深度長文：相對論是如何誕生的？給你最通俗的解讀（近5000字）

相對論已經誕生一百多年了，但由於相對論的核心思想完全顛覆了我們對時空的傳統認知，所以知道直到今天，仍舊有不少人不願意相信相對論，質疑相對論。

其實質疑本身並沒有什麼，畢竟科學的確需要質疑，只有經得起質疑的考驗，一個科學理論才能成爲被大衆認可的理論。

不過，我們不要把質疑的範圍擴大，我們需要的不是想當然的質疑，更不是以自己喜好爲基礎的質疑，質疑任何科學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界的質疑。我們絲毫不用懷疑科學界大佬們“毒辣”的眼光，任何新出現的科學理論都逃不過科學界大佬們質疑的眼光，相對論當然你也不例外。所以，根本輪不到我們普通吃瓜羣衆去質疑，早就有科學界大佬去質疑了。

但質疑的結果大家都看到了，相對論在質疑聲中“愈發堅強”，經受住了考驗，也成爲現代物理學大廈的兩大基石之一。

當然， 普通人也需要有質疑的態度，但正如剛纔所說，在質疑相對論之前，我們需要了解相對論到底是一個怎樣的理論。

其實“相對論”三個字已經囊括了該理論的精髓，相對論誕生的基礎就是相對性原理，當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爲“相對性原理”。

物理學上是這樣定義的，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越的地位。這種定義其實已經否定的絕對靜止參照系的存在，否定了“以太說”和“絕對空間”。

何爲慣性系？簡單講就是靜止或者勻速直線運動的參照系。在慣性系中，你永遠無法通過任何實驗或其他手段，來判斷自己是靜止狀態還是運動狀態。

比如說你乘坐一列勻速直線行駛的火車，你並不能單從火車內部判斷火車是靜止還是運動，你在火車上的感受與靜止在地面上的感受沒有任何區別。

相對性原理當然很符合我們的日常生活認知，相信很多人乘坐火車時都遇到過這種場景，當火車緩緩啓動之後，我們總會有一種錯覺：感覺自己乘坐的火車仍然處在靜止狀態，只是旁邊的火車在行走。然後不經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啓動了。

但是就是這麼一個看似簡單的相對性原理，古代人類在漫長的時間裡一直沒能突破。長期以來，人們一直認爲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於其他任何參照系。

這種思維模式在人們的心目中如此根深蒂固，以至於到了近現代，科學家們發現有點不對勁的時候，仍舊想方設法爲“絕對靜止參照系”辯護，“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。最關鍵的是，麥克斯韋方程組推導出來的光速計算公式中，竟然沒有任何參照系，這在當時的物理學界大佬眼裡，太不可思議了。

因爲我們都知道，任何速度都需要有參照系纔有意義。但光速好像是個例外，它不需要參照系，只與真空的磁導率和介電常數有關。

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

當時的物理學界大佬看到這樣的結果：這怎麼可能？

看出來了吧，不僅僅是我們普通人，物理學界大佬們一開始也一頭霧水。光速不變原理意味着什麼？意味着在不同的參照系下測量光速，最終測量的結果都是一樣的，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，在我眼裡這束光的速度當然是光速，那麼在你眼裡這束光的速度又是多少呢？

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

但事實並非如此，在你眼裡，那束光的速度仍舊是光速。

這種情況在當時的物理學界一下就炸了鍋，因爲如果光速真的是絕對的，真的是常數，意味着之前物理學家早已奉爲神明的牛頓經典力學將“轟然倒塌”，這是當時的物理學家無論如何都不能接受的。

於是物理學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。

而當時的物理學界大佬洛倫茲就利用一種數學方式：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座標系下並不相同，同時時間長度在不同座標系下也能不同，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。

於是難題就出現了：要麼牛頓力學體系下的絕對時空觀錯了，要麼就是麥克斯韋方程組錯了。面對如此難題，當時的物理學界大佬該如何抉擇呢？

絕大部分物理學界大佬都選擇了相信牛頓經典力學，這也是很正常的，畢竟牛頓經典力學統治整個物理學界幾百年了，當時的物理學界甚至堅信以牛頓經典力學爲基礎，整個物理學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，徹底打亂了物理學界對物理學大廈的憧憬，擱誰都難以接受。

而往往是這個時候，就需要一個天才出現，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上，推導出了偉大的狹義相對論。

當然，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鍾，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。

當時的主流物理學界一直試圖維護牛頓經典力學的地位，但也不敢得罪麥克斯韋方程組，於是便假設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的概念，假設本沒有什麼，科學本來就是大膽假設小心求證，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，實驗結果反而都指向了以太並不存在。

那麼，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，早就在麥克斯韋方程組體現出來了。

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

但爲什麼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時物理學界的發展歷程，畢竟時代在發展，任何時代都有侷限性。在我們如今看來如此簡單的問題，其實要讓當時的物理學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界大佬已經無限接近狹義相對論了，剛纔說了，洛倫茲甚至用數學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，但就是因爲他始終不願放棄絕對時空觀，結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，並不需要高深的專業知識，如果你已經瞭解了經典力學，同時還學習了矢量分析，微積分等知識，你完全可以在“相對性原理”和“光速不變原理”的基礎上推導出狹義相對論，還有狹義相對論體系下的所有公式，這一點也不難。

到這裡，我們明白了，狹義相對論推翻了牛頓經典力學體系下的絕對時空觀，提出了全新的相對時空觀，但這並不表明牛頓經典力學就徹底玩完了，更不是“啥也不是”了，至於爲什麼，稍後會給出答案。讓我們先接着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動的參照系。但是慣性系只是一個理想參照系，現實中不可能存在，因爲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展到所有的參照系，意味着狹義相對論就有致命的弱點。當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胞。

我們知道了速度是相對的，當然光速除外，沒有速度絕對爲零的座標系存在。那麼與速度緊密相關的加速度也會是這樣嗎？

有沒有加速度絕對爲零的座標系存在呢？

按照我們的日常生活經驗，加速度的確是相對的，而且有絕對爲零的加速度存在，甚至狹義相對論本身也不否認這個事實，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，可以測量在各種運動狀態下的加速度。這就意味着，在絕對封閉的不斷加速的火車內，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。

愛因斯坦認爲，在所有的非慣性系中的物理定律，與受到等效引力的座標系中的物理定律是等效的。引力場與以適當加速度運動的參照系是等價的，這就意味着在所有的參照系中，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，從而讓普適範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的參照系，使得該物體的運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，慣性質量等效於引力質量。也就是說，加速度的效果與引力的效果是等效的，宇宙中並不存在加速度絕對爲零的參照系。

舉個例子，你在一個絕對密閉的箱子內，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裡還是在靜止在地球上。因爲根據等效原理，這兩種狀態是等效的，無法通過任何物理手段區分。

那麼，愛因斯坦到底是如何聯想到時空彎曲的呢？

簡單說，完全是愛因斯坦“腦補”出來的，是通過他天才的大腦獲得靈感的。當然這種靈感並不是隨便迸發出來的。愛因斯坦發現，廣義相對性原理與“光線在引力場中彎曲”之間發生了衝突。根據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，那麼電磁波也應該是直線傳播的。

但這就與“光線在引力場中彎曲”衝突了，爲了調和這種衝突，愛因斯坦大膽提出“在引力場中時空會發生彎曲”的設想，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着地球旋轉，很明顯空間站一直在做非勻速運動，同時也會受到地球的引力作用，當時是非慣性系。當然，正是空間站的加速度與引力作用完美抵消，讓空間站內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，但裡面的物理定律竟然完美匹配慣性系的規律。

按照愛因斯坦的時空彎曲理論來詮釋，由於引力並不是一種力，而是時空彎曲，空間站看起來是在沿着曲線運動，事實上只是沿着彎曲的時空做勻速直線運動，也就是測地線運動。

這裡強調一下，我們看到的空間站做曲線運動，只是空間上的感受。但是時空彎曲並不是指空間彎曲，而是時空彎曲，時間和空間都發生了彎曲。

這裡就來解釋一下既然引力的本質是時空彎曲，爲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下的近似值和特例，而我們恰恰處於一個低引力世界，所以如今統治我們世界的仍舊是牛頓萬有引力定律。

到這裡，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上創建的，當然還有光速不變原理和等效原理。本質上都是對時空結構的修正。

那麼，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上都是假設，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，更需要超強的空間想象力，數學分析能力，物理綜合知識才能推導出來。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，五十年之內未必有人會提出廣義相對論！

完！