Question

爱因斯坦狭义相对论如何理解，为什么时间变慢，尺度会变短

Answer 1

汽车是运动的，树木是静止的，这样说大家都能接受，但如果反过来说树木是运动的，汽车是静止的则会有很多人说你痴人说梦。其实在物理学上这两种说法都是正确的，只是所选的参照系不同而已。这也是爱因斯坦伟大的相对论创建的基本出发点。

相对论创建的第一个假设是:所有参照系都遵循相同的物理定律。无论在地上还是在匀速行驶的汽车上，用尺子量一个木板或用秒表量一个钟摆晃动10个周期的时间，结果都是相同的。但是如果木板或钟摆在一个以一定速度驶过测量者面前的车上，重复上面的测量就会得到不同的结果。这种不同就是由所有参照系都遵循相同的物理定律造成的。

相对论创建的第二个假设是:光速在所有参照系中都是恒定的。刚一听好像和第一条假设说的是同一件事，可是仔细想想就会发现其中的奥妙。第二条假设的意思是无论你坐在飞驰的火车里还是静止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所处的运动状态无关。原因就在于我们在处理日常物理目标的速度时得到的都是合速度。例如你驾驶一辆时速为25千米每小时的越野吉普，一位乘客以相对你10千米每小时的速度用弹弓射击前面的岩石，那么弹珠的实际运动速度就应该是35千米每小时。可是如果打开前车灯，按照常识光速是334,800,000千米每小时，加上车的运动速度，光的实际速度就应该是334,800,025千米每小时，可实际测量光速还是334,800,000千米每小时。为什么同样的参照系光和实际物体得到的结果不同呢?

要解释它首先要从速度的定义说起。单位时间内通过的距离叫做速度，即速度是距离被时间除得到的。长度收缩学说认为一个具有质量的物体在它运动方向上的测量长度是相对缩短的，达到光速时长度相应缩短为零。学说成立的基础是测量者和被测量物处于不同的参照系，且只发生在物体运动方向，不会影响和运动垂直方向的长度。也就是说当你驾驶一辆速度接近光速的汽车时，静止的观察者看到的车长远远小于它的实际车长，而高度方向没有变化。这种情况反过来说，即当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。时间和长度一样也会随着参照系的变化而变化，这就是所谓的时间膨胀。随着运动速度的增加时间会相对变慢，一般情况下都比较微弱不易觉察，达到光速时时间会完全停止。但是这种现象也只有观察者和时钟不在同一参照系时才能发生，为了证明这一结论，两个原子钟被调节成完全相同，一个留在地球上，一个放在高速飞行的航天飞机上，当飞机降落时会发现飞机上的原子钟要比地球上的原子钟慢，慢的时间和由爱因斯坦相对论推算出来的结果相同。也就是说航天飞机上原子钟记录的时间相对地球上静止的原子钟的时间膨胀了。

理解了近光速或等光速运动时的长度和时间的变化，车头灯光速的问题就不难解释了，因为光运动和我们普通运动所涉及的距离和时间不同而已。