在這個時空里，我們都是光速旅行家 | 王木頭講科學

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今天是王木頭講科學的第7期節目。

來自北京大學的木頭哥哥是把科學帶回家的明星主持人，他最擅長給孩子講有趣的科學。

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來自把科學帶回家

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伽利略說運動是相對的，到底是靜止還是運動，是快還是慢要看是和誰相比。後來科學家們發現，其他東西看起來都挺對的，只是這個光太特別了。不論是和誰比都在運動，而且運動的速度還都是30萬公里每秒。為了解決光速奇怪的特點，科學家們嘗試了各種方法，最後還是愛因斯坦完善了伽利略的理論，提出了不只是速度是相對的，時間也是相對的。

這一下子就到打破了人們幾千年來對時間的認識，很久以來人們都覺得時間應該是一種非常特別的存在。時間是絕對的是公平的，不會被任何事情所干擾。不論是宇宙中還是地球上，過去還是未來，對於你還是對於我，一秒鐘就是一秒鐘。像是什麼天上1天地下1年的說法只是神話傳說罷了。可是現在，時間好像也沒有想像的那麼特別了，它也是可以被影響的，只要在空間中運動就可以讓時間變慢。

不過也難怪人們很久都沒有發現，因為光速太快了。不論是坐火車，還是坐火箭，人類所能達到的速度都遠遠比不上光速。雖然再慢的速度也會影響到時間，但是帶來的時間改變卻是非常小的，小到了根本察覺不到，所以才幾千年來都沒有被發現。

愛因斯坦說，既然時間並不再那麼特殊了，那麼不如把它和空間合在一起，這樣子我們的宇宙就是處於一個四維時空了，時間和空間是統一的。

一維很簡單，一隻螞蟻沿著一條細線上走，我們只需要知道一個數字就可以知道它位置，那就是它在細線上走過的距離。如果二維的，確定一個準確的位置就不能用一個數字了，而是兩個。就像是你在隊列里站著，必須確定幾行幾列才可以確定你的位置。如果是三維，當然就需要三個數字才能確定一個具體的位置了。除了行列還需要有一個高度的數字。簡單的說，我們平時說的三維，一維是線，二維是面，三維是體。

現在又要加上時間了，時間就是第四個維度，除了3個用來表示位置的數字，還需要一個數字用來表示時間。就像是你約了和朋友見面，除了約見面地點還需要約定時間，是幾點幾分見面，錯過了就見不到了。

有了四維時空，其實可以讓我們想明白一件事情，那就是光速。如果是在三維空間中，我們可以靜止，也可以運動，但是運動最快只能達到光速。如果是在四維時空中這個問題會更簡單，任何事物都是在以光速運行著，壓根就沒有靜止的概念。我們平時說的靜止，是在三維空間中靜止，但是這個時候卻是在時間維度上快速運動，這也就是相對論說的，靜止的物體時間流逝最快，這個流逝的速度就是光速。

光速是我們宇宙的一個基本特徵，是宇宙的基本常數之一。在宇宙誕生的時候就已經確定了——30萬公里每秒。如果存在平行宇宙的話，或許其他宇宙的這個數字會更大，60萬、70萬、1個億都有可能，當然也有可能更小。

就像是宇宙有一個存儲運動的銀行賬戶，裡面存著的運動總數值就是光速，在所有維度上的運動合起來都必須等於光速。物體在三維中靜止了，時間維度就會把全部運動都分走，如果在三維空間中運動起來了，那麼時間維度就會減少時間的流速，保證四維空間中的總速度還是是光速。如果在三維空間中的速度已經達到了光速，那麼在時間維度上的流速只能是0了，也就是時間靜止了。

這就是四維時空的奧秘，時間的流逝和空間中的運動可以相互轉換，而且它們有個總數值，那就是光速。任何物體任何狀態它在四維時空中總是以光速運行著的。

當大家還在認為自己已經來了解了宇宙的本質的時候，我卻要提醒大家一些，別著急歡呼，因為現在這一套理論還是不完善的。有兩種情況愛因斯坦還沒有考慮清楚，一個是物體的運動發生改變的情況，一個是物體受到萬有引力吸引的情況。這兩種情況可能適用於相對論，也有可能完全不適用。愛因斯坦在1905年第一次提出相對論的時候，他還沒有完全想明白這兩種情況下會發生什麼，但是他堅信相對論的理論是可以把這兩種情況包含進去的。直到10年後的1915年，愛因斯坦終於證明了，即使在這兩種情況下相對論也是適用的。

所以我們所說的相對論是有兩部分的，最開始提出的叫做狹義相對論，後面提出來的叫做廣義相對論。狹義的意思，就是範圍小，這個理論只適用於勻速直線運動的情況。廣義的意思，就是範圍廣，這個理論就不只是在勻速直線運動的情況下適用了，在速度發生變化或是受到引力吸引時也同樣適用。我們最開始說的，越靠近黑洞受到的引力越大，時間就會越慢，這個結論就是用廣義相對論得出來的。

我們會更詳細的解釋廣義相對論，但是在下一期內容，我會先給大家普及一些有關光的知識。只有掌握了這些知識，不論是回頭看之前講的狹義相對論的內容，還是學習後面廣義相對論的內容，都會理解得更加透徹。

好了，這次的內容就到這裡了，下一次我們講光。

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