第14章 即时通信（第3/8页）

1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，狭义相对论结合了运动的基本规律和关于光本身的超前理解。在此之前，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出，光是电和磁的相互作用。一个运动的电荷会产生磁，同时一个运动的磁体会产生电。变化的电场会产生变化的磁场，变化的磁场又会产生变化的电场，循环往复。整个电磁场理论是一套非常自洽的理论。

电场和磁场的相互转换过程只在一定速度的前提下才有可能成立，这个速度经过计算就是光速，这也证明了“光是一种电磁波”的结论。爱因斯坦用一个思想实验进一步探索了这个概念。他假设自己同一束阳光一起穿过太空。（据说这个实验是在一个公园的草坪上完成的。爱因斯坦懒洋洋地躺在草坪上，阳光洒向他的眼睛。）当时还年轻的爱因斯坦想，如果他和阳光同速运动，那么以他的视角来看，太阳光是静止的。于是，问题出现了。

如果光不是以光速运动，它就不存在了。电场和磁场相互转换的过程在其他的速度下都不成立，只在光速下成立。光速在真空中是每秒299 792 458米，也就是每秒18 600英里。（度量值如此精准是因为，米的定义是光一秒走过距离的1/299 792 458）。所以爱因斯坦不能和阳光一起运动，因为如果阳光不运动，它就不存在了。更重要的是，在这个假设的世界中，任何物质一旦以任何速度开始运动，它周围的光都将不复存在。这是通过相对论计算出来的，但它不是爱因斯坦的“拓展”版，而是伽利略的“原始”版。

在伽利略的相对论中，两个物体互相靠近的速度可以相加。比如，两辆车做相向运动，每辆车的速度都是每小时50英里，那么从一辆车的角度看另一辆车，速度都是每小时100英里，也就是两辆车的速度之和。同样，如果两辆车以相同的速度同向运动，那么从一辆车的角度看，另一辆车是静止的。如果两辆车沿同一路径做同向运动，人可以轻松地从一辆车迈到另一辆车上去。

依照伽利略的相对论，在一个运动的人眼里，光速要么加快、要么减慢，这取决于观察者的运动方向。但是，爱因斯坦意识到这是不对的。光和其他所有东西都不同。不管我们以什么速度向着光或者背着光运动，光速在真空中都是每秒299 792 458米。在分析光的运动时，相对论需要做出修改才能解释光的特殊本质。当爱因斯坦为合理地处理光速问题进行计算时，他发现了一些奇怪的物理现象。这里让我们最感兴趣的一个例子就是，在高速运动的宇宙飞船上时间会过得比较慢。

我们通常认为相对论非常复杂，解释它的方程式肯定也繁复无比。对于广义相对论来说确实如此，特别是计算重力的公式，就连爱因斯坦也需要数学家的帮助。但是，狭义相对论的计算公式则非常简单。如果宇宙飞船上的时间为t，那么地球上的时间就是t/(1–v2/c2)½（v是飞船的速度，c是光速）。飞船的速度越快，公式中的分母就越接近于零，地球经过的时间就越接近于无穷大。这至多是高中数学的运算水平。

我们甚至不需要计算就能知道光的运动对时间可能造成的影响，一个简单的思想实验可以让一切清晰明了。假想一艘宇宙飞船正高速飞离地球，现在发挥想象力（在思想实验中，我们需要想象力的参与），我们可以从地球上看到飞船内部。飞船里有一个与众不同的钟表，这个钟表由两面镜子构成，一面镜子在飞船的天花板上，另一面镜子在飞船的地板上。光束在两面镜子间来回反射，每反射一次，钟表的秒针就往前走一格。事实上，匀速运动的光就是钟表的计量单位。

现在，让我们想象飞船正在以极快的速度远离地球。假设在我们从地球上开始观察飞船内部的那一刻，光刚好从天花板上的那面镜子折射下来。在光到达地板上的镜子的过程中，飞船仍在向前运动。所以，从地球的角度观察，光并不是像在飞船内的人观察到的那样做垂直运动，而是走了一条更长的斜线：光反射的方向和飞船运动方向的矢量叠加。