119岁的狭义相对论和109岁的广义相对论， 相对的到底是谁？

审核专家：钱航

中国航天科技集团一院航天科普专家

如果你是理科生，如果你想要在大学深耕理科专业，那么有两座爱因斯坦留下的“大山”需要你去攀登：一个是相对论，另一个还是相对论。

说到爱因斯坦，E=MC²是很多人对他的第一印象，而这个“网红公式”也源自于相对论。

自狭义相对论诞生至今已有119年，广义相对论也走过了109年的历程。那么，相对论中的“相对”究竟是指谁与谁之间的相对呢？

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古代传说中的“天上一日，人间百年”又是否与相对论中的时间膨胀概念相吻合呢？

今天，就让我们一起走进这个穿越时空的谜题吧！

狭义相对论：重塑时空观

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狭义相对论，是阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出的理论，它颠覆了牛顿力学中的绝对时空观，提出了全新的时空观念。狭义相对论中的“相对”主要指的是不同惯性参考系之间的相对性。

在狭义相对论中，有两个核心假设：光速不变原理和等效原理。光速不变原理指出，在任何惯性参考系中，光在真空中的传播速度都是恒定的，不依赖于观察者的运动状态。这一原理打破了牛顿力学中速度叠加的观念，引出了时间膨胀和长度收缩等令人惊叹的相对论效应。

等效原理则表明，在局部区域内，无法通过实验区分均匀引力场和加速参考系。这意味着，一个加速运动的参考系可以看作是静止的，并且物理规律在这些参考系中也是相同的。这一原理为广义相对论的提出奠定了基础。

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狭义相对论还预言了质能关系式E=mc²，这一公式揭示了质量和能量之间的等价性。它告诉我们，质量和能量可以相互转化，为核能的利用提供了理论基础。

广义相对论：引力与时空的交织

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广义相对论是爱因斯坦在1915年提出的理论，它是对狭义相对论的进一步拓展，将引力纳入了时空的框架之中。广义相对论中的“相对”不仅涉及不同惯性参考系之间的相对性，还涉及了引力场中的时空弯曲。

在广义相对论中，物质的存在会弯曲周围的时空，而物体的运动则受到这种弯曲时空的影响。这种时空弯曲的观念彻底改变了我们对引力的理解。引力不再是一种超距作用，而是时空结构本身的表现。

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广义相对论预言了许多令人震惊的现象，如黑洞、引力波等。黑洞是时空中的某些区域发生极度扭曲，以至于连光都无法逸出的天体。而引力波则是引力场中的扰动，它像水波一样在时空中传播。这些预言已经得到了许多高精度实验的证实，进一步证明了广义相对论的正确性。

此外，广义相对论还是现代宇宙学的理论基础。它解释了宇宙大爆炸、黑洞辐射等宇宙现象，为我们揭示了宇宙的起源和演化。

虽然广义相对论早在1915年就指出“引力场越强，时间就越慢”，但直到1976年才有了第一次精确的实验验证：当时科学家用火箭将原子钟送到1万公里的高空，发现它比海平面时钟大约每73年快一秒。

2022年，来自中国科学家叶军所率领的科研团队在《自然》杂志发表文章，通过团队开发的世界上最精确的原子钟，得出在一毫米高度差上，时间相差大约一千亿亿分之一，该研究也是迄今为止在最小尺度上验证广义相对论的实验。

所以，亲爱的青少年朋友们，当你们下次再听到“相对论”这个词时，不妨想象一下这两位百岁老人的故事。他们告诉我们，世界并不是我们想象的那么简单，而是充满了无尽的奥秘和可能性。

也许，未来的你们，也能成为揭开这些奥秘的科学家呢！