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正是在这一点上，时间的实在性开始变得非常奇怪，令人稍感不安。爱丽丝和鲍勃见面并交换意见。鲍勃说他看到爱丽丝的镜子钟每两次滴答之间的时间间隔是2.0×108秒，而爱丽丝认为她的时钟每两次滴答之间的时间间隔是1.2×108秒。就爱丽丝而言，她的时钟运行完全正常。爱丽丝和鲍勃可能一直盯着时钟，但他们感知到的时间的脚步是以不同的速度行进的。
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爱因斯坦给出了一个公式来描述在任何情形下鲍勃感知的时间相对于爱丽丝的时间是如何变化的：
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它是说，鲍勃观察到的时间间隔与爱丽丝的观察结果之间的差异取决于爱丽丝相对于鲍勃的速度（vA）的和光速（c）。如果我们代入上述情况的适当数字，那么我们可以明了这个公式的意义：
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爱因斯坦曾打趣说：“把你的手放在滚热的炉子上一分钟，感觉起来就像一小时；坐在一位漂亮姑娘身边整整一小时，感觉起来就像一分钟。这就是相对论。”但是，狭义相对论的理论绝不是玩笑。爱因斯坦的数学公式精确描述了一位观察者在观察运动的时钟时真切感觉到的时间是如何变慢的，这种现象被称作时间膨胀。这听上去怎么都不像是对的，以至于人们自然会想到下面这4个问题：
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1.为什么我们平常没注意到这种奇特的效应呢？
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时间膨胀的程度取决于所讨论的时钟或对象的速度是否可与光速相比。在上面的例子中，时间膨胀之所以显著，是因为爱丽丝的车厢是在以80%的光速即240000000米/秒的速度行进。如果车厢是以100米/秒（360千米/时）这样更合理的速度行进，那么鲍勃感知到的爱丽丝的时间就与爱丽丝自己感知的时间几乎一样了。将适当的数字代入爱因斯坦的公式将表明，他们对时间认知上的差别将只有一万亿分之一。换言之，这个时间膨胀效应在日常生活中是不可能检测出来的。
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2.时间上的这种差异是真的吗？
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是真的，这是非常真实的。有无数尖端高科技玩意儿需要考虑到时间膨胀效应的修正才能正常工作。依靠卫星来给车船等的导航系统设备进行精确定位的全球定位系统（GPS）之所以能准确定位，正是因为它考虑到这种狭义相对论效应。这些效应是很显著的，因为GPS卫星的飞行速度很高，它们要用到高精度计时。
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3.爱因斯坦的狭义相对论是否只适用于依靠光脉冲的时钟？
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这一理论适用于所有的时钟，事实上，是所有的现象。这是因为，光实际上决定了发生在原子水平上的相互作用。因此从鲍勃的角度看，所有发生在车厢中的原子相互作用都变慢。他不可能看到这些单个原子的相互作用，但他可以检测到这些原子变慢效应的共同结果。因此当爱丽丝飞速经过她身边时，他不仅能看到她的镜子时钟走得慢，而且会看到她向他招手的动作也变慢了，她眨眼的动作也较慢，甚至她的心跳都会变慢。一切事物都将受到同样程度的时间膨胀效应的影响。
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4.为什么爱丽丝不能用她的时钟和她自身的变慢来证明她处于运动中？
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所有上述这些奇特效应都是鲍勃在运动的火车之外观察到的。对于爱丽丝而言，火车车厢内的一切都完全正常，因为无论是她的闹钟，还是她身边的其他东西都没有相对她的运动。零相对运动意味着零时间膨胀。对这里不存在时间变慢我们不应当感到惊讶，因为如果爱丽丝注意到她周围环境存在由车厢运动带来的任何变化，这将违反伽利略的相对性原理。但是，如果爱丽丝在从鲍勃面前飞驰而过的瞬间去看鲍勃，那么对她来说，鲍勃和他的环境正在经历时间膨胀，因为他正在相对于她运动。
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狭义相对论还以同样惊人的方式影响到物理学的其他方面。爱因斯坦表明，当爱丽丝趋近时，鲍勃察觉到她沿运动方向收缩。换句话说，如果爱丽丝身高2米，身体的前后厚度25厘米，当她面向列车前方趋近鲍勃时，鲍勃会看到她的身高仍是2米，但身体厚度只有15厘米。她看上去变薄了。这可不是什么视错觉，而是鲍勃的距离和空间知觉下的一种现实感受。它是基于与鲍勃观察到爱丽丝的时钟变慢属同一类的推理结果。
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因此，正如同传统的时间观念受到冲击一样，狭义相对论还迫使物理学家们重新考虑原有的坚如磐石的空间概念。时间和空间不再是恒定的和普遍的，相反，它们是可塑的和个性化的。这并不奇怪，就连爱因斯坦本人，在发展他的理论时，有时也发现很难相信自己的这套逻辑和结论。“论证十分有趣和诱人，”他说，“但就我所知，上帝可能会对此发笑并牵着我的鼻子走。”
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但不管怎样，爱因斯坦还是克服了他的疑虑，并继续推演他的方程的逻辑。在他的研究结果发表后，学者们不得不承认，一个孤独的专利局职员做出了物理学史上最重要的一项发现。马克斯·普朗克，量子理论之父，谈到爱因斯坦时说：“如果[相对论]被证明是正确的，就像我希望的那样，那么他将被公认为20世纪的哥白尼”。
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爱因斯坦预言的时间膨胀和长度收缩都已得到实验的证实。单就他的狭义相对论这一项成果就足以使他成为20世纪最伟大的物理学家之一，因为它带来了维多利亚时代的物理学的翻天覆地的变化。但爱因斯坦的脚步没有止步于此，他为自己设定了更高的目标。
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在他1905年的论文发表后不久，他以更大的雄心着手研究一项新的理论。爱因斯坦曾戏言，与这项新理论比起来，他的狭义相对论简直如同“儿戏”。丰厚的回报表明，为此付出的努力是完全值得的。他的下一项伟大发现将揭示宇宙在大尺度上是如何运作的，这一发现为宇宙学家在解决可以想象的最根本问题方面提供了他们所需的工具。
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引力之争：牛顿对爱因斯坦
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爱因斯坦的思想是如此反传统，以至于主流科学家需要很长时间才愿意接纳这位办公室文员到他们的圈子里来。虽然他1905年就发表了他的狭义相对论，但直到1908年，他才接到他的第一个伯尔尼大学地位较低的职位。在1905年到1908年，爱因斯坦继续在伯尔尼的专利局上班，他被晋升为“二级技术专家”，同时他继续努力，力图将他的相对论的应用范围扩展到更广的领域。
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狭义相对论之所以称为“狭义”，就因为它仅适用于特殊情形下，即那种对象以恒定速度运动的情形下。换句话说，它可以处理鲍勃观察爱丽丝的列车以恒定速度作直线行驶的情形，但无法处理火车在加快或减速时的情形。因此，爱因斯坦试图改写他的理论，以便它能处理涉及加速和减速的情形。狭义相对论的这一盛大的扩张不久就成为著名的广义相对论，因为它将适用于更一般的情形。
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当爱因斯坦于1907年取得建立广义相对论过程的第一次突破时，他将它称为“我一生中最快乐的思想”。但随之而来的是8年的煎熬。他曾对一个朋友说对广义相对论的迷恋是如何迫使他忽视了生活中的其他方面：“我没时间写信，因为我的时间全被这件真正的大事占据了。白天和晚上，我都在绞尽脑汁来更深入地钻研我在过去两年中逐渐发现的事情，它们代表了物理学基本问题上前所未有的进步。”