爱因斯坦（精简版）| Discover Magazine

相对论和量子力学是 20 世纪科学最伟大的成就，构成了所有基本物理知识的总和。前者描述了宏观世界，包括黑洞和膨胀的宇宙。后者解释了微观世界，即原子和亚原子粒子的微观领域。而一个人——阿尔伯特·爱因斯坦——则是前者毋庸置疑的奠基人，也是后者的教父。

爱因斯坦成功的秘诀是什么？他曾说过，如果一个物理理论不能向孩子解释清楚，那么它很可能是没有价值的。换句话说，他喜欢用简单的物理图像来思考。他的伟大之处在于他能够利用这些图像来解决基本问题，例如艾萨克·牛顿力学理论与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦光理论之间的冲突。

牛顿体系基于常识——即地球上的 1 秒与整个太阳系中的 1 秒是相同的。我们可以在宇宙中的任何地方同步我们的手表，因为时间是均匀流逝的。同样，地球上的 1 英尺或 1 磅与任何其他地方的 1 英尺或 1 磅是相同的。

通过时钟和火车、光束和飞驰的自行车的心理意象，爱因斯坦意识到牛顿体系是不正确的，因为它与麦克斯韦的光理论相矛盾。爱因斯坦证明，无论你移动多快，光速都必须是恒定的。为了实现这一点，你移动得越快，时间就必须越慢。更奇怪的是，当你接近光速时，长度会收缩，质量会增加。在他的新理论中，空间和时间变得相对了。这一关键的见解推翻了 250 年的牛顿物理学。

十年后，爱因斯坦又解决了物理学中的另一个矛盾。根据牛顿的说法，引力可以在宇宙中瞬间传播。但根据相对论，任何东西的速度都不能超过光速。为了克服这些不兼容的观点，爱因斯坦引入了另一个更宏大的理论，在这个理论中，空间和时间不是空的，而是像可以弯曲和拉伸的织物。这个新的图像——引力来自于时空织物的弯曲——彻底改变了宇宙学，并为我们提供了最引人注目的创世理论：大爆炸。

因此，即使是孩子也能理解的图像将改变历史进程，并改变我们对宇宙的理解。

狭义相对论

狭义相对论解开了恒星的秘密，并揭示了储存在原子深处的巨大能量。但相对论的种子是在爱因斯坦 16 岁时种下的，当时他问自己一个孩子般的问题：如果能和一束光一起赛跑，它会是什么样子？根据牛顿的说法，如果你移动得足够快，你就能追上任何飞驰的物体。爱因斯坦意识到，如果你能追上一束光，它看起来就像一束静止在时间里的波。但即使作为一个青少年，他也知道没有人见过静止的光波。事实上，这种波在物理上是没有意义的。

当爱因斯坦研究麦克斯韦的光理论时，他发现了一些别人忽略的东西——无论你移动多快，光速似乎总是相同的。然后，爱因斯坦大胆地提出了狭义相对论的原理：光速在所有惯性参考系（以恒定速度运动的参考系）中都是恒定的。

空间和时间不再是牛顿所认为的绝对值。空间会压缩，时钟在宇宙各地的滴答声速度也不同。

时间是相对的

想象一下，让一个双胞胎登上以接近光速的速度起飞的火箭飞船，而另一个双胞胎留在地球上。通过望远镜，地球上的双胞胎看到他火箭上的双胞胎比自己年轻。当火箭上的双胞胎回到地球时，地球上的双胞胎已经老了很多；火箭上的双胞胎则年轻得多。

相对论悖论

从双胞胎起飞离开地球时火箭上双胞胎的视角来看，他似乎是静止的，而地球则在远离他。因此，对他来说，是地球上的双胞胎以极高的速度旅行并变得年轻，而火箭上的双胞胎则已经变老了。那么，到底谁更年轻呢？

双生子佯谬的解决

火箭上的双胞胎，而不是地球上的双胞胎，在旅途中改变了方向。由于火箭上的双胞胎没有以恒定速度旅行，因此两个视角并不相同。因此，你可以判断谁更年轻：火箭上的双胞胎。

广义相对论

狭义相对论是不完整的，因为它没有提及加速度或引力。然后，爱因斯坦做出了下一个关键观察：在引力作用下的运动和在加速参考系中的运动是无法区分的。由于光束在加速的火箭中会弯曲，所以光束在引力作用下也必须弯曲。

为了说明这一点，爱因斯坦引入了弯曲空间的观念。在这种解释中，行星绕太阳运行不是因为引力作用，而是因为太阳扭曲了周围的空间，空间本身将行星推开。引力并不会把你拉进椅子里；而是空间在你身上施加压力，产生了重量感。时空已经被替换成了一个可以拉伸和弯曲的织物。

广义相对论可以描述由大质量死星（黑洞）引力引起的极端空间扭曲。当我们对整个宇宙应用广义相对论时，一个解自然地描述了一个起源于炽热大爆炸的膨胀宇宙。