阿爾伯特·愛因斯坦是20世紀最重要的科學家之一，被譽為“現代物理學之父”，而他最偉大的貢獻便是相對論。這一理論永遠改變了我們對空間和時間的理解。相對論是什麼？簡而言之，相對論的概念意味著物理定律在任何地方都是相同的。

廣義相對論告訴我們，引力不是一種力，而是時空的彎曲

我們在地球上遵循的光和引力定律，與宇宙遙遠角落裡的外星人——如果存在的話——是一樣的。物理學的普遍性意味著歷史是偏狹的。不同的觀察者會看到不同的時間和事件間隔。在我們看來百萬年的時間，對於乘坐高速火箭飛行或墜入黑洞的人來說可能只是一眨眼的功夫。

一切都是相對的。

狹義相對論

愛因斯坦的理論分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論首先提出，其基礎是光速在任何參考系下都是恆定不變的。這看起來很簡單，但卻有著深遠的影響。

愛因斯坦是在1905年得出這個結論的，當時的實驗證據表明，當地球繞著太陽旋轉時，光速並沒有發生變化。這一結果令物理學家感到驚訝，因為其他大多數物體的速度取決於觀察者移動的方向。如果你把車開在鐵軌旁邊，迎面駛來的火車似乎比與你同向而行的火車要快得多。

愛因斯坦提出，所有觀察者所測量的光速都將是每秒30萬千米，無論觀察者移動得有多快，方向如何。

這一論點促使喜劇演員斯蒂芬·賴特（Stephen Wright）問道：“如果你在一艘以光速飛行的宇宙飛船裡，打開車頭燈，會發生什麼？”答案是，從飛船裡某個人的角度來看，車頭燈是正常開著的；但對於站在外面看著飛船飛過的人來說，車頭燈似乎並沒有打開：光出來了，但它的速度與宇宙飛船相同。

之所以會看到這樣相互矛盾的結果，原因在於對不同的觀察者來說，標記空間和時間的標尺和時鐘是不一樣的。如果光速像愛因斯坦說的那樣保持恆定，那麼時間和空間就不可能是絕對的；它們必須是主觀的。

例如，如果一艘100米長的宇宙飛船以99.99%的光速飛行，對於靜止的觀察者來說，它的長度為1米，但對於飛船上的人來說，它的長度是正常的。

也許更奇怪的是，一個人移動的速度越快，其時間就過得越慢。如果雙胞胎姐妹中的姐姐乘坐宇宙飛船前往遙遠的星球，當她回來時，她將比留在地球上的妹妹還年輕。

質量同樣取決於速度。物體運動得越快，質量就越大。事實上，沒有一艘宇宙飛船能達到100%的光速，因為它的質量會增長到無窮大。質量和速度之間的關係通常表示為質量和能量之間的關係：E=mc^2，其中E是能量，m是質量，c是光速。

廣義相對論

愛因斯坦進一步挑戰我們對時間和空間的理解。他通過引入加速度來擴展相對論理論，發現這會導致時間和空間的扭曲。

還是用上面的例子：想像宇宙飛船通過點燃推進器來加速。飛船上的人會像在地球上一樣穩穩地站在地板上。愛因斯坦提出，我們所說的重力與在一艘加速飛船上感受到的力是無法區分的。

這本身並不是革命性的觀點，但當愛因斯坦計算出複雜的數學公式（他花了10年的時間）之後，他發現空間和時間在一個質量巨大的物體附近是彎曲的，而這種彎曲就是我們所體驗到的引力。

很難描繪出廣義相對論的曲線幾何，但如果把時空想像成一種結構，那麼一個質量巨大的物體就會拉伸周圍的結構，使得任何經過其附近的物體都不再沿著直線運動。

廣義相對論方程預測了許多現象，其中很多已經得到證實：

大質量物體周圍光線的彎曲（引力透鏡效應）

水星軌道的緩慢演變（近日點進動）

旋轉物體周圍時空的參考系拖拽

光遠離引力場源時頻率降低（引力紅移）

由宇宙碰撞引起的引力波（時空結構中的漣漪）

黑洞的存在（可以捕獲包括光在內的一切）

黑洞周圍時空的扭曲比其他任何地方都要強烈。前面提到的雙胞胎姐姐如果墜入黑洞，她會像意大利面一樣被拉長。幸運的是，一切在幾秒鐘內就會結束。但是她在地球上的妹妹永遠不會看到這一切的結束，而是會看著她可憐的姐姐在無窮無盡的時間裡一點點地向黑洞靠近。

現實生活中與相對論有關的現象

我們不需要一艘以接近光速飛行的宇宙飛船才能看到相對論的效應。事實上，在日常生活中就可以看到相對論的一些例子，我們今天使用的許多技術也證明愛因斯坦是正確的。

電磁鐵

磁力是一種相對論效應。你之所以能享受電力帶來的方便生活，需要感謝相對論，因為相對論讓發電機可以工作。

如果你將一圈導線穿過磁場，就會產生電流。導線中的帶電粒子受到不斷變化的磁場的影響，導致其中一些帶電粒子移動並產生電流。但是，想像一下導線靜止，磁鐵運動的情況，此時導線中的帶電粒子（電子和質子）不再運動，因此不應該受到磁場的影響。但磁場的影響確實存在，而且仍然有電流。這表明並不存在絕對的參考系。

加州克萊蒙特波莫納學院的物理學教授托馬斯•摩爾利用相對論原理，證明了法拉第定律的正確性。法拉第定律認為，不斷變化的磁場會產生電流。摩爾說：“這是變壓器和發電機的核心原理，因此任何用電的人都體驗著相對論的影響。”

電磁鐵也通過相對論起作用。當直流電通過導線時，電子就在導線中流動。通常情況下，導線看起來是電中性的，沒有淨正電荷或負電荷。這是因為質子（正電荷）和電子（負電荷）的數量相同。但是，如果你在它旁邊放另一根帶直流電的導線，二者就會相互吸引或排斥，這取決於電流的方向。

假設電流沿同一方向運動，第一根導線上的電子相對第二根導線上的電子是靜止的（假設電流的強度大致相同）。與此同時，從電子的角度來看，兩根導線中的質子都在運動。由於相對論的長度收縮效應，質子之間的距離也似乎更近，因此導線單位長度中的正電荷比負電荷多。由於同性電荷相斥，這兩根導線也會相斥。

相反方向的電流則會使兩根導線相互吸引，因為從第一根導線的角度看，另一根導線上的電子更密集，產生淨負電荷。與此同時，第一根導線中的質子產生淨正電荷，相反的電荷相互吸引。

全球定位系統（GPS）

為了讓汽車的GPS導航功能準確工作，衛星必須考慮相對論效應。這是因為即使衛星沒有以接近光速的速度移動，它們的速度仍然相當快。與此同時，衛星也在向地球上的地面站發送信號。由於重力作用，這些地面站（以及你車裡的GPS裝置）的加速度都比軌道上的衛星要高。

為了獲得更高的精度，衛星使用的時鐘精確到十億分之一秒（納秒）。由於每顆衛星在地球上方20，300公里處，以每小時約10000公里的速度移動，因此相對論的時間膨脹每天大約持續4微秒。加上重力的影響，這個數字會上升到7微秒，也就是7000納秒。

這種差別非常真實：如果不考慮相對論效應，今天告訴你到下一個加油站只有0.8公里的GPS裝置，第二天就會改口說距離是8公里。

黃金的顏色

大多數金屬之所以有光澤，是因為原子中的電子會從不同的能級或“軌道”躍遷。一些撞擊金屬的光子會被吸收，並以更長的波長重新發射。不過，大多數可見光只會被反射。

金原子是一種重原子，所以內部電子的運動速度足夠快，以至於相對論質量的增加和長度收縮都相當顯著。因此，電子繞原子核旋轉的路徑更短，動量更大。內層軌道中的電子攜帶的能量更接近外層電子的能量，而被吸收和反射的波長更長。

波長較長的光意味著一些通常只會被反射的可見光會被吸收，而這些光位於光譜的藍色端。白光是彩虹所有顏色的混合，但當白光照射黃金時，一部分光會被吸收，然後重新發射一些波長通常更長的光。這意味著我們看到的混合光波中藍色和紫色的成分更少。由於黃色、橙色和紅色的光比藍光波長更長，所以黃金在顏色上會顯得偏黃。

黃金不易腐蝕

相對論效應對黃金電子的影響也是黃金不容易腐蝕或與其他物質反應的原因之一。

金原子的外層只有一個電子，但它的反應活性並不如鈣或鋰。相反，金原子中的電子比它們原本的重量“更重”，更加靠近原子核。這意味著最外層的電子很可能與原子核附近的其他電子一樣，不太容易與其他物質發生反應。

水銀是液體

與金原子類似，汞原子也是一種重原子。由於電子的速度足夠快以及隨之而來的質量增加，它們被緊緊地束縛在原子核附近。汞原子間的鍵能很弱，導致固體非常容易在較低的溫度下熔化，因此我們通常見到的都是液態汞。

老式電視機

就在幾年前，大多數電視和顯示器還帶有陰極射線管屏幕。陰極射線管的工作原理是用一塊大磁鐵向磷光層表面發射電子。每一個電子撞擊屏幕背面時都會產生一個發光的像素。這些成像的電子發射出來的速度可高達光速的30%。相對論效應是顯而易見的，當製造商製造磁鐵時，他們必須考慮這些效應。

光

如果牛頓假設的絕對靜止參考系存在的話，我們將不得不對光做出不同的解釋，因為在這一假設下光根本不會出現。在絕對靜止參考系中，不僅磁力不存在，光也不存在，因為相對論要求電磁場的變化以有限的速度運動，而不是瞬間運動。如果沒有相對論的這一要求，電場的變化將會在瞬間傳遞，而不是通過電磁波，這意味著磁和光都將是不必要的。