如果愛因斯坦是對的 聖誕老人也許比我們想像的胖

在愛因斯坦的狹義相對論中，如果一個物體進行高速運動，那麼這個物體的質量會有什麼影響呢？有一個有一點爭議的解釋認為，高速運動的物體會變重。

當物體的運動速度很低時，這種效應並不明顯；只有當物體的運動速度接近光速時，物體的質量會迅速增加到接近無窮大，這種效應才會很明顯。這是由於光速是無法被超越的。當一個物體的運動速度接近光速時，它需要更多的能量來進行加速；到最後，這看起來就像是你在試著推動一個質量無限大的物體運動，而這個過程需要的能量也是無窮大。

但是對於這一點卻讓人陷入了沉思。如果聖誕老人想要在平安夜到每一戶家庭去送禮物，並且還要陪他夫人一塊兒渡過愉快的平安夜，那麼他運動的速度必須要接近光速才行。那這是否意味著他每年在為人們送去聖誕禮物的時候體重會增加呢？

在回答這個問題之前，我們需要注意一下幾個問題：第一，聖誕老人的體重只有在相對於地上的小朋友時才會發生變化，而他自己測量的仍然是其本身的體重；第二，很多物理學家認為這種相對質量並沒有意義。我們會在進行有趣的計算之後再討論這個問題。

首先，聖誕老人在平安夜的運行速度需要達到多快呢？讓我們來做一個快速的、粗略的計算：

世界上一共有大約22億名基督徒，如果平均每戶有四人，那麼一共大約有5.5億戶。當然，很多家庭相互之間住得非常近，而與其他家庭之間則距離比較遠，而且世界上還有很多地區沒有人居住，因此在這裡我們假設每兩戶之間的距離大約是1英里（大約1.6公里，這樣的假設肯定是太高了，但是這裡我們可以採取這種近似）。聖誕老人需要在24小時之內走完這盤繞曲折的旅程，因此其時速大約為2300萬英里/小時（約3700萬公里/小時）。

愛因斯坦的狹義相對論可用來描述一個物體如何相對於另一個物體以不同速度移動。當物體的運動速度接近光速時，狹義相對論會引起物體產生一些奇怪的行為。

該理論最重要的概念之一就是洛倫茲因子γ（Lorentz factor），這個概念可以解釋其中的一些行為：

如果將聖誕老人的速度和光速代入上式， 然後結合其自身的體重約400磅左右，那麼你就可以得到其相對質量400.2磅，即在地面上的小朋友觀察到的聖誕老人的體重是400.2磅。但是這多出來的0.2磅根本不值一提。

現在我們假設聖誕老人睡過頭了，只剩下6個小時來完成這個任務，那麼γ值就會變大，而聖誕老人的體重則會增加到將近404磅。但是如果他只有1個小時來完成任務的話，他的體重就會增加到699磅。他運動的速度越高，我們測量到的他的體重就越大；當其速度達到6億公里/小時時，其體重會增加到大約895磅。儘管重量增加了，但是聖誕老人看起來卻更瘦了，這是因為洛倫茲因子會使得聖誕老人沿著其運動方向被擠壓。

相對於地面上的小朋友來說，聖誕老人看起來就像是被壓得扁平的超重的煎餅。

相對質量實際上並沒有意義。由於靜止物體的質量是一個常數，因此在進行數學計算時物理學家可以先不管這一部分，而只需要在完成計算之後代入靜止物體的質量就可以；物理學家需要計算的部分是物體性質隨著運動速度變化而變化的部分，例如γ、動量或者能量。但質量的改變仍然可以為學生提供一種方法來直觀感覺物體以高速運動時究竟會發生什麼變化。

此外，相對論可能會引起另一個比較奇怪的效應——對於地面上的小朋友來說，聖誕老人的鼻子的顏色可能會發生改變。這是因為根據速度的不同，光波可能會被拉伸或者壓縮。當聖誕老人以2200萬英里的時速運動時，他的鼻子看起來就是橘黃色；如果他的運動速度更快，其波長會進一步變短；當達到某一個特定的接近光速的點時，他的鼻子看起來就變成了藍色。

因此，如果你想測試愛因斯坦的相對論，那麼請在平安夜的夜空尋找一個巨大的、聖誕老人衣服顏色的、薄薄的煎餅狀的條紋。記住不要眨眼哦，否則你會錯過的！