【荐语】

原来，物理和数学可以这么好玩儿！

【音频简介】

大科学家讲给小朋友的前沿物理学，让孩子轻松读懂爱因斯坦的伟大理论。

【您将听到】

1.万有引力是怎样产生的？

2.“广义相对论”和“狭义相对论”究竟指的是啥？

3.古装片里的“穿越”，会发生在现实中吗？

【书籍信息】

书名：《给孩子讲相对论》

作者：[中] 李淼，王爽

小朋友们，我们都知道，地球是一个悬浮在太空中的球体，在地球之外，是浩渺无垠的宇宙。

你一定会奇怪，既然我们生活在太空里，而地球又是圆的，那当它转到另一边的时候，我们会不会从地球上掉下去，一直掉到太空里呢？

这种担心不是多余的，如果没有引力的话，别说我们人类，地球上所有的生物，可能都会掉到太空里去。

那么，什么是引力呢？

这个问题，一直困扰着物理学家，有的小朋友知道牛顿引力，它说的是世界上任何两个物体之间，都存在一种能把彼此吸引到一起的力量，叫做万有引力。

正是万有引力，让所有生物包括我们人类，能够稳稳当当地生活在地球上，而不用担心一个不小心，就会飞到太空里去。

但是，“万有引力”是怎样产生的呢？

其实这个问题，连伟大的物理学家牛顿都回答不上来。不过，在1915年，36岁的爱因斯坦提出了广义相对论，这个理论，可能大多数人一听就头皮发紧，觉得高深莫测。

实际上，广义相对论，就是用来解释“万有引力”是怎样产生的理论。

现在，请小朋友们把时空想象成一张无比巨大，又无比平坦的床垫，在床垫的一角，我们轻轻地放上地球。因为地球的质量相对较小，床垫只会被压得有少许变形。

紧接着，我们再在地球旁边的床垫上，放上巨大无比的另一个铁球，这个铁球，就是太阳。

这时，你能明显看到，床垫，也就是我们的时空，会被压得深深地陷下去。

同时你还会观察到，因为床垫被深深地压弯了，旁边放着的地球，也会不自觉地向被太阳压弯的时空方向靠拢。也就是说，地球会不自觉地被太阳压弯的那部分床垫吸引过去。

换句话说，万有引力是怎么产生的呢？

其实，就是有质量的物体，把它周围的时空压弯了，而这个弯曲的时空，又对它周围运动着的物体产生了吸引力。这，就是万有引力产生的原因。

万有引力同时也会影响时间的快慢，因为万有引力使时空背景发生了弯曲，因此，空间引力越大的地方，时间流逝越慢，而空间引力越小的地方，时间流逝越快。

你看，广义相对论听起来很吓人，但这么讲起来，却是非常好玩又简单呢！

好了，现在我们知道广义相对论，实际上就是讲引力的理论，那么有小朋友一定会问了，既然有广义相对论，那肯定就有狭义相对论，狭义相对论又是讲什么的呢？

狭义相对论这个名词，听起来好像也非常不友好，但其实它也没有我们想的那么复杂。地球文明的发展，是在一定时空下进行的。狭义相对论，说的就是与时空有关的理论。

我们比较了解的，是三维空间，即日常生活中，可以画出经过同一个点并互相垂直的三条线，这三条线，分别代表了空间的“长”“宽”“高”。

这也是小朋友们非常熟悉的直角坐标系，用这个坐标系描绘的空间，就是三维空间。

但三维空间呢，并不能真正描述我们生活的真实世界，因为除了由“长”“宽”“高”组成的空间外，我们生活的真实世界里，还存在时间。

三维空间中的“长”“宽”“高”三条空间轴，是彼此垂直的，互相垂直，它们才能互不干涉。而时间也是这样，也可以被看作是一条与“长”“宽”“高”三条空间轴相互垂直的数轴。

小朋友们一定会觉得奇怪，时间的单位是“秒”，空间的单位是“米”，两个东西的衡量单位都不一样，怎么可以放在一起呢？

这个问题，说起来也非常简单，空间和时间，实际上只差一个速度单位，时间一旦乘以某个速度，就可以与空间拥有相同的单位。

换句话说，当我们用“光速”乘以“时间”后，就会得到一条与三维空间中“长”“宽”“高”三条数轴垂直的时间轴，于是，三维空间，就变成了四维空间。

而狭义相对论所研究的，正是让三维空间变成四维空间的、大名鼎鼎的“光速”。

爱因斯坦发现，在四维空间里，时间不再和空间毫无关系，通过“光速”，时间与空间紧紧地联系在一起，成了同一个事物两个不同的侧面，这个由时间空间组合成的事物，就是我们常说的“时空”。

因此，狭义相对论，打破了人类一直以来对时间与空间的认识，让我们拥有了全新的时空观。这是爱因斯坦最伟大的发现之一。

同时，爱因斯坦还证明了，在狭义相对论里，光速是不变的。如果一个运动中的物体的速度接近了光速，那么不仅它的空间，包括它的时间，都不再固定不变。

而在以光速运动的物体里，时间会变慢。或者简单地说，在运动中的物体上，时间会跑得慢一些。

这么好玩的相对论，在实际生活中有什么用处呢？

相对论，目前在我们人类生活中有很多重要的用处，常见的比如我们几乎每个人都离不开的卫星定位，包括GPS、北斗等在内的一系列卫星导航技术。

我们都知道，卫星离地球很远，地球对卫星的万有引力，相对要弱一些，因此，卫星上的时间会跑得快一些。

这是根据广义相对论得出的结果。因为根据广义相对论，万有引力也会影响时间的快慢。

怎么个影响法儿呢？

这是因为，当光通过这一弯曲的时空时，它的能量和频率会发生变化——离引力场越远，光的能量和频率都会下降。

而光是一种波，它的频率一旦下降，就意味着两个相邻的波峰距离变大，也意味着两个相邻波峰之间的时间间隔被拉长了。

因此，从卫星所在的位置来看地球，地球上每发生一件事，都需要花更长的时间；而从地球往上看卫星，卫星上的时间，又要更快一些。

但另一方面，根据狭义相对论，在运动的物体上，时间又会变得慢一些。因此，当地球上的我们根据卫星定位时，就必须对卫星围绕地球运转的速度进行考虑，并根据卫星距离地球的高度与卫星的运动速度，对时间进行精确调整。

当然，相对论的应用还远远不止这些。

根据相对论的理论，光速运动物体上的时间会变慢，空间也会发生改变。那么，一旦超光速出现，就会发生穿越，导致我们有回到过去的可能！

我们还可以根据广义相对论中关于引力波的理论，制造出高密度物质弦，发射出能量可观的引力波，使整个银河系中的任何文明，都能够被探测到。

不过，要真正做到这些，还有很多问题需要解决。所以小朋友们加油吧，看完这本书后，你就会明白，物理和数学非常好玩，也没有我们想象的那么复杂。

懂得并掌握相对论以及和它有关的数学、物理知识后，我们才能发现更大更精彩的世界！