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万有引力莫非是几何效应？作者：赵峥来源：《中国科技教育》2016年第04期赵峥，1967年毕业于中国科技大学物理系，1981年于北京师范大学天文系获硕士学位，1987年于布鲁塞尔自由大学获博士学位。
曾任北京师范大学研究生院副院长、物理系主任、中国引力与相对论天体物理学会理事长、中国物理学会理事。
现为北京师范大学物理系教授，理论物理博士生导师、教育学博士生导师。
等效原理揭示引力效应与惯性效应之间确实存在本质联系。
伽利略的自由落体定律告诉我们，在真空状态下，引力场中自由下落的各种小球，不管它们的物质组成（例如金球、石球还是木球），也不管它们的质量大小，下落规律都是相同的。
推而广之，设想若干在真空引力场中做斜抛运动的小球，只要它们抛射的角度相同，离开弹射器时的初速也相同，那么不管它们的物质成分和质量大小如何，它们也将描出同样的轨迹。
我们知道，通常一个物体在外界环境中受到的外力大小，往往与物体的物质成分、物理状态有关。
例如，一个物体在电磁场中受到电磁力的大小，与它是金属还是非金属，它是否带电，带电多少等有关。
而且，不同物体在同一个电磁场中的运动轨迹，不仅和物体的物理成分及状态有关，也与它们的质量大小有关。
但是引力场中的小球运动，居然与这些物理因素都无关，这是怎么回事呢？实在是太神奇了。
爱因斯坦意识到，万有引力不是一般的力，与我们通常熟悉的所有的力都不同。
这是一种极为特殊的力。
爱因斯坦反复思考这个问题，突然眼前一亮：万有引力莫非是一种“几何力”？莫非真如黎曼的推测，真实的空间可能是弯曲的？万有引力莫非是时空弯曲导致的几何效应？爱因斯坦回忆起，在奥林匹亚科学院的活动中，他们几个年青人曾一起读过数学大师庞加莱的科普著作《科学与假设》。
在那本书里，他们曾读到罗巴切夫斯坦和黎曼等发现的非欧几何，这一几何描述弯曲的空间。
黎曼等数学家曾推测，真实的空间有可能不是平的，而是弯的，而且真实的空间有可能不是三维的，而是四维的，甚至更高维的。
理科给物理教学来点人文味道湘钢一中胡金洲给物理教学来点人文味道斗转星移，日月更替，自然界的万事万物都遵从着永恒不变的规律，人类对自然的认识更全面和深入，社会文明的发展脚步便更快。
相应的，社会发展了，人们想要认识自然、改造自然的想法就愈加的迫切。
自然科学与人文科学像是知识领域的两条腿。
放眼世界，纵观历史，任何社会仅凭单腿是走不远的。
作为自然科学最具代表性的物理学科，因其古老而又独特的以思辨方法和实际体验相结合的研究方法，一直被人们称作是“自然哲学”，也正是如此，物理学科吸引了大批的优秀科学工作者为之倾注青春和汗水，前赴后继。
回归我们的中学物理教学，我们是否可以在教授科学知识和方法的同时，让学生了解那些为科学规律诞生做出突出贡献的科学家，让学生认识科学规律发现的历史背景及其经过。
我想，我们的物理教学也是需要两条腿的：知识方法本身和知识方法诞生的来龙去脉。
像描述一件事情，我们需要知道其时间、人物、地点、起因、经过、结果。
但是在我们的物理教学实际当中，我们关注最多的是其结果，而忽视了其他环节，这些被我们遗忘的部分恰恰是别有一番味道的——这就是我们讲的人文味道。
我进大学的第二年，我们物理系的赵峥老师给天文系、材料系、物理系的本科生开了一门选修课——《从爱因斯坦到霍金的宇宙》，当时是座无虚席，上课人数是一次比一次多，甚至还有其他院系的学生跑来旁听，而且课后还要围着老师讨教。
发展到后来，学校和系里边商量干脆开成全校公选课，再到后来变成了校际公开课，现在在网上都能看到，成了全国视频公开课。
在很多人看来，物理学科应当是一门很古老、很传统而又很难解读的学科，而在赵峥老师的课堂里，物理学是那么的生动、富有鲜活力。
究其原因，很关键的一点，是他老人家在课堂之中加入了很多的人文素材，也就使课堂有了人文的味道。
比如讲到爱因斯坦的时候，他会给比较爱因斯坦的两幅照片，一幅青年时期的、一幅老年时期的。
我们在很多宣传杂志上看到的更多的是老年爱因斯坦，要是百度一下“爱因斯坦照片”，结果也是如此。
相对论问答录之二赵峥问题一、相对论诞生前夜，物理界对相对性原理有什么争论？麦克斯韦电磁理论出现之后，一些人对相对性原理产生了怀疑。
这是因为在电磁理论中，真空中的电磁波速度是一个常数c。
当时已经认识到光波就是电磁波，这就是说，麦克斯韦理论要求真空中的光速是一个常数。
相对性原理要求所有物理规律在一切惯性系中都相同，电磁理论当然也不例外。
这就要求所有惯性系中的光速都是同一个常数c。
这和常识似乎大有抵触。
从常识看，相对于光源静止的观测者测得的速度如果是c，那么迎着光束以速度v跑来的观测者测得的光束应该是（c+v），顺着光传播方向以速度v运动的观测者测得的光速应该是（c−v）。
怎么可能这三个观测者测得的光速都是同一个常数c呢？因此，以当时最卓越的电磁专家洛伦兹为代表的学者主张放弃“相对性原理”，认为光速只在相对于绝对空间静止的那种惯性系中是c，也就是说光速只相对于绝对空间是c，对于众多的相对于绝对空间作匀速直线运动的惯性系，光速就不再是c了。
从上述情况可以看出，在洛伦兹的脑海中，牛顿的绝对时空观占统治地位。
当时最卓越的数学家庞加莱（他同时也进行理论物理的教学与研究）认为相对性原理应该坚持。
他多次对洛伦兹的观点提出批评和建议，并在爱因斯坦建立相对论的前后，正确、严格地表述了相对性原理。
洛伦兹也在庞加莱的批评下对自己的理论作了一些修补，但他仍没有跳出绝对时空观的束缚。
实际上，庞加莱本人也没有真正放弃绝对时空观，他一直相信“以太”理论，承认“以太”实质上就是承认“绝对空间”的存在。
从目前的史料看，爱因斯坦在建立相对论时深受马赫的影响，他似乎对洛伦兹和庞加莱的工作知之不多。
爱因斯坦多次谈到马赫对自己的影响。
正是马赫“一切运动都是相对的”，根本不存在“绝对本文内容选自赵峥教授新书《相对论百问》，由北京师范大学出版社出版。
空间”和“绝对运动”的论述，以及马赫对“以太”是否存在的质疑（他认为没有任何实验证明存在“以太”），使爱因斯坦坚信“相对性原理”是必须坚持的一条根本原理，是科学的一条“真理”，而以太理论是可以放弃的。
1爱因斯坦提出相对论主要参考了哪个实验（1.0分）1.0分我的答案：B2第一个提出制造原子弹的人是谁？（）（1.0分）1.0分我的答案：D3美国氢弹的设计师是谁？（）（1.0分）1.0分我的答案：D4原子能反应堆的控制棒是由什么金属制造的？（）（1.0分）1.0分我的答案：D5用实验证明了广义相对论正确的爱丁顿是哪个国家的人？（）（1.0分）1.0分我的答案：C6以下哪个科学家没有参与中国的原子弹的制造？（）（1.0分）1.0分我的答案：C7"无条件投降“概念是谁提出来的？（）（1.0分）1.0分我的答案：D8哪位科学家曾帮助犹太科学家逃出德国（1.0分）1.0分我的答案：A9物理学家拉普拉斯是哪个国家的人？（）（1.0分）1.0分我的答案：D10以下哪个不属于构成原子的粒子（1.0分）0.0分我的答案：B11《皇帝新脑》的作者是谁？（）（1.0分）1.0分我的答案：C12牛顿把（）称为“物质的量”（1.0分）1.0分我的答案：B13开普勒是哪个国家的人？（）（1.0分）1.0分我的答案：B14关于黑洞的球对称的解又叫（1.0分）1.0分我的答案：C15（）是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量。
（1.0分）1.0分我的答案：C16黑洞表面的物体会产生（1.0分）1.0分我的答案：C17除太阳以外离我们最近的恒星是（）。
（1.0分）1.0分我的答案：C18“真空中的光速对任何观察者来说都是相同的”是什么原理？（）（1.0分）1.0分我的答案：A19爱因斯坦方程又叫（1.0分）1.0分我的答案：A20“惯性起源于遥远星系施加的影响，是一种相互作用”，这是什么原理？（）（1.0分）1.0分我的答案：A21以下哪个人不是“热力学第一定律”的发现者？（）（1.0分）0.0分我的答案：B22哪位物理学家提出了“量子论”和创建了“哥本哈根学派”？（1.0分）1.0分我的答案：C23以下哪位不在慕尼黑大学工作（1.0分）1.0分我的答案：B24在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是多少维？（）（1.0分）1.0分我的答案：B25宇宙中的暗物质使宇宙膨胀（）。
1爱因斯坦提出相对论主要参考了哪个实验（1.0 分）1.0 分A、迈克尔逊实验B、斐索实验C、洛伦兹实验D、庞加莱实验我的答案：B2第一个提出制造原子弹的人是谁？（）（1.0 分）1.0 分A、奥本海默B、查德威克C、汤川秀树约里奥D、我的答案：D3美国氢弹的设计师是谁？（）（1.0 分）1.0 分A、奥本海默约里奥B、C、爱因斯坦泰勒D、我的答案：D4原子能反应堆的控制棒是由什么金属制造的？（）（1.0 分）1.0 分铀A、B、钋镭C、镉D、我的答案：D5用实验证明了广义相对论正确的爱丁顿是哪个国家的人？（）（1.0 分）1.0 分德国A、法国B、英国C、意大利D、我的答案：C6以下哪个科学家没有参与中国的原子弹的制造？（）（1.0 分）1.0 分钱三强A、钱学森B、杨振宁C、何泽慧D、我的答案：C7"无条件投降“概念是谁提出来的？（）（1.0 分）1.0 分斯大林A、丘吉尔B、蒋介石C、罗斯福D、我的答案：D8哪位科学家曾帮助犹太科学家逃出德国（1.0 分）1.0 分波尔A、B、希尔伯特海森堡C、希拉德D、我的答案：A9物理学家拉普拉斯是哪个国家的人？（）（1.0 分）1.0 分德国A、英国B、奥地利C、法国D、我的答案：D10以下哪个不属于构成原子的粒子（1.0 分）0.0 分光子A、电子B、质子C、中子D、我的答案：B11《皇帝新脑》的作者是谁？（）（1.0 分）1.0 分诺依曼A、B、霍金彭罗斯C、D、彭齐亚斯我的答案：C12牛顿把（）称为“物质的量”（1.0 分）1.0 分重量A、质量B、密度C、引力D、我的答案：B13开普勒是哪个国家的人？（）（1.0 分）1.0 分丹麦A、德国B、意大利C、英国D、我的答案：B14关于黑洞的球对称的解又叫（1.0 分）1.0 分R-N 解A、纽曼解B、C、史瓦西解D、爱因斯坦解我的答案：C15（）是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量。
爱因斯坦是相对论的唯⼀创建者2019-05-30赵峥，1967年毕业于中国科技⼤学物理系，1981年于北京师范⼤学天⽂系获硕⼠学位，1987年于布鲁塞尔⾃由⼤学获博⼠学位。
曾任北京师范⼤学研究⽣院副院长、物理系主任、中国引⼒与相对论天体物理学会理事长、中国物理学会理事。
现为北京师范⼤学物理系教授，理论物理博⼠⽣导师、教育学博⼠⽣导师。
相对论诞⽣之前，洛伦兹在1904年给出了电⼦的质量公式。
他是在研究电⼦在电磁场中的运动时提出这⼀公式的。
根据这个公式，电⼦在运动时质量会增⼤。
当时的⼀些实验，也⽀持运动电⼦的质量会增加的观点。
爱因斯坦的相对论证明了质量公式的正确性。
相对论认为，这⼀公式不仅对电⼦成⽴，对任何物体均成⽴。
当物体速度增加时，它的动质量也会增加，当运动速度趋近光速时，动质量会趋于⽆穷⼤，真有点令⼈不可思议。
⽬前，对于动质量能否算作质量有争议。
⼀些科学家认为，只有静质量才是真正的质量，动质量不是真正的质量，只不过是个为了运算⽅便⽽引⼊的符号⽽已。
持这种观点的好处是，质量将是⼀个常数。
不过，如果动质量不算作质量，则必须放弃质量守恒定律。
基本粒⼦的实验表明，⼀个电⼦与⼀个正电⼦相遇，会转化为两个光⼦。
电⼦和正电⼦都有静质量，但变成光⼦后，静质量消失，光⼦只有动质量。
如果动质量不算质量，则质量守恒定律将不成⽴。
当然，光⼦还有能量，在这个实验中，能量守恒定律依然成⽴。
爱因斯坦在论⽂中是赞成动质量是真质量的观点的。
当然，有的研究材料说，爱因斯坦后来曾在私下表⽰过，可以接受动质量不算作质量的观点，但是他从来没有在公开场合或论⽂中说过动质量不算质量。
爱因斯坦在1905年11⽉发表的有关相对论的第⼆篇论⽂中，提出了⼀个重要的公式E-mc2。
这个公式称为质能关系式，它表明，质量和能量好像是同⼀事物的两个侧⾯，任何质量都含有能量，任何能量也都具有质量。
⼈们把质能关系式显⽰的、物质蕴藏的能量称为固有能。
质能关系式意义重⼤，它显⽰任何⼀块很⼩的质量都蕴含着难以置信的⼤量固有能。
热力学与时间之始——质疑彭若斯与霍金的奇性定理赵峥[1]摘要：文章介绍了广义相对论中的奇点困难，介绍了彭若斯与霍金给出的著名的奇性定理的证明。
奇性定理认为时间一定有开始和终结。
文章指出，类光测地线可以看作固有加速度为无穷大的类时线。
奇性定理是在绝对零度或温度发散的情况下证明的，热力学第三定律可能是克服奇点困难的关键。
文章还指出，热平衡的传递性等价于钟速同步的传递性。
热力学第三定律将保证时间的无限性，而热力学第零定律将保证可以在大范围内统一地定义时间。
关键词广义相对论奇性定理热力学第三定律时间加速度热力学第零定律钟速同步时间有没有开始和结束？千百年来，许多伟大的思想家对此进行过深入的探索，但是有关的探讨都局限在哲学的分析和猜测上。
从20世纪60年代开始，物理学开始介入了这一问题的研究。
其标志是彭若斯（R. Penrose）和霍金（S. W. Hawking）提出的奇性定理（singularity theorems），该定理概括并超出了关于宇宙开端和终结的研究。
奇性定理可粗略表述为：只要广义相对论成立，因果性良好，有物质存在，就至少有一个物理过程，其时间存在开始或存在结束，或既有开始又有结束[Hawking & Ellis, 1973; Wald, 1984; 霍金、彭若斯，1996；梁灿彬，2000；赵铮，1999 & 2001]。
这一数学定理在物理学和哲学上的重大意义是不言而喻的。
遗憾的是，到目前为止，它还没有引起哲学界的注意，物理界对它的重视也远远不够。
20世纪最重大的物理成就是相对论和量子论的诞生。
经过近百年的努力，狭义相对论和量子论已被大量的实验事实所证实，其理论框架也基本建立了起来。
然而，对于爱因斯坦本人最为重视的广义相对论，情况却不能令人满意。
一方面，验证广义相对论的实验非常稀少，另一方面，它的理论结构还存在重要困难。
理论上的困难主要有三个。
一是引力场量子化的努力一直不成功，不仅把引力场与其它规范场统一起来的努力没能达到目的，而且连引力波也至今没有探测到。
返回•《从爱因斯坦到霍金的宇宙》期末考试新1 81' 22''题量：100满分：100.0截止日期：2015-12-10 23:59成绩：94一、单选题1薛定谔得出波动方程的时候多少岁？（）•A、25•B、29•C、35•D、39我的答案：D2被称为“圣人可汗”的隋朝开国皇帝是谁？（）•A、杨广•B、杨勇•C、杨坚•D、李渊我的答案：C3牛郎星距离织女星多少光年？（）•A、5光年•B、8光年•C、10光年•D、16光年我的答案：D4数学史上的三大作图难题不包括下面哪一项？（）•A、三等分一个角•B、化圆为方•C、立方倍积•D、鸡兔同笼我的答案：D5闪米特人是阿拉伯人与（）的祖先。
•A、美洲人•B、土耳其人•C、欧洲人•D、我的答案：C6“惯性起源于遥远星系施加的影响，是一种相互作用”，这是什么原理？（）•A、马赫原理•B、等效原理•C、惯性原理•D、开普勒定律我的答案：A7惯性定理认为物体在不受任何外力的作用下，会保持下列哪种运动状态？（）•A、匀速曲线•B、•C、匀速直线•D、加速曲线我的答案：C8拉希德石碑目前保存于哪个国家？（）•A、法国•B、埃与•C、英国•D、意大利我的答案：C9恩斯特·马赫是（）的创始人之一。
•A、经验批判主义•B、逻辑实证主义•C、历史唯物主义•D、科学主义我的答案：A10《科学与假设》的作者是谁？（）•A、爱因斯坦•B、波普尔•C、牛顿•D、彭加勒我的答案：D11《风俗伦》的作者是谁？（）•A、牛顿•B、卢梭•C、莫培督•D、伏尔泰我的答案：D12开普勒是哪个国家的人？（）•A、丹麦•B、德国•C、意大利•D、英国我的答案：B13《力学史评》是谁的著作？（）•A、牛顿•B、马赫•C、爱因斯坦•D、胡可我的答案：B14欧阳修是哪个朝代的著名文学家？（）•A、东晋•B、西晋•C、南宋北宋我的答案：D15下面哪位不是因为发现天然放射性射线而获诺贝尔物理学奖？（）•A、皮埃尔·居里•B、玛丽·居里•C、贝克勒尔•D、伦琴我的答案：D16“上帝是不掷骰子的”，这句话是谁说的？（）•A、牛顿•B、爱因斯坦波尔•D、霍金我的答案：B17周口店猿人第一个头盖骨是谁发现的？（）•A、贾兰坡•B、黄文弼•C、裴文中•D、刘民壮我的答案：C18第一次登上月球的是哪个国家？（）•A、苏联•B、俄罗斯•C、美国•D、中国我的答案：C19摩西带领犹太人出埃与约在多少年？•A、公元前2000年•B、公元前1700年•C、公元前1500年•D、公元前500年我的答案：C20“地恒动而人不知，譬如闭舟而行，不觉舟之运也”表达了什么物理学原理？（）•A、相对性原理•B、惯性原理•C、浮力定理•D、杠杆原理我的答案：A21下列不属于两河流域文明的是（）。
相对论问答录之二赵峥问题一、相对论诞生前夜，物理界对相对性原理有什么争论？麦克斯韦电磁理论出现之后，一些人对相对性原理产生了怀疑。
这是因为在电磁理论中，真空中的电磁波速度是一个常数c。
当时已经认识到光波就是电磁波，这就是说，麦克斯韦理论要求真空中的光速是一个常数。
相对性原理要求所有物理规律在一切惯性系中都相同，电磁理论当然也不例外。
这就要求所有惯性系中的光速都是同一个常数c。
这和常识似乎大有抵触。
从常识看，相对于光源静止的观测者测得的速度如果是c，那么迎着光束以速度v跑来的观测者测得的光束应该是（c+v），顺着光传播方向以速度v运动的观测者测得的光速应该是（c−v）。
怎么可能这三个观测者测得的光速都是同一个常数c呢？因此，以当时最卓越的电磁专家洛伦兹为代表的学者主张放弃“相对性原理”，认为光速只在相对于绝对空间静止的那种惯性系中是c，也就是说光速只相对于绝对空间是c，对于众多的相对于绝对空间作匀速直线运动的惯性系，光速就不再是c了。
从上述情况可以看出，在洛伦兹的脑海中，牛顿的绝对时空观占统治地位。
当时最卓越的数学家庞加莱（他同时也进行理论物理的教学与研究）认为相对性原理应该坚持。
他多次对洛伦兹的观点提出批评和建议，并在爱因斯坦建立相对论的前后，正确、严格地表述了相对性原理。
洛伦兹也在庞加莱的批评下对自己的理论作了一些修补，但他仍没有跳出绝对时空观的束缚。
实际上，庞加莱本人也没有真正放弃绝对时空观，他一直相信“以太”理论，承认“以太”实质上就是承认“绝对空间”的存在。
从目前的史料看，爱因斯坦在建立相对论时深受马赫的影响，他似乎对洛伦兹和庞加莱的工作知之不多。
爱因斯坦多次谈到马赫对自己的影响。
正是马赫“一切运动都是相对的”，根本不存在“绝对本文内容选自赵峥教授新书《相对论百问》，由北京师范大学出版社出版。
空间”和“绝对运动”的论述，以及马赫对“以太”是否存在的质疑（他认为没有任何实验证明存在“以太”），使爱因斯坦坚信“相对性原理”是必须坚持的一条根本原理，是科学的一条“真理”，而以太理论是可以放弃的。
相对论问答录之二赵峥问题一、相对论诞生前夜，物理界对相对性原理有什么争论？麦克斯韦电磁理论出现之后，一些人对相对性原理产生了怀疑。
这是因为在电磁理论中，真空中的电磁波速度是一个常数c。
当时已经认识到光波就是电磁波，这就是说，麦克斯韦理论要求真空中的光速是一个常数。
相对性原理要求所有物理规律在一切惯性系中都相同，电磁理论当然也不例外。
这就要求所有惯性系中的光速都是同一个常数c。
这和常识似乎大有抵触。
从常识看，相对于光源静止的观测者测得的速度如果是c，那么迎着光束以速度v跑来的观测者测得的光束应该是（c+v），顺着光传播方向以速度v运动的观测者测得的光速应该是（c−v）。
怎么可能这三个观测者测得的光速都是同一个常数c呢？因此，以当时最卓越的电磁专家洛伦兹为代表的学者主张放弃“相对性原理”，认为光速只在相对于绝对空间静止的那种惯性系中是c，也就是说光速只相对于绝对空间是c，对于众多的相对于绝对空间作匀速直线运动的惯性系，光速就不再是c了。
从上述情况可以看出，在洛伦兹的脑海中，牛顿的绝对时空观占统治地位。
当时最卓越的数学家庞加莱（他同时也进行理论物理的教学与研究）认为相对性原理应该坚持。
他多次对洛伦兹的观点提出批评和建议，并在爱因斯坦建立相对论的前后，正确、严格地表述了相对性原理。
洛伦兹也在庞加莱的批评下对自己的理论作了一些修补，但他仍没有跳出绝对时空观的束缚。
实际上，庞加莱本人也没有真正放弃绝对时空观，他一直相信“以太”理论，承认“以太”实质上就是承认“绝对空间”的存在。
从目前的史料看，爱因斯坦在建立相对论时深受马赫的影响，他似乎对洛伦兹和庞加莱的工作知之不多。
爱因斯坦多次谈到马赫对自己的影响。
正是马赫“一切运动都是相对的”，根本不存在“绝对本文内容选自赵峥教授新书《相对论百问》，由北京师范大学出版社出版。
空间”和“绝对运动”的论述，以及马赫对“以太”是否存在的质疑（他认为没有任何实验证明存在“以太”），使爱因斯坦坚信“相对性原理”是必须坚持的一条根本原理，是科学的一条“真理”，而以太理论是可以放弃的。
问题二、星际飞船上的宇航员会看到什么景象？感受到哪些相对论效应？高速飞行的星际飞船上的宇航员会看到两种景象，一种是多普勒效应造成的，另一种是光行差效应造成的。
由于多普勒效应，飞船前方的星体射来的光会发生蓝移，后方和侧面星体射来的光会发生红移。
因此，宇航员觉得前方的星体颜色变蓝，后方的星体颜色变红。
侧面的星体由于横向多普勒效应，也会略微变红。
光行差效应会使宇航员觉得侧面的星体向正前方聚集，后面的星体移向自己的侧面。
总之，正前方好像是一个“吸引”中心，随着飞船速度的增加，所有的星体都向那里集中，后方的星体越来越少。
从地球起飞，正在远离太阳系的飞船上的宇航员，会觉得太阳系不在飞船的正后方，而在侧后方，飞船越接近光速，太阳系看起来越远离正后方，随着飞船速度的增加，太阳系从自己的侧面向侧前方移动。
当飞船的速度非常接近光速时，他将看到太阳系处于自己的侧前方，飞船的后方已经没有任何星体了。
飞船正在逃离太阳系，而在宇航员看来，太阳系不位于飞船的后方，而位于侧前方，这是多么奇妙的情景啊！图1显示当宇宙飞船向北极星飞去时宇航员看到的景象。
当飞船速度远小于光速时，宇航员看到的天象与地面上的人看到的相同，北极星位于正前方，北斗、仙后等星座围绕着它，南天的星座都看不到。
当速度达到光速的一半时，飞行员前方的景象大大变化了，北极星周围的星座都在向中央趋近，挤到虚线范围以内，原来出现在飞船后面的天蝎座和天狼星（大犬座α星）也都进入前方的视野。
当DOI:10.13405/ki.xdwz.2010.05.003飞船速度加快到0.9c时，南天的十字座和老人星等（这些位于南天的星，生活在地球北半球的人原本看不到）也出现在前方了。
飞船速度再进一步趋近光速时，整个南天的星系就都挤到前面去了。
图1 飞船速度不同时宇航员看到的景象我们曾用打雨伞的人和接雨水的桶来比喻天文学中的光行差现象。
从中容易理解，在运动观测者看来，光线（雨滴）的来源方向会向自己的正前方聚集。
所以，高速飞行的飞船上的宇航员，会观察到所有星系都向正前方汇聚的现象。
上述多普勒效应和光行差现象与飞船发动机是否关闭，飞船是否作加速运动无关，只与飞船的运动速度有关。
宇航员除去看到上述两种景象之外，还会感受到其他一些相对论效应，例如失重和双生子佯谬造成的效应。
当飞船关闭发动机、加速度为零时，宇航员会处于完全失重的状态，这时飞船沿测地线飞行。
当飞船加速时，宇航员将感受到惯性力，飞船转动时，他们将感受到惯性离心力和科里奥利力。
由于等效原理，在飞船那样狭小的空间区域内，飞行员无法区分这些惯性效应造成的力和万有引力，因此加速度和转动形成的惯性力，可以视作人造重力来加以利用。
例如，在未来的星际航行中，可以制造人造重力来缓解长期失重给宇航员生理机能带来的不利影响。
双生子佯谬效应与飞船和地球在四维时空中描出的世界线不同有关，而世界线的差别又与二者的加速度有关。
宇航员感受到惯性力时，飞船的加速度是真加速度，这种加速度在物理上称为固有加速度，在数学上称为四维加速度，它是绝对的，它使飞船偏离测地线运动。
我们通常说“加速运动是相对的”，指的是三维加速度。
三维加速度是相对的。
如果仅仅三维加速度不为零，四维加速度仍为零，则这种加速为“假加速”，它不产生惯性力。
真假加速度的物理差别在于它是否伴随惯性力的出现。
产生惯性力的加速运动，飞船不沿测地线运动，飞船上的钟变慢，一切时间过程都变慢，宇航员的生理代谢也变慢。
地球上的人相对于飞船仅仅三维加速度不为零，四维加速度仍为零（重力效应很小，可以忽略），地球仍沿测地线运动，时钟不变慢，所以宇航员返回地球时，会比留在地球上的双胞胎兄弟年轻。
以接近光速的速度作星际飞行的宇航员，返回时将明显感受到这一效应导致的结果。
有人计算过双生子佯谬会造成多么明显的效应。
如果飞船驶向距离我们4.3光年的比邻星，在飞行的前四个月中，火箭一直以3g的加速度加速（g 是重力加速度），也就是说宇航员处于超重状态，所受惯性力是地球重力的三倍，这是人长期可以承受的“重力”。
加速结束时，飞船达到25万千米/秒，这时关闭发动机，宇航员处于失重状态，作惯性运动。
接近比邻星时再以3g减速。
访问比邻星后再以同样的方式返回。
地球上的人觉得飞船往返用了12年，宇航员则觉得整个旅行只用了7年，他比留在地球上的同胞兄弟年轻了5岁。
再设想一艘去银河系中心旅行的用光子发动机发动的飞船。
飞船先以2g加速度加速，一直加速，不关闭发动机，飞行一半距离后，再以2g加速度减速，到达银心后再以同样方式返回地球。
计算表明，地球上的人觉得飞船返回时已过了6万年，但飞船上的飞行员则觉得只过了40年。
他返航了，但他认识的人都早已作古成为了历史人物。
地球上的人将热烈欢迎这位生于6万年前的祖宗凯旋归来。
问题三、如何理解质能关系式E=mc2？经典力学中的动能与相对论能量之间有什么关系?相对论还指出，物体的质量和能量之间存在本质联系E=mc2，（1）上式称为质能关系式。
这个公式不是告诉我们质量可以转化为能量，能量可以转化为质量。
而是告诉我们能量和质量是同一事物的两个方面。
凡是有质量的东西都含有能量，凡是能量，也都同时具有质量。
甚至一个静止的物体也含有巨大的能量。
静止质量为m0的物体具有能量E0=m0c2。
（2）从此式不难算出，1克物质（例如1克水）蕴藏的能量如果全部以热和光的形式释放出来，相当于两万吨炸药爆炸所释放的化学能。
这个公式是制造原子弹和原子反应堆的理论基础。
可以说, 相对论开辟了无止境的能量源泉，人类如果能够充分利用它，我们就无须再担心地球上能源的匮乏了。
原子能的利用，代替了可贵的石油资源，石油是非常重要的化工原料，用来燃烧实在是太可惜了。
门捷列夫曾对用燃油取暖万分惋惜：“要知道, 钞票也是可以用来生火的”。
从（1）和（2）可以算出运动物体的相对论动能 T =mc 2−m 0c 2=20mc 1⎞−⎟⎟⎟⎠=420021328v m v m c++……。
（3）由上式不难看出，牛顿力学中的物体动能2012T m v =（4） 只是全部动能在v c ≪时的最低阶近似。
这个近似式只对低速运动的物体成立。
当物体运动速度可以与光速相比时，计算物体动能必须考虑高阶的相对论修正。
问题四、如何确定“相继时间段”的相等？ 历史上，人们用周期运动来定义时间，例如单摆运动，地球自转和公转引起的星空变化，季节变化等。
但是，有什么办法来确认周期运动的每个周期经历相同的时间呢？也就是说有什么办法来确认每个周期的“时间段”等长呢？在空间测量中不存在这样的困难。
用来度量的尺可以来回移动，反复测量。
但是时间不同，我们不可能把一个“时间段”移往“过去”或“未来”，去与别的“时间段”比较长短。
与牛顿同时代的哲学家洛克就曾明确指出，没有办法确认周期运动的每个周期是等长的，人们只能假设它们等长，或者说“约定”它们等长。
庞加莱也同意这一观点，而且他指出，如果全宇宙的时间进程整体地变快变慢，并不会产生任何影响。
18世纪的数学家欧拉提出一个新思路：用运动定律来确认周期运动的每个周期是否等长。
他假设惯性定律是永远正确而且放之四海而皆准的自然定律。
当时认为尺的测量不存在问题，而且可以反复移动尺作多次测量，因此确认空间段的相等不成问题。
他认为，如果用一种周期运动计量的时间和尺子测量的空间距离相匹配来检验惯性定律，结果表明惯性定律成立，那就说明这个周期运动的每个周期的“时间段”相等。
用这样的周期运动制成的钟就是“好钟”。
如果惯性定律出了问题，就说明这一周期运动的各个周期实际上不一样长。
用这种“周期”运动制成的钟不是“好钟”。
欧拉的这一思想被沿用到今天，并被进一步推广。
现在“好钟”被定义为：用它标度的时间，应该保证牛顿三定律成立、麦克斯韦电磁定律成立、能量守恒定律成立……一句话，应该保证物理定律形式简单！不过，什么样的规律形式就算简单，这个问题很难回答。
虽然“好钟”理论存在缺陷，但在我们找到更好的替代理论之前，学术界仍然采用“好钟”理论来判断“相继时间段”是否相等。
我们最近对这一问题给出了另一条思路：用约定光速来定义“时间段”的相等，有关研究正在进行当中。
感兴趣的读者可看拙著《黑洞与时间的性质》（北京大学出版社2008年12月出版），及《物理学与人类文明十六讲》（高等教育出版社，2008年9月出版）。
问题五、为什么测量的光速都是双程光速？不可能是单程光速？在相对论诞生之前，物理学家就已认识到测量单程光速十分困难。
这是因为，测量单程光速不仅需要测出A 、B 两点的空间距离，还要测出光信号从A 点传播到B 点的时间。
当时没有觉得空间距离的测量有什么理论上或技术上的困难，用尺去量就行了。
