相對論已經(jīng)誕生一百多年了，但由于相對論的核心思想完全顛覆了我們對時空的傳統(tǒng)認(rèn)知，所以知道直到今天，仍舊有不少人不愿意相信相對論，質(zhì)疑相對論。

其實質(zhì)疑本身并沒有什么，畢竟科學(xué)的確需要質(zhì)疑，只有經(jīng)得起質(zhì)疑的考驗，一個科學(xué)理論才能成為被大眾認(rèn)可的理論。

不過，我們不要把質(zhì)疑的范圍擴(kuò)大，我們需要的不是想當(dāng)然的質(zhì)疑，更不是以自己喜好為基礎(chǔ)的質(zhì)疑，質(zhì)疑任何科學(xué)理論的一個重要前提是：必須充分了解這個理論。不然的話，你連質(zhì)疑的資格都沒有。

話說過來，其實任何新理論的誕生都會受到主流科學(xué)界的質(zhì)疑。我們絲毫不用懷疑科學(xué)界大佬們“毒辣”的眼光，任何新出現(xiàn)的科學(xué)理論都逃不過科學(xué)界大佬們質(zhì)疑的眼光，相對論當(dāng)然你也不例外。所以，根本輪不到我們普通吃瓜群眾去質(zhì)疑，早就有科學(xué)界大佬去質(zhì)疑了。

但質(zhì)疑的結(jié)果大家都看到了，相對論在質(zhì)疑聲中“愈發(fā)堅強(qiáng)”，經(jīng)受住了考驗，也成為現(xiàn)代物理學(xué)大廈的兩大基石之一。

當(dāng)然， 普通人也需要有質(zhì)疑的態(tài)度，但正如剛才所說，在質(zhì)疑相對論之前，我們需要了解相對論到底是一個怎樣的理論。

其實“相對論”三個字已經(jīng)囊括了該理論的精髓，相對論誕生的基礎(chǔ)就是相對性原理，當(dāng)然還有另外一個原理，光速不變原理。

首先讓我們來看一下何為“相對性原理”。

物理學(xué)上是這樣定義的，在所有慣性系中，所有物理定律都是相同的，也是等價的，沒有任何慣性系具有更優(yōu)越的地位。這種定義其實已經(jīng)否定的絕對靜止參照系的存在，否定了“以太說”和“絕對空間”。

何為慣性系？簡單講就是靜止或者勻速直線運(yùn)動的參照系。在慣性系中，你永遠(yuǎn)無法通過任何實驗或其他手段，來判斷自己是靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動狀態(tài)。

比如說你乘坐一列勻速直線行駛的火車，你并不能單從火車內(nèi)部判斷火車是靜止還是運(yùn)動，你在火車上的感受與靜止在地面上的感受沒有任何區(qū)別。

相對性原理當(dāng)然很符合我們的日常生活認(rèn)知，相信很多人乘坐火車時都遇到過這種場景，當(dāng)火車緩緩啟動之后，我們總會有一種錯覺：感覺自己乘坐的火車仍然處在靜止?fàn)顟B(tài)，只是旁邊的火車在行走。然后不經(jīng)意間看到站臺上的立柱，猛然回過神來，原來自己乘坐的火車已經(jīng)啟動了。

但是就是這么一個看似簡單的相對性原理，古代人類在漫長的時間里一直沒能突破。長期以來，人們一直認(rèn)為宇宙中一定存在一個絕對靜止的參照系，這個參照系的地位高于其他任何參照系。

這種思維模式在人們的心目中如此根深蒂固，以至于到了近現(xiàn)代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)有點不對勁的時候，仍舊想方設(shè)法為“絕對靜止參照系”辯護(hù)，“以太理論”就是在這種背景下誕生的。

說完了相對性原理，接下來的光速不變原理也就簡單多了。

首先我們需要了解統(tǒng)一電磁理論的麥克斯韋方程組。該方程組堪稱人類歷史上最美的公式，甚至沒有之一。最關(guān)鍵的是，麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來的光速計算公式中，竟然沒有任何參照系，這在當(dāng)時的物理學(xué)界大佬眼里，太不可思議了。

因為我們都知道，任何速度都需要有參照系才有意義。但光速好像是個例外，它不需要參照系，只與真空的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)。

言外之意，光速即是一個常數(shù)，根據(jù)狹義相對性原理，光速在任何參照系中都保持不變。也就是光速不變原理。

當(dāng)時的物理學(xué)界大佬看到這樣的結(jié)果：這怎么可能？

看出來了吧，不僅僅是我們普通人，物理學(xué)界大佬們一開始也一頭霧水。光速不變原理意味著什么？意味著在不同的參照系下測量光速，最終測量的結(jié)果都是一樣的，完全不符合我們平時使用的速度疊加計算方式，也就是伽利略變換。

舉個例子就明白了。我靜止在地面上，你以0.9倍光速飛行。一束光飛過來，與你飛行的方向相同，在我眼里這束光的速度當(dāng)然是光速，那么在你眼里這束光的速度又是多少呢？

根據(jù)我們平時所用的相對速度計算方式，答案應(yīng)該是光速減去你飛行的速度，也就是0.1倍光速。

但事實并非如此，在你眼里，那束光的速度仍舊是光速。

這種情況在當(dāng)時的物理學(xué)界一下就炸了鍋，因為如果光速真的是絕對的，真的是常數(shù)，意味著之前物理學(xué)家早已奉為神明的牛頓經(jīng)典力學(xué)將“轟然倒塌”，這是當(dāng)時的物理學(xué)家無論如何都不能接受的。

于是物理學(xué)界大佬們開始通過各種方式“左右逢源”，他們不敢得罪牛頓這個大佬，但麥克斯韋也不是吃素的，麥克斯韋方程組也足夠偉大，他們也不敢得罪。

而當(dāng)時的物理學(xué)界大佬洛倫茲就利用一種數(shù)學(xué)方式：如果時空不是絕對固定的，也就是說，如果一個物體的長度在不同坐標(biāo)系下并不相同，同時時間長度在不同坐標(biāo)系下也能不同，就可以滿足“光速在所有慣性系中都保持相同”，也就是光速不變原理。

于是難題就出現(xiàn)了：要么牛頓力學(xué)體系下的絕對時空觀錯了，要么就是麥克斯韋方程組錯了。面對如此難題，當(dāng)時的物理學(xué)界大佬該如何抉擇呢？

絕大部分物理學(xué)界大佬都選擇了相信牛頓經(jīng)典力學(xué)，這也是很正常的，畢竟牛頓經(jīng)典力學(xué)統(tǒng)治整個物理學(xué)界幾百年了，當(dāng)時的物理學(xué)界甚至堅信以牛頓經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，整個物理學(xué)大廈馬上就要完工了。

而如今，一個“霸道的”光速竟然突然出現(xiàn)，徹底打亂了物理學(xué)界對物理學(xué)大廈的憧憬，擱誰都難以接受。

而往往是這個時候，就需要一個天才出現(xiàn)，而這次就是大名鼎鼎的愛因斯坦。

愛因斯坦選擇了相信麥克斯韋方程組，從而在相對性原理和光速不變原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了偉大的狹義相對論。

當(dāng)然，愛因斯坦之所以做出如此選擇，絕非偶然，也不是如此簡單。愛因斯坦一直都對偉大的麥克斯韋方程組情有獨(dú)鐘，也正是麥克斯韋方程組給了他靈感，讓他用“如無必要勿增實體”的“奧卡姆剃刀”原理，徹底把“絕對靜止參照系”以太“咔嚓”掉了。

當(dāng)時的主流物理學(xué)界一直試圖維護(hù)牛頓經(jīng)典力學(xué)的地位，但也不敢得罪麥克斯韋方程組，于是便假設(shè)宇宙中存在絕對的參照系“以太”，以太在宇宙中無處不在，而光速的參照系正是以太。

但以太分明就是一個假設(shè)的概念，假設(shè)本沒有什么，科學(xué)本來就是大膽假設(shè)小心求證，接下來就需要證明以太的存在。但在通過各種實驗證明的過程中，不但沒有找到任何證據(jù)，實驗結(jié)果反而都指向了以太并不存在。

那么，按照“奧卡姆剃刀”原理，以太就沒有必要存在了。最重要的是，光速是一個常數(shù)，早就在麥克斯韋方程組體現(xiàn)出來了。

一個是沒有證據(jù)的假設(shè)，另一個是真實存在的，起碼在公式中有體現(xiàn)。到底該如何選擇，相信大家都清楚。

但為什么只有愛因斯坦選擇了相信麥克斯韋方程組呢？

我們不能用如今的眼光衡量當(dāng)時物理學(xué)界的發(fā)展歷程，畢竟時代在發(fā)展，任何時代都有局限性。在我們?nèi)缃窨磥砣绱撕唵蔚膯栴}，其實要讓當(dāng)時的物理學(xué)界大佬做出抉擇是很難的。

事實上，洛倫茲和龐加萊等物理學(xué)界大佬已經(jīng)無限接近狹義相對論了，剛才說了，洛倫茲甚至用數(shù)學(xué)手段分析出了時空可能不是固定的，距離狹義相對論僅一步之遙，但就是因為他始終不愿放棄絕對時空觀，結(jié)果沒能捅破通向狹義相對論的那層“窗戶紙”。

從狹義相對論的誕生過程可以看出，并不需要高深的專業(yè)知識，如果你已經(jīng)了解了經(jīng)典力學(xué)，同時還學(xué)習(xí)了矢量分析，微積分等知識，你完全可以在“相對性原理”和“光速不變原理”的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出狹義相對論，還有狹義相對論體系下的所有公式，這一點也不難。

到這里，我們明白了，狹義相對論推翻了牛頓經(jīng)典力學(xué)體系下的絕對時空觀，提出了全新的相對時空觀，但這并不表明牛頓經(jīng)典力學(xué)就徹底玩完了，更不是“啥也不是”了，至于為什么，稍后會給出答案。讓我們先接著分析廣義相對論是如何誕生的。

在狹義相對論框架下，有一個基本前提，那就是：慣性系，也就是靜止或者勻速直線運(yùn)動的參照系。但是慣性系只是一個理想?yún)⒄障担F(xiàn)實中不可能存在，因為任何物體都會受到力的作用，尤其是引力。

如果不能把慣性系擴(kuò)展到所有的參照系，意味著狹義相對論就有致命的弱點。當(dāng)然愛因斯坦早就意識到了這個問題，但如何解決這個問題，真的消耗了他不少腦細(xì)胞。

我們知道了速度是相對的，當(dāng)然光速除外，沒有速度絕對為零的坐標(biāo)系存在。那么與速度緊密相關(guān)的加速度也會是這樣嗎？

有沒有加速度絕對為零的坐標(biāo)系存在呢？

按照我們的日常生活經(jīng)驗，加速度的確是相對的，而且有絕對為零的加速度存在，甚至狹義相對論本身也不否認(rèn)這個事實，更如何我們的生活體驗。

舉個例子，如今市場上就有加速度的測量儀器，可以測量在各種運(yùn)動狀態(tài)下的加速度。這就意味著，在絕對封閉的不斷加速的火車內(nèi)，我們是能夠測量火車的加速度的。

難道加速度是絕對的，而速度就是相對的？宇宙中真的存在任何絕對的東西嗎？

一個看似簡單的問題，縱使愛因斯坦擁有天才般的大腦，也花費(fèi)了將近十年的時間才解決了這個問題，答案就是：不僅是速度，加速度也是相對的。

愛因斯坦認(rèn)為，在所有的非慣性系中的物理定律，與受到等效引力的坐標(biāo)系中的物理定律是等效的。引力場與以適當(dāng)加速度運(yùn)動的參照系是等價的，這就意味著在所有的參照系中，物理定律都是相同的。這就是廣義相對論中的等效原理。

正是等效原理，讓狹義相對論中讓愛因斯坦苦惱的“引力”影響徹底被消除了，從而讓普適范圍從慣性系直接上升到所有的參照系。

具體來講，任何物體都可以在時空中選取適當(dāng)?shù)膮⒄障担沟迷撐矬w的運(yùn)動方程中不再含有引力項，也就是說可以讓引力從局部消失。

等效原理也可以這樣表達(dá)，慣性質(zhì)量等效于引力質(zhì)量。也就是說，加速度的效果與引力的效果是等效的，宇宙中并不存在加速度絕對為零的參照系。

舉個例子，你在一個絕對密閉的箱子內(nèi)，箱子以9.8的加速度勻速上升。你閉上眼睛，如果外人不告訴你，你絕對不可能知道自己到底是在箱子里還是在靜止在地球上。因為根據(jù)等效原理，這兩種狀態(tài)是等效的，無法通過任何物理手段區(qū)分。

那么，愛因斯坦到底是如何聯(lián)想到時空彎曲的呢？

簡單說，完全是愛因斯坦“腦補(bǔ)”出來的，是通過他天才的大腦獲得靈感的。當(dāng)然這種靈感并不是隨便迸發(fā)出來的。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，廣義相對性原理與“光線在引力場中彎曲”之間發(fā)生了沖突。根據(jù)這條原理與等效原理，麥克斯韋方程組在引力場中仍然有效，那么電磁波也應(yīng)該是直線傳播的。

但這就與“光線在引力場中彎曲”沖突了，為了調(diào)和這種沖突，愛因斯坦大膽提出“在引力場中時空會發(fā)生彎曲”的設(shè)想，把引力看做是時空的彎曲。

也就是說，狹義相對論犧牲了絕對時空觀，而廣義相對論犧牲了時空的平直性。也就是質(zhì)量或者引力會引起時空彎曲。

舉個通俗的例子，如今我國的空間站在圍繞著地球旋轉(zhuǎn)，很明顯空間站一直在做非勻速運(yùn)動，同時也會受到地球的引力作用，當(dāng)時是非慣性系。當(dāng)然，正是空間站的加速度與引力作用完美抵消，讓空間站內(nèi)的宇航員感受不到非慣性力。也就是說，空間站明明是非慣性系，但里面的物理定律竟然完美匹配慣性系的規(guī)律。

按照愛因斯坦的時空彎曲理論來詮釋，由于引力并不是一種力，而是時空彎曲，空間站看起來是在沿著曲線運(yùn)動，事實上只是沿著彎曲的時空做勻速直線運(yùn)動，也就是測地線運(yùn)動。

這里強(qiáng)調(diào)一下，我們看到的空間站做曲線運(yùn)動，只是空間上的感受。但是時空彎曲并不是指空間彎曲，而是時空彎曲，時間和空間都發(fā)生了彎曲。

這里就來解釋一下既然引力的本質(zhì)是時空彎曲，為何我們還沒有用時空彎曲徹底取代牛頓的萬有引力定律呢？

其實這就是普適性的問題。時空彎曲只有在質(zhì)量非常大的天體附近才比較明顯，而我們都待在地球上，根本無法感受到時空的彎曲，但是能感受到引力一直存在。說白了，牛頓萬有引力定律只是時空完全在低引力狀態(tài)下的近似值和特例，而我們恰恰處于一個低引力世界，所以如今統(tǒng)治我們世界的仍舊是牛頓萬有引力定律。

到這里，狹義相對論和廣義相對論就基本分析完了。可以看出，狹義相對論和廣義相對論都是建立在兩個相對性原理的基礎(chǔ)上創(chuàng)建的，當(dāng)然還有光速不變原理和等效原理。本質(zhì)上都是對時空結(jié)構(gòu)的修正。

那么，這些原理是否正確？起碼目前所有的實驗表明都是正確的。其實所有這些原理本質(zhì)上都是假設(shè)，也是公理，所以也無所謂對錯，也無需去證明，只要符合實驗觀察即可。

相對狹義相對論來講，廣義相對論會更難以理解，廣義相對論體系下的公式，不僅僅需要微積分，矢量分析等知識，更需要超強(qiáng)的空間想象力，數(shù)學(xué)分析能力，物理綜合知識才能推導(dǎo)出來。比如說愛因斯坦引力場方程，是一個二階非線性偏微分方程組，要想求解非常困難，僅僅是這個方程組的名字就會嚇走很多人。

也難怪會有這種觀點，如果沒有愛因斯坦，五年之內(nèi)也必然會有其他人提出狹義相對論。但如果沒有愛因斯坦，五十年之內(nèi)未必有人會提出廣義相對論！

完！