聊聊狭义相对论-第1章
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大家赶快穿好运动鞋，带上装备，拿好旅行包，下面我将带着大伙出发一块到奇幻的相对论世界去冒险。出发之前，我得交代几句，听清楚了喔！
相对论从一开始就以奇怪著称。有人曾说，相对论刚发表时全世界只有12个懂。还有个经典对白，全世界只有3个人懂相对论！恩，除了我和你，我正在想第三个人是谁？再有，相对论创始人爱因斯坦与卓别林在聚会中碰面，卓别林道，大家欢迎我，是因为大家理解我；而大家欢迎你，则是因为大家都不理解你。是的，相对论的“好玩”可见一斑。
你必须时刻保持一个清醒的头脑，常识并不一定就是正确的，反倒往往是错误的。常识常识，就是大家的共识，记住，天才的认识往往跟常人不一样，要不，天才怎么可以叫做天才呢？只有突破常识，才可以成就英雄。来吧，让叛逆来得更猛烈些吧！时代需要异端！（好像偏激了点）
在接下来的旅途中，你将会深刻地认识到这一点。常识往往蒙骗了我们，使我们止步不前，而每一次向常识的挑战，都使人类迈进了一大步。因此，我们要敢于打破旧思想、旧观念，接受新的观点，新的、有事实根据的观点。
我必须得申明，这是一篇不太严肃的介绍相对论的文章，个别地方为了更容易理解，可能已经做了处理，甚至在一些描写中也做了文学加工，不过，这一切都是为了更容易接受、轻松和通俗。但我尽量做到有根据。因此，诸位不要把它当作绝对的事实，一句话，如果想要真正查证相对论的历史，还应回到那些准确的文献中去。
想必你已经雄心勃勃，充满信心，充满憧憬了吧。OK，深舒一口气。记下你现在对相对论的了解和感觉，从而可以与旅途结束后有个比较，这挺重要的。
Are you ready？Let’s go！
旅途从一座金碧大厦的建造开始。
这是一块优美的土地，人杰地灵。在一望无垠的大海的怀抱中，绿树萦绕，和风轻抚，白云朵朵，鸟语花香，日后温暖的阳光和谐地洒在这片阔土上，一切都是那么的安静祥和。这里的人们世代过着恬适的田园般的生活，正是在这种自由、平等、博爱的环境中，走出了一代又一代、一位又一位人类的杰出代表、开路先锋。现在，我们的足迹已经踏上了悠久的欧洲大陆。
中世纪的人们是非常团结的，大伙在教会的领导下，众志成城组成了支持“地心说”的统一战线，所向披靡，赫然一个超级大联盟。时代总是有那么一些“反革命分子”，总喜欢跟大众站到对面去，而事实又证明，他们似乎往往却是正确的。有一位名叫哥白尼的波兰教士举着横幅“打倒地心说”，义愤填膺。
“地心说”是这时候人们显而易见的常识。地球是宇宙的中心，而其他星星，包括太阳、月亮，都在不断地围绕着地球旋转。是的，这是毋庸置疑的，太阳每天从东方升起，西方降落，还有斗转星移，这都是人们耳濡目染的事实，它不就证明了“地心说”吗？况且，上帝创造了子民，理所当然地要放在宇宙的中心嘛！《圣经》不是早说了吗？哥白尼那个疯子！不识时务！瞎搅和！也正因如此，“地心说”在这时的欧洲占统治地位，禁锢了人们的思想达千年之久。
可是，说实话，“地心说”着实有那么一些不太漂亮的地方。托勒密为了解释解释星辰的运动，不得不引进均轮和本轮，均轮就是行星绕地球的圆周运动，而本轮，指的是行星在绕地球运动的同时，又自己在做小的圆周运动（瞧，这多别扭！）。而且，在预言行星位置的时候，还得假定行星有时候离地球远些，有时又近一些。总之，“地心说”露出了那条不太完美的小辫子。
而历史也开了个玩笑。还真有那么一个爱捉小辫子的家伙，他正是哥白尼。哥白尼花了近四十年的时间，潜心观察日月星辰的运动并纪录下他们的位置（诸位想一下，那时没有望远镜，没有计算机，哥白尼那才叫型呀！）。日复一日，年复一年。最后，他惊奇地发现，如果将太阳作为宇宙的中心，而换成地球和其他星星围绕太阳转的话，前面的不完美就会不复存在，对行星运动的描述就会相当的简单，可是，这明显跟常识是相悖的。
哥白尼并没有那么潇洒，“什么常识！让它去见鬼吧！”一句话就干掉了“地心说”。我们试想一下，说这样的话干那样的事情在那时是要掉脑袋的，掉脑袋的事情谁敢鲁莽行事？时代的精英也得给时代屈服呀！哥白尼毕其功于一役，最后写成了《天体运行论》，提出了“日心说”，却辗转不敢公开发表，最终，在1543年，在朋友的劝导下，才在去世前将书籍公诸世人，之后流芳百世。
“长江后浪推前浪”，“江山代有才人出”，这或许应该是我们人类的幸运吧，一个名叫布鲁诺的意大利人接过了历史的重任，开始宣扬前辈的“日心说”，公开支持哥白尼的思想。在时代的发展潮流中，与时代抗争，往往会付出自己的性命，不过却会赢得身前生后名，这，或许是英雄们的宿命。布鲁诺被教会判为“异端”，最后为了科学被用火活活烧死！不过，时代最后也给了他应有的位置，在科学的发展史上留下重重的一笔，也成为了我们心中永远的英雄！
历史的车轮滚滚前行，失之东隅，收之桑榆。继续接过接力捧的是意大利科学家伽利略和德国天文学家开普勒。而他们也将铸造科学的辉煌。
1590年的这一天，风和日丽，不过俗话说得好：“暴风雨来临之前总是宁静的”，或许这也是现在最好的写照吧！希腊先哲亚里士多德的“粉丝”们听说有个不识大体的家伙要公开挑战自己的偶像，一个个愤愤不平，一溜烟地拥到比萨斜塔前打抱不平。一个名叫伽利略的小子拿着两个铁球，一步一步走上了斜塔（如果要加个画外音的话，“这是伽利略的一小步，却是人类科学的一大步”该是挺合适的！）。在这之前，所有的人们都紧密地团结在亚里士多德中央周围，坚定不移地拥护这样的信条：重的物体要比轻的下落地快。这不也是常识嘛！还用说。可是，现在竟有人要“革命”，当反动派，真是吃饱了撑着。全场死一般寂静，伽利略那小子站在斜塔上，看了看下面的人们，心里很是复杂，一来自己是正确的，难以抑制那一种发现了科学真理的兴奋，这是科学家都会有的；再来，这一扔，会给自己带来什么呢？赞赏？那不大可能，在这一种唯信条至上的社会，做梦去吧。或许，这一扔之后，我就进了囚室吧！来吧，是福是祸，是祸躲不过，大家别忘了科学英雄的宿命！
两只手同时放开，铁球掉下。如果是电影的话，肯定来个慢镜，再不断穿插伽利略和众人的表情，还得衬上紧张的音乐。生活往往是这样，事与愿违，确实，令人痛心的是，那可恶的铁球居然同时着地，妈的，伽利略那兔崽子竟说对了（我想，这句用在这种场合应该是合适的吧！）！
伴随着铁球那“噔哐”的清脆的响声，亚里士多德也“掉”了下去，而同时，伽利略的名声开始远扬（应该没那么快吧，哎，“聊聊”嘛）。
后来的历史证明，伽利略开创了近代科学，也赢得了后世“近代科学之父”的黄金称誉。类似于斜塔实验，伽利略综合运用实验、思维结合数学的手段，发现了自由落体定律、惯性定律、单摆等时性以及伽利略相对性原理。在这里，值得一提的是伽利略相对性原理，我们在接下来的旅途中还会遇到它，而它也将在物理学的发展史，特别是相对论的历史中担任极其重要的角色。而至于伽利略的其他贡献，这里就不提了，否则就有离题的嫌疑了（就是嘛，你不如去写伽利略传记算了）。
所谓伽利略相对性原理，即
力学定律在任何惯性系中都是相同的。
哇，不是吧，这什么来着？俺看不懂，什么嘛，开玩笑！就是，课本或是大家就喜欢将简单的说复杂，将复杂的简单化，糊弄我们大众，将本来属于大家的科学放上了珠穆朗玛峰！我觉得，科学普及嘛，最重要是简单易懂明了，真正搞理论的才追求什么简洁、准确，把科学通俗化，是最广大人民群众的呼声！
好，对于伽利略相对性原理，咱们玩个游戏，换种说法：在任何惯性系中，不论是张三的，还是李四的，甚至是王五的，通杀，都行！我们在其中做力学实验，结果都是一样的！是的，我去张三的惯性系做实验，和你去李四的惯性系做同样的实验，结果都一样，丝毫没有差别。
慢着，张三我理解，实验结果我还可以想像是什么。老大，什么是惯性系和力学实验呀？
恩，惯性系，惯性系。举个例子，现在，我们上了一辆公共汽车，而我又特别无聊，把手机放在一张桌子的桌面上（假设有那么一张桌子在车上），说是要玩什么隔空移物，吹牛！首先声明，桌面摩擦力不算哦。突然间，司机要求要加速启动，说要什么feel。只见，那手机竟然向后加速滑去，然后你要分析一下手机的受力，是的，有个重力，还有桌面对它的支持力，恩，这两个力刚好抵消了，那，还有其他力吗？没有了喔，那手机怎么会加速呢，牛大侠（牛顿）不是说，有力的作用才能加速吗？手机没有受到其他的什么力，它怎么就自个儿动了呢？怪事怪事。难道牛哥错了？
先别说那么多，外面站在地上的王五有话说。恩，刚一加速，手机由于惯性，还保持静止，是的，这正是牛顿所说的，没有受力或者受的力抵消了的物体将保持以前的运动，太厉害了，牛兄！
哎呀，奇怪，怎么我们和王五见到的事情不同呢？这样吧，我们在车上，自己理所当然地认为自己不动（也便是常说的，以自己为静止参考系），而是手机在动，地下的王五也人之常情地觉得自己不动，是车在加速。所以，我们看到的就有所差别了。
对了，还有一个问题，我们和王五，一方觉得牛顿似乎是错了，而另一个却继续“顶”他，Why？是的，问题就在这里，惯性系就出现在这里。恩，凡是认为牛顿定律是不正确的就是非惯性系，而觉得牛顿定律没问题的就是惯性系。因此，我们是非惯性系，而王五是惯性系。注意到了没有，我们是在加速的，而王五是静止的，所以，以后，我们可以简单地认为，惯性系就是静止或在做匀速直线运动，非惯性系则是做变速运动的。而至于“惯性系”“非惯性系”，那是物理学家的学术叫法，我们就将就将就，通俗一点算了。
还有，“力学实验”，我们知道，我们身边的物理现象很多很多，像电呀，光呀，温度呀，等等。而我们的力学实验则是指那些没有涉及到电呀，磁呀，热呀这些的实验，而只在力的范围内的实验，比如说，伽利略的斜塔的放开两个铁球的实验（当然，这其中我们不考虑铁球的带电、温度……），就是力学实验。
是的。比如，在张三的惯性系中，我们松开手，没错，铁球3秒钟着地。然后，我们到王五的惯性系，在同样的高度松开同样的铁球，是的，它也是3秒钟到地。这两个“3秒钟”，也就是实验结果是一样的。
没错，伽利略相对性原理说的就是这意思。看吧，其实，物理定律也不过如此嘛。伽利略相对性原理其实还可以数学化，也就是说，伽利略相对性原理还可以用数学式子去写，期待吗？咱们后面再说。
说了那么多，无非是要说清楚相对论历史中的“伽利略相对性原理”这个主角，我们还要继续走。
好，回到伽利略的身上。别忘了，前面说到他接过了哥白尼手中的接力捧，声援“日心说”。不错，1609年，伽利略自己制作了一架天文望远镜，还用它观察到了月球表面凹凸不平的地形，看到了土星的光环、太阳黑子等天文现象，并于1610年发现了木星的4颗卫星。几十年磨一剑，经过艰辛的观察和计算，伽利略渐渐坚信“日心说”是正确的，并写下了科学史上的一部巨著——《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。说起来这本书也有点黑色幽默的感觉，这本巨著本来目的是声援“日心说”的，但是伽利略却巧妙地运用对比的笔调，乍一看似乎是在支持托勒密的观点，更令人惊讶的是，这本书竟取得教会的允许并出版，伽利略就是伽利略呀！不过，后来教会还是发现了这一错误，禁止了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的出版，将其列入“禁书”行列，并开始对伽利略罗列罪名，进行迫害，而最终伽利略还是难逃那个时代里英雄的宿命，在监牢中度过一生，于1642年1月8日与世长辞（而这一年，牛顿来到世上，而300年后的这一天，霍金降临；或许这是薪火相传吧，留下了科学史上的一段佳话。）。
话说伽利略开始支持“日心说”，到处去贴大字报——“支持‘日心说’是每个公民的权利和义务”“跟着哥白尼，永远闹革命！跟着哥白尼，世界一片红！”“以‘日心说’为纲”…… ：）
伽利略的望远镜，成为了其他天文学家有力的武器，他们纠集力量，坚持革命的方针，以“农村包围城市，群众包围教会”的路线，在人民群众中宣传“日心说”，向“统一战线”开火。
不管“地心说”还是“日心说”，都认为天体运行的轨道是绝对的圆周。但是，历史很快就翻开了新的一页。丹麦天文学家第谷毕其一生心血，筚路蓝缕，却没有真正见到他的观察数据放出光芒的那一天。（那个时代呀，搞科学……哎——）临终前，他把其所有的数据结果交给了一个从异国赶来求学的学生，这就是即将名垂青史的德国人开普勒。而历史也将证明，第谷没有看错人。开普勒踩在“巨人”的肩膀上，有了老师的一手资料，再加上他的出众的智慧，观测、计算、分析，以及非凡的数学能力，成就了他的辉煌。开普勒发现天体并非做圆周运动，而是做椭圆形运动！这样就向前大大迈进了一步。
之后，他还提出了后世以他的名字来命名的开普勒三定律，从而加入伽利略的行列，不仅支持“日心说”，还进一步完善了“日心说”。时代发展到了这时候，“日心说”已是进步的潮流，革命的思潮席卷大地，终归有一天，它将把“地心说”丢进历史的垃圾桶，将发出耀眼的金色光芒，将成为人类思想的主流，将成为人类思想的一笔财富。
历史又翻开了新的一页，物理学也匆匆向前发展。在伽利略的惯性定律的基础上，法国一位先锋笛卡儿又踏出了一大步。我相信，笛卡儿，大家一定是熟悉的，要是没了他，咱们就不用辛辛苦苦学习数学上那么boring的解析几何了，不是吗？（^_^）将直线变成方程，代数描述几何，就是由他一手建立的。这样一位天才，不仅数学上建树辉煌，后无来者，物理学上同样留下了他的印记。
关于笛卡儿，有这么一个美丽而浪漫的故事（关于这个传说，它几乎是不可信的，里面漏洞很多，可能是捏造的。不过，作为一个科学家的故事，它跟牛顿与苹果的故事一样，可以激起很多的震撼和感叹，它甚至可以吸引住人们，使大家喜欢上本来就枯燥的数学。从这个角度来说，它功德无量。这也是我要聊聊它的原因。对于那些希望究其虚实的朋友，�
