《时间的形状》12 - 质能奇迹
质能奇迹
聊完了超光速，本章的压轴大戏正式上演
爱因斯坦现在手上有这么一个质速公式：
此外，人们很早就知道一个运动的物体是具有能量的。经典物理学对动能的计算公式是：
爱因斯坦知道经典的动能公式肯定也需要修正，于是他开始像搭积木一样把这两个公式搭来搭去。很快，奇迹出现了，爱因斯坦的草稿纸上出现了下面这个公式：
这就是大名鼎鼎的质能公式。
它代表了质量和能量是可以相互转换的，它解开了英国科学家卢瑟福在前不久发现的神秘的放射性物质为何能发出巨大的能量之谜，也解开了开尔文勋爵冥思苦想也想不通的太阳为何能经久不息地放出如此巨大能量之谜。
这真的是不可思议，因为这个c的平方是个大得不得了的数字，这个数字是90,000,000,000（千米/秒）平方，也就是说1克的物质如果全部转换为能量就可以产生90万亿焦耳的能量。这是多大的一个能量呢？打个比方，假设我能自爆，把我自己70千克的质量全部转换为能量，那么就相当于30多颗氢弹的威力。这太恐怖了！你惊呼一声，周围每个人都随身携带30多颗氢弹啊，以后得躲远一点。别激动别激动，没人能把自己变成氢弹自爆，即便是威力巨大的原子弹，也不过仅仅能把1% 的质量转换为能量而已。
但笔者请你千万记住的两点是：（1）爱因斯坦并没有参与原子弹制造，质能公式也不是造原子弹的理论；（2）即便没有质能公式，原子弹也一样能造出来，只不过原因仍然会很神秘。
这个质能公式是如此的简洁而又不可思议，以至于它成了相对论和爱因斯坦的代名词，甚至被用来代表科学。但如果爱因斯坦地下有知，他可能会觉得如果用相对论因子γ的公式来代表，也许马马虎虎还能接受。
在《论运动物体的电动力学》这篇论文即将发表的前夕（1905年9月底），爱因斯坦把他最新发现的质速公式和质能公式写了一篇仅仅三页纸的论文，作为上一篇论文的补充，定名为《物质的惯性同它所含的能量有关吗？》，又投给了《年鉴》杂志，两篇文章终获发表。
正当相对论逐渐被更多物理学家和数学家接受时，爱因斯坦本人却冷静地看到了其中的两个缺陷。什么呢？真正的惯性系几乎找不到，而放眼宇宙，更是非惯性系主宰了我们的世界。同时，无论他如何尝试，都无法将引力纳入到相对论的理论中。新的障碍横亘在了爱因斯坦的面前。然而十年后爱因斯坦便再次做出巨大突破，将相对论极大地提升到了一个全新而更广阔的高度。于是人们把1905年的相对论称为“狭义相对论”（SpecialRelativity），把1915年的称为“广义相对论”（General Relativity）。
四个搞脑子问题
写到这里，本章的内容即将结束。如果你此时的感觉是：“狭义相对论原来也并不难懂嘛，我基本上都看明白了”，那是笔者莫大的荣幸。但是，我想问：你真的明白了吗？抱歉，我马上要给你一点小小的打击了，你以为你全都明白了，其实也许并非如此，让我来问你这么几个问题，请你思考一下：
第一个问题：
想象一下，爱因斯坦和哈勒各自驾驶着一艘同一型号的宇宙飞船在黑漆漆的太空相遇。在爱因斯坦的眼中，哈勒的飞船开始是一个小亮点，然后越来越大，最后以高速从他身边飞过，一转眼就不见了。爱因斯坦心里想，根据狭义相对论的时间膨胀和空间收缩效应，哈勒的时间过得比我慢，哈勒的飞船相对我的飞船缩小了。但是，让我们跑到哈勒那里，在刚才那起相遇事件中，哈勒看到爱因斯坦的飞船开始是一个小亮点，然后越来越大，最后以高速从他身边飞过，一转眼就不见了。哈勒心里也在想，根据狭义相对论的时间膨胀和空间收缩效应，爱因斯坦的时间过得比我慢，爱因斯坦的飞船相对我的飞船缩小了。亲爱的读者，请问，他们到底谁比谁的时间变慢了？谁比谁的飞船缩小了？
第二个问题：
想象一下，你即将坐上一艘亚光速飞船告别地球上的双胞胎弟弟去太空旅行，当你弟弟看到你的飞船瞬间冲上云霄，一下子就飞得不见踪影时，他在心里面想，等哥哥回来的时候，我就比他老了，哥哥会比我显得更年轻。可是，你在飞船上可不一定这么想，对于你的感觉来说，你觉得是地球载着你的弟弟突然飞离你而去了，你越想越觉得有道理，所以感慨道：“等我再见到弟弟的时候，我就更老了。”亲爱的读者，你觉得你们见面的时候，你到底是变得更年轻了呢还是变得更老了？（双生子佯谬）
第三个问题：
洛伦兹开着一辆亚光速飞车正在平坦的北极冰面上飞驰，他越开越快，真是爽极了。突然，车载雷达显示，前方有冰面出现了一道裂缝，裂缝的宽度刚好和飞车一样宽，情况十分紧急，到底要不要刹车？洛伦兹突然想到，啊哈，那个裂缝正相对我做着高速运动，它会在运动方向上收缩，于是会小于我的车长，我应该能顺利地冲过去。这么一想，洛伦兹心里一宽，反而踩下了油门加快速度。可是马上就要到裂缝时，一个念头突然冒出来，他吓呆了：如果裂缝里面有一个人，从他的眼里看来，我正在朝他飞速运动，因此我的车子在运动方向上会收缩，我会更容易一头跌入冰缝，天哪，得赶紧刹车！可是此时已经来不及了。亲爱的读者，请问倒霉的洛伦兹先生到底有没有掉入那个冰缝中呢？（长棍佯谬）
第四个问题：
庞加莱先生正指挥着一艘潜水艇在大西洋中游弋，海里的美景真是美不胜收，看上去比数学公式要有趣得多。突然，一阵凄厉的警报声把庞加莱的思绪拉回现实。中士慌慌张张地跑来报告说一个不明物体击中了潜水艇，撞坏了深度控制箱，潜水艇正在下沉，情况危急。庞加莱不愧是久经考验的大师级人物，临危不乱，他想：只要我加快潜水艇的前进速度，那么对面的海水就会相对潜水艇做高速运动，根据狭义相对论的质速公式，海水的质量会增加，那么密度就会增加，浮力就会增大，我们的潜水艇就能顺利上浮了。当庞加莱正要发出以亚光速加速前进的指令时，他突然又想：哎呦不对，一加速，在海水看来，潜水艇的质量就增大了，我岂不是下沉得更快？庞加莱这时也无法保持镇定了，看着全体艇员焦灼的目光，大颗汗水从额角落下。亲爱的读者，请问可怜的庞加莱先生到底该不该下达加速前进的命令？（潜水艇佯谬）
问题问完了。
请原谅我，你本来已经清楚的头脑，突然一下子又坠入深渊，你忍不住火冒三丈，这该死的相对论到底该相对谁啊！
请息怒，我亲爱的读者，你一点都不需要感到郁闷，这些问题不但困扰你，同样也曾经困扰着比我们聪明十倍的大科学家们，那个双胞胎到底孰老孰少的问题也曾经引发过全世界范围的大讨论。
要搞清这些问题，不是我三言两语就能说得清的。请你系好安全带，我们的旅程才刚刚过半，更刺激、更惊险、更不可思议的故事和风景还在前面等着我们。犹豫什么，请跟我继续出发吧！