前言

說到相對論，有些人覺得，相對論的意思就是，世界上沒什麼是絕對的，都是相對的。這完全就是胡說八道，其實愛因斯坦晚年的時候，非常不喜歡別人把這個理論叫相對論，他覺得應該叫不變論才對。

因為愛因斯坦最自豪的就是他發現了宇宙中的那些永恆不變的東西，比如在真空中光的傳播速度是不變的。除了這種印象之外，在大多數人的印象中，愛因斯坦的相對論是一個非常高深難懂的理論。

愛因斯坦公式求證圖

相對論是研究時間、空間、運動、引力這四者關係的理論體系的總稱，它是這一百多年來人類最偉大的兩個理論之一，另一個理論是量子力學。

☛①愛因斯坦的第一次反轉

其實，絕大多數人的世界觀是停留在三四百年前的伽利略和牛頓時代的，如果你不信，你聽聽看我下面的這些說法是不是屬於“常識”或者說“直覺”。

時間雖然看不見摸不著，難以準確定義，但牛頓說，時間是它自個的事，它真實存在但又與外在的一切事務都無關，它絕對地、均勻地流逝，不與任何性質相關，任何力量都無法改變它絕對不變的頻率。這就是牛頓經典物理中的絕對時空觀。時間對於世間萬物都是公平的，上帝他老人家就既像一個慷慨的施主又像是一個超級吝嗇鬼，不論你是國王還是乞丐，他從不多給一點也不少給一點。在愛因斯坦成名之前，人人都認為這個絕對時空觀是天經地義的常識，難道還會有什麼錯嗎？

時間的“形狀”

第一個反轉出現了，當19世紀末，一系列的物理實驗都得到了讓人匪夷所思的結果，物理學家們甚至懷疑自己的實驗設備是不是出了問題。但是所有的實驗被一再地重複，而且實驗結果都在無情地推翻著牛頓的世界觀，整個物理界都開始陷入了瘋狂，物理學遇到了前所未有的危機。

在所有這些實驗中，最出名的一個就是邁克耳遜—莫·雷實驗，它被譽為“科學史上最成功的失敗”，這個實驗是在十九和二十世紀之交做的，也可以看作是新舊物理學的分水嶺，極具象徵意義，因此，也是幾乎所有的科學史書必然要提及的一個實驗。這是怎樣的一個實驗呢？

地球圍繞太陽公轉

邁克爾遜和莫·雷是當時兩位著名的實驗物理學家，他們是測量光速的泰山北斗。他們要做的這個實驗就是測量地球在繞日公轉中光速的變化。我們都知道，地球繞著太陽公轉，如果把地球想象成一艘宇宙飛船的話，如果它繞太陽公轉的速度是1的話，那麼，根據伽利略的相對性原理，如果有兩束光，一束朝著地球運行的方向射出去，另一束背對著地球運行的方向射出去，那麼這兩束光的運動速度應該相差2。

可是，讓所有人都大跌眼鏡的是，實驗的結果卻是兩束光的速度竟然完全一樣，沒有任何差異。這和我們的常識可不一樣。為了解釋這個現象，當時的物理學家們想出了五花八門的解釋，但就是沒有一個人敢於真正否定原來的看法。

光波

好，這就是故事的第一個反轉。之前人們相信的都是牛頓和伽利略的觀點，認為時間是絕對的，不受其他因素的影響。但到了19世紀末，一系列的實驗推翻了人們的這個看法，其中最出名的就是“邁克耳遜—莫·雷”實驗，它被稱為“科學史上最成功的失敗”。

當時間走到了1905 年，這一年被後人稱為物理學的“奇蹟年”，在任何一本講相對論的書上，都一定會提到這個年份。在這一年，年僅26歲的愛因斯坦登上了歷史的舞臺，他當時只是瑞士伯爾尼專利局的一位小職員，在物理學界沒有任何名號。然而就是這位年輕人，在頭腦中做了一個偉大的思維實驗，就像閃電劃破黑夜，突然照亮了新物理學的大門。這個思維實驗就是：假如我和光飛得一樣快，那麼我會看到什麼？

光波

請你也在頭腦中和愛因斯坦一起來做這個思維實驗。假如我們和光飛得一樣快，如果經過一個手電筒，在我經過的那個剎那，手電筒打開，我將看到什麼？這個問題，折磨了愛因斯坦很久，如果按照人們對運動的傳統認知，那麼我將看到一束相對於我來說是靜止的光。但是，愛因斯坦覺得這根本不可能啊。因為光是一種電磁波，什麼是波啊？

舉例：你拿著一根長繩子，然後抖一下，是不是會看到在繩子上形成一個凸起的波峰一直傳遞下去？就是繩子上一個點的運動，必然會帶動下一個點跟著運動，於是這麼傳遞下去就形成了波。光波的本質就是電場和磁場的交替感應，有點像無數個軍人在報數，一定是1、2、3、4這麼持續報下去的，這是不可破壞的規則。

愛因斯坦為什麼覺得一束靜止的光不可能呢？因為這就好比報數到了某個軍人那不報了，這就破壞了大自然的規矩。

光束

☛②愛因斯坦的第二次反轉

愛因斯坦做了一個大膽的假設：光速相對於任何觀察者來說都是不變的，手電筒打開，無論你是靜止的，還是在以光速飛行，光速都是不變的。在這裡，愛因斯坦就運用了“奧卡姆剃刀原理”，其他的物理學家為了解釋邁克耳遜·莫雷實驗中沒有測出光速的變化，都不得不做了很多假設，比如儀器在光的運動方向上會收縮，地球運動會拖拽光的傳播介質等等，當時的人們還沒有認識到光不需要傳播介質。

但是，到了愛因斯坦這裡，他拿起了“奧卡姆的剃刀”，果斷地將這些假設全部颳去，他直接假設：光速本來就是不變的。這就是少到不能再少的假設了。

這在當時看來，是不可思議的，沒人這麼想過。但是愛因斯坦想，先不管這個假設有多荒謬，我們不妨以這個假設為前提，往前繼續推導，看看能不能推導出什麼可以被實驗檢驗的結論出來。好，下面請你來跟我一起做一個非常顛覆常識的推演。

奧卡姆剃刀定律

☟這段特別重要☟

現在：假設我坐在一艘接近光速運動的飛船上，我拿著一個手電筒，在駕駛艙中按下開關，一束光從船頭照射了出去。你站在地面上觀察飛船和這束光。現在我們來分別想一下我眼中的這束光和你眼中的這束光有什麼差別。請記住，我們現在有一個基本假設，那就是光的速度相對於任何觀察者來說都是不變的。

好，在你的眼中，因為飛船的速度也是接近於光速的，所以，飛船會和那束光幾乎是齊頭並進，可能過了一個小時才慢慢地拉開了一些距離。但在我的眼中看到的卻不是這樣的景象，因為光速相對於我來說依然是每秒30萬公里，所以，我看到的是，那束光在一瞬間就與我拉開了幾十萬公里。這不是很矛盾的一件事情嗎？

想像的飛船

到底誰看到的是真實的景象呢？地面上的你看到我和那束光過了一個小時都沒有拉開多少距離，而我自己卻看到一瞬間光就跑得沒影了。如果我們倆看到的都是真實的景象，那麼，只有一個合理的解釋，那就是，我的一秒鐘等於你的一小時，我們倆感受到的時間是不同的。這完全顛覆了牛頓的絕對時空觀，牛頓不是說，對任何人來說時間都是一樣的嗎？但在這裡完全不是這樣了啊。但是，它又確實是光速不變推導出的必然結論。

這就是愛因斯坦狹義相對論的核心觀點，時間是相對的，沒有什麼絕對的時間，它與運動密不可分。只要宇宙飛船運動得足夠快，宇宙飛船上的一年可以相當於地球上的一百年。1905 年，也就是我們剛剛說的物理學奇蹟年，愛因斯坦寫了一篇論文，發表了這個觀點，而且愛因斯坦還給出了數學公式，可以精確地計算速度和時間之間的關係。換句話說，只要知道宇宙飛船的速度是多少，代入公式，就能計算出宇宙飛船上的時間會慢多少。

可惜，遺憾的是，在1905年，這個實驗做不了，兩個原因，一是沒有那麼精確的鐘，二是沒有足夠快的交通工具

光子的運動

☛③愛因斯坦的第三次反轉

我們現在知道，愛因斯坦提出的相對論是劃時代的理論，但是我們剛剛也說了，在愛因斯坦去世的很多年後，他的理論才被實驗證明。所以，當狹義相對論剛誕生的時候，幾乎沒有引起什麼轟動，除了少數幾位大物理學家意識到了它的重要性之外，絕大多數物理學家都無視了愛因斯坦，一方面是因為愛因斯坦是無名小卒，另一方面是他這個理論太過於反常識。

不過就在這時，第三個反轉劇情來了，在所有的反對聲中，也有以理服人的，在狹義相對論發表後的沒多久，就有人提出了一個絕妙的思維實驗，讓愛因斯坦也大為頭疼。

光子的運動

這個思維實驗是這樣的：假如一對雙胞胎兄弟分別坐在兩艘宇宙飛船上，一個朝左飛，一個朝右飛，於是，在弟弟的眼裡，哥哥以飛快的速度遠離他而去，那麼根據狹義相對論，哥哥的時間應該比弟弟慢。

還記得我們之前提過的佯謬嗎？就是你乍一聽肯定是錯誤的，但是沒想到卻是正確的理論。這是很犀利的一個問題，它把反常識推向了極致。誰老誰年輕總應該是絕對的吧？難道這也可以相對？答案可能會讓你大吃一驚，的確反常識，但它確實是真實存在的現象。無論在哥哥的眼裡還是在弟弟的眼裡，他們的時間真的都比對方過得慢。

雙胞胎佯謬想像圖

對於雙胞胎問題的思考，最終讓愛因斯坦打開了廣義相對論的大門。相對論為什麼要分成狹義和廣義呢？其實，狹義相對論是英文 Special Relativity 也就是特殊相對論，而廣義相對論則是 General Relativity 也就是普遍相對論。狹義相對論特殊在什麼地方呢？有兩個地方，一個是狹義相對論公式所能處理的運動全都是勻速直線運動，這在物理術語中被稱為“慣性系”。第二個是，狹義相對論沒有把萬有引力，這個宇宙中普遍存在的研究對象納入到理論中。

經過了十年的漫長努力，愛因斯坦終於丟掉了慣性系，搞定了引力，把特殊相對論升級為了普遍相對論，從此，相對論就可以適用於一切時間、空間、運動和引力這四者的相互關係。更加神奇的是，它幾乎是愛因斯坦一個人潛心修煉的成果，如果沒有愛因斯坦，我們可能今天還在等待這個理論。在一本美國人寫的科學史書中，廣義相對論被評價為“這無疑是人類歷史上最高的智力成就”，它也被眾多物理學家稱為“世界上最美的理論”。

可能是史上智商最高的男人

為什麼美？因為相對論是公理演繹思想的極致體現，它從三個最基本的公理出發，也就是三個無法證明，但又找不到任何反例的假設出發，一步一步，就像證明幾何題一樣推導出了整個理論大廈，令人歎為觀止。這三條基本公理是： 第一，對於任何參考系，真空中光速保持不變；第二，對於任何參考系，普遍的物理規律保持不變；第三，引力和加速度局域等效。這三條公理你不理解沒關係，我們來看看愛因斯坦根據它們推演出了什麼。

這些推論有：時間是相對的；質量是相對的；質量和能量是可以相互轉換的，這就是著名的質能公式 E=mc2 。這些推論，我估計你聽到就能聯想到相對論。但是，還有一些推論，你聽著會非常熟悉，但是你可能沒想到，它們也是從那三條最基本的公理出發推導出來的。比如黑洞。熟悉吧？用相對論的觀點來看，黑洞就是因為時間和空間都是有形狀的，它們會被引力彎曲，甚至打結，黑洞就是時間和空間的一個死結。

著名的質能公式

再比如，宇宙大爆炸也是相對論的產物，他不是科學家們的憑空想象，而是用相對論的方程式計算出來的。還有一個這兩年被刷屏最多的科學名詞——引力波，它也是從上面三條公理推導出來的，從本質上說，引力波就是時空的漣漪，新聞報道上說，雙黑洞併合產生了引力波，這個雙黑洞併合就好像在水中扔下一顆石子，引力波就是水中泛起的陣陣漣漪。愛因斯坦在1916年作出的引力波預言，終於在100年後的2016年被證實，這又是一次相對論的偉大勝利。

相對論還有很多有待證實的推論，比如，在宇宙中可能存在“蟲洞”，它可以讓我們跨越時空，就像電影《星際穿越》中描述的那樣，實現超遠距離的星際旅行。

《星際穿越》電影鏡頭

什麼是蟲洞呢？根據相對論的觀點，時空是可以被彎曲摺疊的，原本兩個相距十分遙遠的點一折疊就靠近了，就好像從上海到紐約，不是從地球表面飛過去，而是在地球上打一個洞，穿過去，這就大大縮短了路程。

時空摺疊的原理

毫不誇張地說，我們在太空宇宙題材的科幻電影中，那些令人腦洞大開的奇思妙想，大多數都是相對論的推論。

穿越蟲洞的想像圖

如果要把相對論總結成最抽象的一句話，那麼就可以這樣來理解：愛因斯坦的研究告訴我們，我們身處的這個宇宙，它的時空結構符合一個方程式，這個方程式就是著名的愛因斯坦場方程，它是迄今為止人類找到的最深刻的一個方程式。

著名的愛因斯坦場方程

總結

最後給大家分享四個非常重要的知識點：

第一，所有的科學理論都需要具備可證偽性，具有可證偽性的理論才算是科學理論。任何科學理論都要能在適用領域中準確預言，而且這個預言還是可以被檢驗的。愛因斯坦提出的相對論也不例外。為什麼說相對論是科學理論呢？

第二，在科學思維中，有一個重要的思想叫奧卡姆剃刀原理，如無必要，勿增實體，也就是我們要儘可能地減少假設前提。當年，面對顛覆認知的實驗結果，其他科學家都在不停給實驗找各種理由假設，而愛因斯坦卻揮起奧卡姆剃刀，刮掉了幾乎所有的假設，只剩下一條，那就是光速本身就是不變的。間接地幫助他提出了狹義相對論。

第三，在物理學的發展史上，有一種只在頭腦中進行的實驗起到了至關重要的作用，這就是思維實驗。相對論的最終建立，思維實驗起到的作用可以說是居功至偉。他想象自己如果和光速一樣快會發生什麼，也想象過宇宙飛船上的雙胞胎誰更年輕，想象這些在現實條件下完不成的實驗，幫助他看破了宇宙背後的邏輯。

第四，在物理學中，有一個術語叫佯謬，就是乍一聽肯定是錯誤的，但是沒想到卻是正確的理論。在相對論的發現過程中，人們發現了非常多的佯謬，比如說雙胞胎佯謬：

內容參考自：《時間的形狀》

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關鍵字: 相對論 物理 伽利略