人們津津樂道，比如像被教會逼害的伽利略、牛頓的蘋果、薛定諤的貓，諸如此類。

在這些大科學家當中，牛頓是當之無愧的祖師爺，他於1687年出版史詩巨著《自然哲學的數學原理》一書，書上闡述了萬有引力定律，將龐然大物的天體動動，和小小的蘋果掉落聯繫在了一起，標誌著人類開始用科學的眼光，來理解自然現象。

牛逼哄哄的牛爵爺，當然也是站在巨人的肩膀上，他的這本書，融合了伽利略的一部分成果，其中就有伽利略速度相加定理。

這是個小學生都知道的知識：

在家裡往窗外丟一個蘋果，和你站在火車上往前丟一個蘋果，兩者速度肯定不同，因為後者蘋果的速度，要疊加火車的速度。

這個速度相加原理，人類用了幾百年，一直沒有問題。

直到滾滾歷史，來到了風雲變幻的十九世紀末。

在真空中聽不到聲音，作為一個常識，廣為人知，當時的人類認為，既然聲音傳播需要介質，那麼理所當然的也會想到，光也應該需要介質，所以當時人們設想一種「以太」存在於時空中，作為光的傳播介質。

為了找到「以太」，美國科學家邁克爾遜和莫雷設計了一個極為精密的實驗，他們製造了一個光學干涉儀。

（2016年美國激光干涉引力波天文台也是用這原理找到引力波）

實驗發現，悲劇了！光速無論人類怎麼折騰，在所有參考系中居然都是一樣！！！無論是在火車上，還是飛機上，光速永遠恆定不變。

哦！NO，怎麼會這樣???

當時的人類基本一臉懵逼，心想我們用了幾百年的速度相加定理，居然是錯的！！！祖師爺白紙黑字寫得清清楚楚，不可能錯的啊。邁克爾遜則謙卑的說，不敢不敢，祖師爺肯定不會有錯的，肯定是我們的實驗失敗了。

然而，光速這事還沒完，同時期的大科學家法拉第開創了電磁學，並提出了電磁力場。不過因為法拉第出身貧寒，他沒有受過專業的高等教育，所以也就沒有辦法為自己的實驗結果，建立方程。

（少年時期在印刷廠打工的法拉第）

（不屈服於門第之見的法拉第給當時貴族戴維送了一本自己為偶像做的書，這塊敲門磚，改變了法拉第的命運。）

（已成長為電磁學開山鼻祖的法拉第）

且世人也不相信他說的什麼電磁力場，科學界普遍認為這是年邁法拉第老糊塗了。

直到年青的天才，麥克斯韋的出現，他是位出生於貴族的獨生子，父母對其寵溺有加，且受過高等教育。他很是仰慕曾經的科學巨匠法拉第，法拉第的所有科學文章他全部都看了，決心為他嘴中念叨的電磁場理論，建立方程。

方程，是人類將物理現象，轉化為數學形式的一種方法。後來，麥克斯韋憑藉自己紮實的數學能力，將法拉第提出的電磁力場，成功轉化成一組數學方程。

根據電磁力場方程組，麥克斯韋這個偉大的數學家，推導出了電磁波在真空中的速度，且算出能將法拉第的靜態磁場，變為以光速向外傳播的波。

這一發現極為重要，不久，人類將用這個波用來傳遞信息。現在的人造衛星、網路將地球連成一片，正是從法拉第、麥克斯韋這些不朽的先驅科學家手中，開創而來。

電磁力場方程組大獲成功，光作為其中一種電磁波，那麼問題就來了，假如光速可以變的話，也就意味著人類的電磁方程肯定是錯的。

然而，明顯麥克斯韋的電磁方程組沒有問題，至此，科學開始產生了嚴重矛盾。祖師爺的速度相加原理，和當下實驗得到的光速不變現象，無法調和。

比如說，我書中《事件穹界》的配角熊天宇，駕駛艦載機與海盜戰機用激光炮展開制空戰，艦載機在設定中速度是0.1C，激光速度是1C，根據速度相加原理，理論上小熊的激光彈速應該是1C+0.1C=1.1C。

但是，在實際交戰中，無論小熊把自己的艦載機加速到多麼快，它的激光彈速永遠都是1C，根本不會受載艦機的速度變化而變化。

基於以上這個科學矛盾，大學畢業後被養家糊口逼得團團轉的愛因斯坦，決心解開這個宇宙的奧秘，藉此來揚名立萬，擺脫窮困潦倒的生活（作為一位想靠寫書成名的窮逼來說，我是十分能理解愛因斯坦的無奈）。

或許很多人不清楚，那時的愛因斯坦是真的很窮啊！經常需要朋友的借濟，每天下班後還要帶出生不久的兒子。

（刺頭青年愛因斯坦）

大學時代的愛因斯坦是個刺頭，基本上把能得罪的教授都給得罪了個遍，這樣做的後果是，直接導致他畢業後，居然沒有一位教授願意為其寫一封推薦信。

找不到工作的愛因斯坦，為此窮得響叮噹。最後還是經好基友介紹，去了一家專利局，拿著微薄的收入，當了一名朝九晚五的上班族。

在此之前，其實愛因斯坦已經投了許多篇科學論文，但基本上都石沉大海，這搞得他很是窩火。他在自己雜亂的小書房牆上，掛著牛頓、法拉第、麥克斯韋的照片，書桌的一角還放著他兒子的奶瓶，這一次，他知道自己已經站在科學巨人的肩膀上。

因巨大的生活壓力所迫，加上愛因斯坦收入微薄，才25歲的他，只能一邊上班一邊摸魚寫文章，下班回家了，一邊抱著不足一歲的大兒子一邊繼續寫文章，時不時還要放下手中的筆，幫兒子餵奶粉。

租來的小公寓里，像鬧鐘一樣充斥著嬰兒的啼哭聲。誰曾想過，在後來成為舉世聞名大科學家的愛因斯坦，是在這裡的環境中，以一已之力完成劃時代的狹義相對論，不得不說他真心太不容易了。

對於速度疊加，和光速恆定定理的科學矛盾，愛因斯坦同樣感到極為困惑。為什麼在飛機上打一束光，而光卻不會疊加飛機的速度，同樣在飛機上開槍，而子彈卻會疊加飛機的速度。

光。無論在任何參考系裡，都表現為恆定，此種神奇現象實在太不可思議了。

愛因斯坦最終選擇相信實驗，懷疑祖師爺的速度相加原理，一定是有問題。但問題究竟出在那裡呢?他也一樣百思不得其解。

直到有一天，他在上班時看到窗外的大鐘，時間一詞在腦海中像一葉孤舟一樣浮現，使被在真理汪洋中淹成痛苦不堪的愛因斯坦欣喜若狂，知道自己終於窺探到了宇宙的奧秘。

愛因斯坦發揮出他無與論比的腦洞，劃時代的提出，空間和時間為一體，當速度越快，時間將會變慢。他天才般的智慧，為人類打開了一扇門，讓科學邁進一片全新的領域。

那麼速度相加原理錯了嗎?當然也不能說錯，在科技水平不高的1級地球文明中，受交通工具速度極慢的因素，用這個公式絕對沒錯。

但在交通工具速度超快的銀河超級文明領域裡，這個簡單的速度加減法，就行不通了，這個時候就需要愛因斯坦的速度方程出馬。

下面，那我們就來計算下兩者之間的差別。

接著，我們跟著星辰和小熊的步伐，來到了銀河超級文明領域，來計算下發生在這裡的交通工具上的情況。

這天，小熊奉蘇梅克航空隊的命令，駕駛著一架戰機與聯合收割者展開空戰。

假設小熊把戰機加速至0.8C，戰機電磁炮的彈速為0.5C，用原始地球人類的速度相加原理去算的話，得到的彈速結果是1.3C。我們知道超光速是不可能存在的，這個計算結果肯定錯誤。

這下輪到愛因斯坦出場，愛老爺子的狹義相對論告訴我們，速度越快時間會變慢，代入他的公式再來計算下外部觀察者看到的速度。你將會發現，代入愛因斯坦狹義相對論中的速度方程重新計算，得到結果卻是0.963C，顯示電磁炮彈速，根本沒有超過光速。

隨著交戰越來越激烈，我們來算另外一個情況。

小熊發現，卧草，這破電磁炮彈速太尼瑪慢了，根本打不中聯合收割者的小灰機，於是他改用高能激光武器。按照不可靠的速度疊加常識來算，我們下意識都會認為，激光彈速應該是0.8C+1C=1.8C，彈速這麼快，這下肯定能輕鬆打中了吧。

好吧！再次套入愛因斯坦的速度方程公式去算，這次得到的結果，卻是C，依舊沒有超過光速。

哈哈哈，是不是感覺很神奇！

儘管愛因斯坦的速度方程牛逼到屌炸天，但是從狹義相對論里推導出來最厲害的東西，卻不是它，而是質能方程E=MC∧2。

（冷戰時期，代表地球人類最頂尖科技的美帝全核艦隊，依次排例為企業號核動力航母、長灘號核動力巡洋艦、班布里奇號核動力驅逐艦）

在這個公式里，E表示能量，M表示質量，C當然是光速了。眾所周知，光速300000公里/秒，是個極大的數字，那麼，這個數字的平方，可以想像，將會是一個多麼巨大的天文數字。

整個公式的含義，就是說一點點質量的湮滅，將會產生無與論比的能量。換句話說，質量是能量的另外一面。

根據質能方程，1G的物質，可以釋放90萬億焦耳的能量，相當於2500萬度電，可供大約一萬戶地球家庭一年的用電需求。

核電站和核彈，皆為質能方程中描述的那樣，利用原子核融合或裂變時，釋放核力會消耗質量的現象而開發。

當鈾235核裂變時，它會減少一部分質量。

這個質量變成能量，釋放出中子和高溫熱能，釋放的中子繼續轟擊其它鈾235，可以產生裂變鏈式反應，這就是原子彈的基本原理。利用弱核力裂變消耗質量產生的能量，來殺傷目標。

換一個用法，把裂變得到的熱能用來燒水，接著再把開水產生的蒸汽驅動蒸汽輪機，最後用蒸汽輪機驅動永磁發動機，這就是核電站的基本原理。

質能方程這個能量與質量之間的奧秘，還揭露了一個困擾地球人類許久的問題，那就是太陽發光發熱的機制之謎。

在愛因斯坦寫出狹義相對論以前，太陽一直是懸掛在地球人類頭頂上的一個巨大謎團，沒有任何人可以為其發光機製作出解釋。

地質學家早已測定，地球已經存在了幾十億年，無數億萬年前的生物化石也證明，生物所依賴的太陽極為古老，絕對不可能是燒煤、油、木頭之類的玩意。

狹義相對論中的質能方程，解開了這個謎團，那就是，太陽以氫核融合釋放的能量來維護其發光發熱。它以4個氫原子融合成一個氦原子，當中會損失一點點質量，損失的質量遵尋質能方程，會轉化成龐大的能量普照宇宙，這就是太陽發光發熱機制的原理。

為了得到這股強大的能量，地球人類設計了托克馬卡，利用強磁場約束超高溫等離子體進行核融合，藉此來挖掘造物的能量。雖然無法和太陽的引力約束相媲美，但一旦實現，可以毫不誇張的說，人類將獲得取之不竭的能量。

（註：我小說《事件穹界》里的戰艦，在設定中，就是利用引力約束氫同位素等離子體輸出能量，為跨維引擎提供鑿開時空的能量。）

非常遺憾的是，目前這一前途無量的科技，我們地球人類距離成熟應用還遙遙無期。別信新聞媒體上說的什麼快了、快了。在基礎物理沒有取得突破之前，在下個愛因斯坦誕生之前，這方面的研究都終將止步於此。

上面說了通過質能方程，我們得知一點點質量，如果有科學方法釋放，就能獲得無與倫比的能量。

那麼，假如我們將方程反過來應用呢，那又將會是一種什麼樣的情況?

我們可以設想這樣一個情況，在小說《事件穹界》的某個劇情里，小熊的戰機被聯合收割者幾架戰機包圍，他開始加速逃脫。

此刻戰機速度已加速至驚人的0.8C，融合噴射引擎輸出越來越多的能量，戰機越來越快，當加速至0.99999.....C時。

根據物理法則：「汝不可超越光速」。

這時，問題就又來了。愛好思考的讀者一定會發現，既然在接近光速時，無論小熊怎麼加大輸出功率，戰機卻總是停留在光速以內，那麼融合噴射引擎輸出的能量，又跑到那裡去了呢?

根據狹義相對論。答案是：能量轉換成了質量。

對於質量轉換成能量，我們都能很好理解，核彈爆炸、太陽發光，都是原子的核力通過消耗質量釋放能量。

但對於反過來的，能量轉換為質量，這就非常魔幻和燒腦了。能量看不見，摸不著，上面舉的那個例子，畢竟只是小說，不具備說服力。如果做不到，我們可以說愛因斯坦的狹義相對論的質能方程可能是錯的，或者只對了一半。下面我就舉個能量轉換成質量的真實例子。

驗證狹義論這個能量轉換質量的預言，肯定是非常的困難。普通的能量根本就不夠，就算是快如子彈，但在光速眼中，還是慢如龜爬，必須把物體加速至接近光速，這個效應才能測量出來。

好在科學的突飛猛進，使我們看到了這一天的到來，並將愛因斯坦的牛逼之處，再次展現在世人面前。讓我們不得不承認，愛因斯坦你果然是牛逼到爆炸的人類最頂尖大科學家，就算一百多年過去了，但我們還在吃你的剩飯。

這一切，要從位於瑞士日內瓦的歐洲大型強子對撞機LHC說起。

LHC日目前地球最大、能量最高的粒子加速器，深埋於地下，擁有27公里的環形加速軌道。它可以將粒子，加速至接近光速，並使其與其它粒子互相碰撞，擊碎原子核，藉此來研究各種基本粒子。

LHC可以將質子加速至99.9999.....%，科學家發現，隨著質子的被加速，其過程中，質量也在逐漸提升。當抵達極限速度時，1G的物質，新的質量約7G。

這就說明，當速度越快時，不但時間會變慢，質量還會增加，但質量的增加，反過來又意味著難以被加速，這是一個無窮的死循環。

一切證據皆表明：「汝不可超越光速」。作為我們這個宇宙的最高法則，確實是實實在在存在的，所以那些天天做夢，想穿越去異世界的、穿越到過去的，可以洗洗睡了，宇宙不允許任何人作弊。

啊！講到這裡，狹義相對論也都說得差不多了，就到此為止吧，累死我了！

當然，真實情況比我說的複雜多了，狹義相對論裡面的方程極為複雜，就算是很多物理系大學本科生，也不敢說自己已經百分百的能理解。

預告：敬請期待下一期《時空彎曲：愛因斯坦與廣義相對論》，我將帶領讀者們一起去領略，人類頂級科學家書寫的頭腦風暴。

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