你能想象自己踏入一个奇幻世界，那里的一切都与现实略有不同？时间可以变慢，物体会缩小，双胞胎兄弟竟然会因为速度的差异而产生年龄差？今天，我们将一起开启这场“科学冒险”，认识一位将艰深的物理理论变成有趣故事的大师——乔治·伽莫夫。他不仅是一位杰出的物理学家，更是一位擅长用科幻故事揭开宇宙奥秘的科普作家。

在他的名著《物理世界奇遇记》中，伽莫夫带领读者穿梭于一个个充满想象的场景中，带你体验相对论的奇妙。这不仅是一本物理书，更是一本充满悬念和惊喜的奇幻之旅。

伽莫夫出生于苏联，他和著名物理学家朗道是同学，师从弗里德曼。这三位学者都对物理学有着深远影响，不过伽莫夫和朗道的职业生涯却走上了不同的轨迹。伽莫夫最终留在了西方，而朗道则回到了苏联，后来还因研究成果获得了诺贝尔奖。伽莫夫在西方专注于核物理、理论物理以及宇宙学的研究，同时创作了多部科普作品，像《从1到无穷大》和《物理世界奇遇记》，向公众介绍物理学的奇妙之处。

限速之城：狭义相对论的效应

在《物理世界奇遇记》这本书中，伽莫夫通过“限速之城”这一幻想场景，向读者生动地讲解了狭义相对论中的一些核心效应。例如，在相对论的框架中，我们熟悉的物理规律发生了变换：运动中的物体会收缩，时间会变慢，著名的“双生子佯谬”也应运而生。这个悖论描述了一对双胞胎兄弟，一个留在地球上，而另一个出行太空并返回地球后，会比留在地球上的兄弟显得更年轻。这些相对论的现象虽然在日常生活中难以察觉，但却是真实存在的。

那么，为什么我们在日常生活中看不到这些效应呢？这是因为这些现象的根源在于一个关键的相对论概念：同时的相对性。在经典的力学观念中，两件事是否“同时发生”是绝对的，观察者无论身处何地都会得出相同的判断。然而在相对论中，“同时”并非绝对，而是相对的——这源于光速恒定的原理。

光速不变：相对论的两大基石

伽莫夫解释道，相对论中最基本的两个前提是光速的恒定性和不变性。首先，无论光源和观察者如何运动，光速在真空中始终为每秒30万公里；这是一个自然界的极限速度，任何物体的运动速度都无法超过光速。其次，光速的数值与光源和观察者的相对运动无关。也就是说，即便观察者迎着光速奔跑，光的速度对他而言依然是每秒30万公里。这被称为“光速不变原理”，是经过无数实验验证的基本自然规律。

在这个基础上，如果我们接受光速恒定且不变的前提，就必须接受时间与空间的弹性，也就是运动中的钟会变慢，尺会收缩。这些效应之所以在日常生活中不明显，是因为我们的运动速度远小于光速，导致这些相对论效应并不显著。

科幻世界中的“慢时钟”和“短尺”

为了让人们更直观地理解这些效应，伽莫夫设想了一个科幻世界，在这个世界里，极限速度大大低于光速。假如一个人骑着自行车穿梭于街道，街边的行人会感觉他的身形被压扁，而骑车人也会觉得街道变短了。这是因为在他的视角中，自己是静止的，而街道在后退，因此街道也会发生收缩。同样地，街道旁的人会觉得骑车人的手表走得慢，而骑车人则认为街边大楼上的钟慢了。双方都认为对方的时间变慢、空间收缩，这便是相对论的奇妙之处。

在伽莫夫设想的故事里，还有一位骑车人在绕了一大圈后回到原地。他观察到大楼上的钟变慢了，而楼上的人也觉得他的钟慢了。那么究竟谁的时间更慢呢？根据伽莫夫的描述，由于骑车人经历了加速和减速，受到了惯性力的影响，所以他的时间会“绝对地”变慢。

通过伽莫夫的科幻故事，我们不仅可以更好地理解相对论的复杂概念，还能在这一过程中感受科学的奇妙与趣味。

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作者：《赵峥教授解读物理世界》今朝文化 科普创作团队

审核：周晓亮 北京交通大学物理学实验室高级工程师

来源: 星空计划

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