你能想象自己踏入一個奇幻世界，那里的一切都與現實略有不同？時間可以變慢，物體會縮小，雙胞胎兄弟竟然會因為速度的差異而產生年齡差？今天，我們將一起開啟這場“科學冒險”，認識一位將艱深的物理理論變成有趣故事的大師——喬治·伽莫夫。他不僅是一位杰出的物理學家，更是一位擅長用科幻故事揭開宇宙奧秘的科普作家。

在他的名著《物理世界奇遇記》中，伽莫夫帶領讀者穿梭于一個個充滿想象的場景中，帶你體驗相對論的奇妙。這不僅是一本物理書，更是一本充滿懸念和驚喜的奇幻之旅。

伽莫夫出生于蘇聯，他和著名物理學家朗道是同學，師從弗里德曼。這三位學者都對物理學有著深遠影響，不過伽莫夫和朗道的職業生涯卻走上了不同的軌跡。伽莫夫最終留在了西方，而朗道則回到了蘇聯，后來還因研究成果獲得了諾貝爾獎。伽莫夫在西方專注于核物理、理論物理以及宇宙學的研究，同時創作了多部科普作品，像《從1到無窮大》和《物理世界奇遇記》，向公眾介紹物理學的奇妙之處。

限速之城：狹義相對論的效應

在《物理世界奇遇記》這本書中，伽莫夫通過“限速之城”這一幻想場景，向讀者生動地講解了狹義相對論中的一些核心效應。例如，在相對論的框架中，我們熟悉的物理規律發生了變換：運動中的物體會收縮，時間會變慢，著名的“雙生子佯謬”也應運而生。這個悖論描述了一對雙胞胎兄弟，一個留在地球上，而另一個出行太空并返回地球后，會比留在地球上的兄弟顯得更年輕。這些相對論的現象雖然在日常生活中難以察覺，但卻是真實存在的。

那么，為什么我們在日常生活中看不到這些效應呢？這是因為這些現象的根源在于一個關鍵的相對論概念：同時的相對性。在經典的力學觀念中，兩件事是否“同時發生”是絕對的，觀察者無論身處何地都會得出相同的判斷。然而在相對論中，“同時”并非絕對，而是相對的——這源于光速恒定的原理。

光速不變：相對論的兩大基石

伽莫夫解釋道，相對論中最基本的兩個前提是光速的恒定性和不變性。首先，無論光源和觀察者如何運動，光速在真空中始終為每秒30萬公里；這是一個自然界的極限速度，任何物體的運動速度都無法超過光速。其次，光速的數值與光源和觀察者的相對運動無關。也就是說，即便觀察者迎著光速奔跑，光的速度對他而言依然是每秒30萬公里。這被稱為“光速不變原理”，是經過無數實驗驗證的基本自然規律。

在這個基礎上，如果我們接受光速恒定且不變的前提，就必須接受時間與空間的彈性，也就是運動中的鐘會變慢，尺會收縮。這些效應之所以在日常生活中不明顯，是因為我們的運動速度遠小于光速，導致這些相對論效應并不顯著。

科幻世界中的“慢時鐘”和“短尺”

為了讓人們更直觀地理解這些效應，伽莫夫設想了一個科幻世界，在這個世界里，極限速度大大低于光速。假如一個人騎著自行車穿梭于街道，街邊的行人會感覺他的身形被壓扁，而騎車人也會覺得街道變短了。這是因為在他的視角中，自己是靜止的，而街道在后退，因此街道也會發生收縮。同樣地，街道旁的人會覺得騎車人的手表走得慢，而騎車人則認為街邊大樓上的鐘慢了。雙方都認為對方的時間變慢、空間收縮，這便是相對論的奇妙之處。

在伽莫夫設想的故事里，還有一位騎車人在繞了一大圈后回到原地。他觀察到大樓上的鐘變慢了，而樓上的人也覺得他的鐘慢了。那么究竟誰的時間更慢呢？根據伽莫夫的描述，由于騎車人經歷了加速和減速，受到了慣性力的影響，所以他的時間會“絕對地”變慢。

通過伽莫夫的科幻故事，我們不僅可以更好地理解相對論的復雜概念，還能在這一過程中感受科學的奇妙與趣味。

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作者：《趙崢教授解讀物理世界》今朝文化 科普創作團隊

審核：周曉亮 北京交通大學物理學實驗室高級工程師

來源: 星空計劃

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