Question

深度长文：通俗理解爱因斯坦的广义和狭义相对论，值得珍藏

Answer 1

相对论以势不可挡的姿态揭开了这个荒诞世界的外衣，再次让人类意识到自身的无知和渺小。

谈这个问题前，先说说量子力学和相对论的区别：

第一，量子力学是一大堆科学家头脑风暴的产物，相对论则是爱因斯坦一个人拿下的。

第二，量子力学是积小流成江海，从普朗克 开始一点一滴累积起来的，相对论，则是横空出世，一蹴而就。

第三，量子力学无论多么荒诞，至少都是从实验现象开始的，为了解释实验结果拼凑出各种理论公式，相对论则是由爱因斯坦凭空捏造，之后再根据理论去寻找实验现象。

第四，量子力学收割了成堆的诺贝尔奖，相对论自始至终都没有获奖。

第五，量子力学早已广泛应用，这点很多人可能不知道，以为量子力学只是物理学家的 游戏 ，其实现代 科技 取得如此辉煌的成就，多半都是量子力学的功劳，而相对论呢，除了用于计算校准，完全没有提供任何生产技术。

第六，量子力学应用于微观，电子、质子等等，相对论应用于宏观，恒星、时间、空间这些。

第七，量子力学描述的世界是一段一段的、量子化的，相对论描述的世界则是连续的。

你说说，这种严丝合缝的巧合是不是有点过分了，让人不免怀疑，这是不是上天在捉弄人类。相对论和量子力学就好像商量好一般，如此矛盾，却又都如此惊世骇俗，真是折磨了一代又一代的物理人！

物理学家天生有「大一统思想」，最好把宇宙间所有规律归纳成一个公式。为了撮合这两个理论，人类付出了无比艰辛的努力，这段可歌可泣的故事，咱们留着以后慢慢说。

其实在经典物理学时代，也是个大统一的故事，经典物理经历了开枝散叶的「牛顿时代后，又逐渐归拢走向统一。

「大统一」路上的巅峰之作，非「麦克斯韦方程组」莫厉，至少排名人类最伟大公式前三甲！

这事说起来很简单，原本「电」和「磁」是两路人，但自从法拉第Q发现电磁感应后，大家都知道电和磁早就有一腿了，却苦于没有牵线搭桥的媒婆。正当大家干着急时，麦克斯韦大笔一挥，从此电、磁成了一家人。

麦克斯韦方程组以无比优美的形式，完整阐述了电和磁的相互转化规律，堪称物理学难得见的白富美！既然是白富美，就免不了招蜂引蝶，其中就有我们今天的主角，爱因斯坦。

爱因斯坦一直对「光」情有独钟，光是一种电磁波，电磁波的事情归麦克斯韦管，于是爱因斯坦就很痴迷地看着这组方程。这情景，神似杨过悟出黯然销魂掌，爱因斯坦看着看着，豁然顿悟，提出了一个销魂的假设：光速不变原理。

光速不变原理是什么意思呢？举个例子：你站在路边不动，我骑车速度10，妹子开车速度50，那么妹子对你来说速度是50，对我来说速度是 40。

这个是我们正常的理解，对吧？

同样的场景，把妹子换成「一束光」，那么应该是：光对你来说速度是三十万，对我来说是 29万9990，对吧？爱因斯坦说，你们太不了解「光」了，无论你们的速度是多少，她的速度永远都是三十万。

极端一点，你的速度是0，而我的速度是 29万9999，同一束「光」经过我俩，这束光对你来说速度是300000，对我来说也是300000！

那这到底是一束光还是两束光啊？当然是一束光，只不过，这束光在不同的人看来，永远都是一样的速度。相对论的起点就是来自这么一个无比荒诞的假设：光速不变原理！

既然光速绝对不变，那应该叫做 「绝对论」，干嘛叫「相对论」呢？

相对论这个概念是与「绝对时空观」相对应的，学术点说，一切物理定律在所有惯性参照系中具有相同的数学形式，学名「相对性原理」，这是相对论的第二个假设，我知道你看不懂这句话的意思，别着急。

这个话题又有点哲学的味道了。

回到刚才的场景，我骑车的速度是 10，而你站在路边不动，假设整个系统或者说全宇宙只剩下你我，那么到底是谁在动？

在你看来是我在动，在我看来是你在动，为了搞清楚谁在动，就把这事说成：我相对于你的速度是 10。这是高中物理的内容，今天的人不难理解，不过在当时「以太」学说的背景下就不一样了。

什么是「以太」？

又是亚里士多德这位老同学提出的概念：空间是以太组成的，只是我们看不见而已，静止和运动都是相对空间而言，也就是说「我相对于空间的速度是10」，而不是「我相对于你的速度是 10」。这种观点，再算上亘古不变的一维时间，称之为牛顿时代的「绝对时空观」

这在当时是很主流的一个假说，著名的科学家迈克尔逊，诺贝尔物理学奖得主，绝对的大牛人，他就一直在找以太，结果找了8年，亲手把以太理论给掐死了。

回到相对论

「光速不变原理」 「相对性原理」，好吧，那然后呢？凭这两个就能颠覆世界了？没错，有这两样东西就够了，大家注意，老司机爱因斯坦开始飚车了！

假设老司机把车速飙到光速的 50%，然后，车厢天花板发出一束光，垂直照到地板上。对车厢内的人来说，车厢是没有速度的，相当于在一个静止的车厢里，从上往下照一束光，那么结果很简单，这光就是直线照到地上而已。所以这束光走过的路程就是车厢的高度，花费的时间：车厢高度/光速。

但对车厢外的人来说，事情就有点麻烦了，光束是在移动的车厢里从上往下照的，这个过程中车厢一直在移动，所以光走的路径是一条斜线。

就好像从车厢顶部打一颗子弹到地上，在车厢内的人看起来，子弹是直线下落的，但在车厢外的人看来，子弹其实是斜着落地的，斜着跑当然比直线跑的路程更远。

这在经典物理学里面是没啥问题的。因为子弹的速度还得加上车厢移动的速度，所以子弹的实际速度是增加了，即便路程增加了，最后算下来时间是一样的。

但是，爱因斯坦说了，光速是不变的，无论你车厢移动速度是多少，光速始终还是那个光速，于是，事情就大条了，因为路程变多了，而光速不变，这样算下来时间也就得变多了！

同样一件事，车厢内的时间比车厢外的时间多，这说法不好交代吧。

爱因斯坦说，这有啥，光速是不变的，只能委屈时间了，没错，车厢内的时间膨肚了！

时间这东西看不见摸不着，爱因斯坦怎么说都行。咱们换个例子。

老司机飚车的过程中，在车厢的中间位置，闪一下光，相当于点亮一个电灯泡，对车厢内的人来说，车厢是静止的，那么光线应该是同时照亮前壁和后壁。但对车厢外的人来说，车在前进，而光速不变，所以光应该先照亮后壁，然后再照亮前壁。这就不是时间膨胀不膨胀的问题了。

如果前后壁分别有个接收器，那么这两个接收器到底是同时接收到信号，还是一前一后接受到信号。

爱因斯坦说，你们压根不知道啥叫「同时」，如何判断在两个地方发生的两个事件是否同时？当这两个事件发生的瞬间各自发出一个闪光信号，如果光同时到达这两个地方的中间位置，那么就认为这两个事情是同时发生的，不然就是不同时的。所以车厢内的人看是同时的，车厢外的人看是不同时的，「同时」也是相对的。

各位看明白没？这「光」真是集爱因斯坦万千宠爱于一身，连时间都要按照光的脚步走。

再举个例子，假设太阳突然消失了，8分钟后，地球就会知道，那地球人有没有可能在太阳消失的一瞬间就知道？爱因斯坦说，完全不可能，太阳消失后，地球依然可以感受到阳光，感受到太阳的引力，无论用什么方法都无法在8分钟内得知太阳消失了。

就算你在太阳上找个人给你打电话，无线电信号也得经过8分钟才能飞到地球。那么问题来了，对于地球人而言，太阳到底是在8分钟前消失的，还是现在消失的？

好吧，我承认已经有点糊涂了，索性再把问题搅乱些。车厢内的人怎么测量车厢长度呢？

这个很简单，拿个刻度尺直接量就行了。但是对车厢外的人来说就比较麻烦了，因为车厢是在运动的。但是你拿的刻度尺是静止的。

你必须在同一时间记下车头和车尾的刻度尺读数。如果按照爱因斯坦定义的那个同时，那么你量下来就会发现，运动的车厢比静止的车厢要短，这个结论会不会有点扯？

爱因斯坦说，在「光」面前，时间都能委屈，长度算什么！物体沿着运动方向的长度会收缩，这叫「长度收缩效应」，简称「尺缩效应」，得了，那质量多半也节操难保了。

没错，因为时间和速度相关，速度和动能相关，动能和质量相关，这样推导下来，质量也就不是原来的质量了。爱因斯坦说：质量会随着速度增加而增加，然后结合动量和动能公式，就得到了大名鼎鼎的质能方程：E=MC 的平方。

虽然爱因斯坦把时间、长度、质量都搅得一塌糊涂，但本质上，无非就是运动参照系和静止参照系之间的公式转化而已。数学好的同学开始得瑟了，时间膨胀、长度缩短、质量增加，都可以按照「洛伦兹变换」推导：

去看看这些公式，你就明白为什么爱因斯坦不喜欢超光速了，按照上面的公式，一旦物体到达了光速，时间变得无穷慢、长度变得无穷小、质量变得无穷大，这种扯蛋程度终于连爱因斯坦自己都不能接受了。

大家注意到没有，刚刚说的那些假设都是在匀速和静止的前提下讨论的，这种场景只适用于理想情况，应用场景比较狭隘，所以叫「狭义相对论」。

实际情况，往往还需要在系统中加上引力或者加速度什么的，应用场景更加广泛，顾名思义，这就是「广义相对论」。

广义相对论不仅内容奇葩，而且数学无比复杂，爱因斯坦不得不求助数学家格罗斯曼，共同完成论文《广义相对论纲要和引力论》。这篇伟大的论文，除了数学系和物理系的同学，其他同学还是别看了，以免辣眼睛！

英国科学家爱丁顿是忠实的爱因斯坦粉丝，也是第一个向英语世界介绍广义相对论的人。

有一天，有人问爱丁顿：「尊敬的教授，听说世界上只有三个人懂得相对论，是这样吗？」爱丁顿路加思索后回答：「您也许说得不错，不过，我在想第三个人是谁呢？」

这个小故事最终演变成了我们现在经常听到的一句流言：世界上只有三个人懂得相对论。这个当然是过于夸张了，不过广义相对论确实比量子力学要麻烦。

玻尔说量子力学第一次学不会，那反过来说，多学几次还是有希望的。至于广义相对论，我们普通人还是趁早放奔治疗吧，只能生搬硬套，能囫囵吞枣就不错了。

下面就是生搬硬套的广义相对论：

老司机狠踩油门，车子加速前进，注意是正在加速中。一束光从车顶照到地板，光速是不变的，而车子速度越来越快，就好像水流往下流，车子在加速，那么水流应该是弯曲的，也就是说，光走过的路程应该是弯曲的。

爱因斯坦说，光速不能变，只能委屈空间了，是空间弯曲了！这也太耍赖了，明明是你自己弯了，非说是空间弯了！

爱因斯坦接着说，「引力」和「加速度」是等效的，所以引力也会引起空间弯曲。接着展开一下想象，如果引力足够大，空间足够弯曲，像折纸一样，把远端的两个点，弯曲重叠在一起会发生什么？

没错，虫洞的概念有了！开个虫洞撕裂空间，就可以从这个点直接到另一个点，梦幻般的空间跳跃就是这么来的！

目前为止，你还可以认为这一切都是胡搅蛮缠，大骂爱因斯坦是哗众取宠的神棍！

此时的相对论，就像是埋设在物理学大厦里的炸药，就差一个导火线。然而，很快人们就找到了无数导火线，引爆了这座数百年的经典大厦。

1911 年爱因斯坦发表《引力对光传播的影响》，由于太阳的引力和质量会使周边空间产生弯曲，使得光线经过太阳附近时也会弯曲，这一现象可在日全食进行观测。

忠实粉丝爱丁顿忽悠英国政府资助了这次荒唐的测试，最终，观测数据显示恒星位置确实发生了偏移，符合相对论的计算结果，爱丁顿感慨道：这个小小的移动，改变了世界。

于是，爱因斯坦一夜爆红，卓别林有句俏皮话，恰如其分的概括了当时的场景：「人们为我欢呼，是因为他们懂我的艺术，人们为爱因斯坦欢呼，是因为没人懂他的理论。

困扰了天文学多年的水星近日点进动问题也得到了圆满解释。水星运行到近日点时有些多余的进动（我们普通人可以理解为，水星靠近太阳时，会有一些莫名其妙的抖动），多余进动值为每百年 43 角秒，当时没人能解释。

爱因斯坦计算了太阳对空间的弯曲曲率正是每百年43 角秒，完全吻合，也就是说这多余的进动是空间弯曲造成的。后来测到的金星数据也相符相对论。

为了验证引力和速度对时间的影响，不断有科学家把原子钟送到外太空，由引力产生的时间偏差也完全符合相对论的计算。

所有的实验都证明相对论是靠谱的，绝对不是一个疯子幻想的产物。

相对论以势不可挡的姿态揭开了这个荒诞世界的外衣，再次让人类意识到自身的无知和渺小。

我得再次膜拜一下爱因斯坦！要知道，当时的人们已经沉浸在量子力学带来的巨大震撼中：东西都是一段一段的、位置也是随机的，而相对论的空间描述是连续的、是可精确计算的、是与量子力学完全矛盾的，这简直是逆天下大势！

任谁也没想到，上天竟会同时送给人类两件截然不同的礼物！更难能可贵的是，爱因斯坦既是量子力学的奠基人之一，也是相对论的开创者，这一手「左右互搏」的功夫，不敢说「后无来者」，至少是「前无古人」了。

因此爱因斯坦在物理学史上的座次仅次于开天辟地的牛顿，排行第二。

不过，相对论的应用少之又少，仅仅只是用来校准各种观察数据或实验设备，比如 GPS 精度校准，高能粒子质量和寿命的变化，或是预言一下引力波的存在，等等。

回头再看这个烂摊子，爱因斯坦飙完车，就拍拍屁股走人了，但对于这个理论的起点：光速不变原理，已经弄疯了无数的物理学家。

相对论和量子力学把 科技 树主干硬生生掰成了两个方向，但物理学家固执地认为事物的本源最终都是相通的，这一百年来，所有人梦寐以求的就是统一这两大理论，但无一不是折戟沉沙！

尽管前路漫漫，可大家仍乐此不疲地奔波在大统一的路上，最近几年非常热门的「超弦理论」和大型对撞机，就是人类对大统一事业的再一次冲锋。