回到初中物理
學過初中物理的人都知道，運動是相對的。脫離參照系來討論一個物體的運動或靜止，是毫無意義的。這個參照系被稱為慣性坐標系。

我們來看一個例子：

有一輛坦克，以10米/秒的速度在前進。這輛坦克在行進過程中，發出一顆炮彈，炮彈相對坦克以20米/秒的速度飛行。那么，以地面上站立不動的士兵為坐標系，炮彈相對士兵的速度是多少呢？

還是一輛坦克，以10米/秒的速度在前進。這輛坦克在行進過程中，打開探照燈射出一束光（大家都知道，光速是300000km/s，用小寫c表示）。那么，以地面上站立不動的士兵為坐標系，這束光相對士兵的速度是多少呢？

狹義相對論


什么是狹義相對論呢？狹義相對論是基于兩個重要的假設。
1.相對性原理：在所有慣性系中，物理定律都具有相同形式；或在任何一個慣性參考系內部，不能通過任何實驗測出該慣性系相對于其他慣性系的速度。

2.光速不變原理：在所有慣性系中，光在真空中的傳播速度均為c，與光源運動與否無關。

相對性原理并不難理解，任何的運動和靜止都是相對于某個坐標系的，并不存在絕對的靜止。在經典力學體系中也有類似的觀點，狹義相對論對這個原理進行了擴展和補充。

至于光速不變原理，對于我們這些生活在低速運動世界的人們來說，確實很難理解。無論我們相對于光做怎樣的運動，是迎著光跑過來，還是順著光一起跑，甚至用接近光速奔跑，光速相對于我們都是不變的！
這兩個假設還僅僅是狹義相對論的起點，通過這兩個假設，后面推導出的結果會更加不可思議。

時間膨脹效應

時間還會有不一致的情況？在什么情況下會出現呢？讓我們來看一個例子：

有一輛公共汽車以速度v向前行駛，從車底到車頂的高度是L。有人在車上打開手電筒，從車底向車頂照射。

以車上的人為坐標系，光所經過的路線是向上垂直的，路程是L，光到達車頂所花費的時間?t1=L/c。
那么，以一個站在路邊的人為坐標系，光所經過的路線是什么樣呢？
當光線向上照射的時候，車也在向前走，所以在路人看來，光線到達天花板所經過的路線是斜向的：

假設路人看到光從車底到達車頂的用時是t2，那么這個過程中汽車走出的距離就是v * t2。當然，圖中所畫的比例有些夸張，實際上汽車不可能走出這么遠距離。

如此一來，光實際經過的距離是多少呢？用勾股定理可以算出光經過的距離，我們把這個距離設為D。

光速在任何坐標系下都是c，所以 t1 = L/c，t2 = D/c。L是汽車的垂直距離，D是斜向的距離，顯然D大于L。
所以t2（路人感受到的時間）>t1（車上人感受到的時間）。也就是說，在行駛的汽車上，時間變慢了。

由此可見，時間并不是絕對的，對于不同慣性坐標系下的人可能會不一樣。有一個著名的科幻電影《星際穿越》，情節中父親高速飛行到遙遠的星系，回來以后發現女兒比自己還要老得多，就是這個道理。

“就算在飛機上坐一輩子，人們延長的生命還不足1秒鐘，遠遠不及劣質飛機餐對健康的殘害。”



長度收縮效應

為什么說長度可以收縮？讓我們回到剛才公共汽車的例子，有一輛公共汽車以速度v向前行駛，從A點行駛到B點：

以汽車乘客的慣性坐標系來看，所花費的時間是t1，從路邊站立的行人來看，所花費的時間是t2。
汽車相對于道路的速度v，這個速度在兩個坐標系下看來是一樣的。因此，在汽車乘客看來，A點到B點的距離S1 = v * t1；在路人看來，A點到B點的距離S2 = v * t2。

剛才我們已經證明過 t1< t2， 所以S1也小于S2，也就是說對于車上的乘客而言，A點到B點的距離變短了。

運動物體沿運動方向的長度變短，這就是相對論的長度收縮效應。

僅僅冰山一角

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總結

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