深度科普: 如何通俗理解爱因斯坦的狭义和广义相对论? 其实并不难

在这个宇宙的神秘面纱背后，相对论以一种势不可挡的姿态揭示了它的样貌，再次让我们意识到人类在宇宙面前的无知与渺小。

在探讨这个话题之前，先来对比一下量子力学与相对论的差异：

首先，量子力学是诸多科学家智慧的结晶，而相对论基本上是爱因斯坦一人独立完成的。

其次，量子力学如同涓涓细流汇成大海，从普朗克开始的点滴积累，而相对论却是突然降临，几乎是一蹴而就的。

第三，无论量子力学如何不可思议，它都是从实验现象出发，为了解释这些现象而形成的理论公式，而相对论则是由爱因斯坦提出的设想，之后才根据理论去寻找实验验证。

第四，量子力学为科学家们赢得了无数诺贝尔奖，但相对论自诞生以来却始终无缘获奖。

第五，量子力学已广泛应用于现实生活中，许多人可能并不知晓，误以为量子力学只是物理学者的学术游戏。实际上，现代科技的许多辉煌成就都得益于量子力学，而相对论主要只在校准计算中有所应用，并未直接促进生产技术的发展。

第六，量子力学主要应用于微观世界，如电子、质子等粒子，而相对论主要应用于宏观世界，如恒星、时间和空间等概念。

第七，量子力学所描绘的世界是片段化的、量子化的，与之相反，相对论所呈现的世界则是连续的。

你会不会也觉得这些巧妙的巧合太过分了，让人怀疑这是上天在跟人类开个大玩笑。相对论和量子力学就像是精心安排好的一场戏，彼此矛盾却又都令人震惊，不断折磨着一代又一代的物理学者！

物理学者天生就有「大一统思想」，渴望将宇宙中的所有规律总结为一个公式。为了融合这两个理论，人类付出了巨大的努力，而这一可歌可泣的故事，我们日后再慢慢讲述。

在经典物理学时代，同样有一个大统一的故事。经典物理在牛顿时代蓬勃发展后，逐渐走向统一。

在追求大统一的过程中，最耀眼的成就非「麦克斯韦方程组」莫属，它至少位列人类最伟大的公式前三名！

这个故事其实很简单：原本「电」与「磁」是两个独立的领域，但法拉第Q发现电磁感应之后，大家明白电和磁其实暗通款曲，只是缺少一个桥梁。正当众人焦虑无计可施之际，麦克斯韦大笔一挥，让电和磁成了一家人。

麦克斯韦方程组以极其优美的形式，完整地阐述了电和磁的相互转化规律，它堪称物理学界的瑰宝。作为瑰宝，自然会吸引各路人物，其中就包括我们的主角，爱因斯坦。

爱因斯坦对「光」有着特别的兴趣，而光是一种电磁波，由麦克斯韦方程来描述。于是，爱因斯坦沉迷于研究这组方程，仿佛杨过悟出了黯然销魂掌。经过深入研究，爱因斯坦提出了一个惊世假设：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，我骑车速度为10，一辆车开过你速度为50。正常情况下，车对你的速度就是50，对我来说就是40。

如果场景中的车换成「一束光」，那么对你来说光速是30万，对我来说就是29万9990，对吧？但爱因斯坦表示，我们对「光」的了解太少了，无论我们的速度如何，光速始终是30万。

哪怕我速度为0，而你速度达到29万9999，同一束「光」经过我们，对你来说光速还是30万，对我来说也一样。

这束光到底是不是两束光？其实是同一束光，只不过在不同观察者看来，光速始终恒定。这就是相对论的基础假设：光速不变原理！

为何将「光速绝对不变」命名为「绝对论」，而非「相对论」？

「相对论」这一概念与「绝对时空观」相对。学术上说，所有惯性参照系中的物理定律数学形式相同，被称为「相对性原理」，这是相对论的第二个假设。可能你不太明白这句话的含义，别担心。

这个议题还带有些哲学的味道。

回到之前的场景，我骑车速度为10，你站在路边不动。假设整个宇宙只剩你我，那么到底谁在动？

在我看来，你和我都在动。为了明确谁在动，就称之为「我相对于你的速度是10」。这在高中物理中常见，现代人不难理解，但在当时「以太」学说的背景下，就不同了。

「以太」是什么？

这是亚里士多德这位学者提出的观点：空间由以太构成，只是我们看不见。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」。这构成了牛顿时代的「绝对时空观」。

当时，这是一个主流观点。著名科学家迈克尔逊，诺贝尔物理学奖得主，这位科学巨擘一直在寻找以太，然而经过8年的努力，他亲手终结了以太理论。

“光速的恒定性”以及“相对性原理”，难道就这样？难道这就能改变整个世界？是的，就是这两点，大家注意了，理论物理学的大师爱因斯坦要开始飙车了！

假设这位理论物理学的大师将车速提升至光速的一半，紧接着，车顶射出一道光，垂直投射到地面。对于车厢中的乘客而言，车辆是处于静止状态的，如同在无动于衷的车里投下一束光，那么结果显而易见，这束光就笔直地射向地面而已。因此，这束光走过的距离便是车箱的高度，耗时为：车箱高度/光速。

但对车外的观察者而言，情况就不那么简单了。这道光是在行进中的车厢内垂直下降的，而在此过程中，车厢持续移动，因此，光走过的实际上是一条斜线。

这就好比在车厢顶部发射一颗子弹至地面，在车厢内部的人看来，子弹是垂直下坠的，但从车厢外的人角度来看，子弹是斜线着地的，斜线移动的距离显然会超过直线移动的距离。

在传统物理学的范畴中，这一点并不成问题。因为子弹的速度是叠加上车辆的移动速度，所以子弹的实际速度有所增加，即便移动的距离更远，但最终所花费的时间是一致的。

然而，爱因斯坦却说，光速是固定不变的，无论车辆的移动速度如何变化，光速始终是那个恒定值，因此，问题变得复杂了，因为路径更长了，而光速又恒定不变，那么计算下来时间自然也要更长了！

对同一事件，车厢内的时间似乎要比车外的时间要长，这似乎难以解释吧。

爱因斯坦却说，这有什么不可以呢，光速是不变的，唯有让时间做出妥协了，是的，车厢内的时间膨胀了！

时间这种摸不着看不见的东西，爱因斯坦说怎样就是怎样。我们换个例子来考虑。

在车辆行驶过程中，如果在车厢的正中心闪光，就像点亮一个电灯泡，对于车厢内的人而言，车辆是静止的，那么光线应当是同时照亮前面和后面的壁面。但对于车外的观察者来说，车辆在移动，而光速保持不变，所以光应该先照亮后壁，然后再照亮前壁。这不再仅仅是时间膨胀与否的问题了。

如果在前后壁分别安装接收器，那么这两个接收器是同时接收到信号，还是有先后之分呢？

爱因斯坦会说，你们根本不知道什么叫“同时”。如何判断在两个不同位置发生的两件事是否同时发生呢？当这两件事发生时，各自发射一个闪光信号，如果这两个闪光信号同时到达两地的中间位置，那么我们就认为这两件事是同时发生的，否则就是不同时。因此，车厢内的人认为是同时的，而车厢外的人则认为不是同时的，“同时”这个概念也是相对而言的。

各位是否明白？在这一切中，“光”得到了爱因斯坦的偏爱，时间也要跟随光的步伐。

再举一个例子，假设太阳突然消失，那么8分钟后，地球会得知这一消息。那么地球人是否有可能在太阳消失的一瞬间就得知这一消息呢？爱因斯坦会说，这是不可能的。即使太阳消失，地球仍然可以感受到阳光，感受到太阳的引力，无论采取何种方式，在8分钟内是不可能得知太阳消失的消息的。

即便是从太阳上打电话给地球，无线电信号也需要8分钟才能抵达地球。那么，对于地球人来说，太阳是8分钟前消失的还是现在消失的？

好的，我承认我已经有些混乱了，那我们就继续把这个问题搅得更乱一些。车厢内的人要怎么测量车厢的长度呢？

这很简单，直接用一把尺子量就可以了。但对于车厢外的观察者来说就不太容易了，因为车厢是在移动的，而你手中的尺子是静止的。

你必须在同一时间记录下车头和车尾的尺子读数。如果按照爱因斯坦定义的“同时”来操作，那么你测量的结果会发现，移动中的车厢比静止的车厢要短一些，这个结论似乎有些牵强？

爱因斯坦却说，在“光”面前，连时间都可以妥协，长度又算得了什么呢！沿运动方向的物体长度会收缩，这被称为“长度收缩效应”，或者简称“尺缩效应”。好了，既然质量也与时间和速度相关，那么质量自然也无法保持原状了。

是的，因为时间与速度相关，速度又与动能相关，动能又与质量相关，由此推导下来，质量也就不再是原来的质量了。爱因斯坦说：质量会随着速度的增加而增加，再结合动量和动能公式，我们就得到了著名的质能方程：E=MC 的平方。

尽管爱因斯坦把时间、长度和质量搅得乱七八糟，但归根结底，这不过是运动参照系和静止参照系之间的公式转换。擅长数学的同学可能已经开始炫耀了，时间膨胀、长度缩短、质量增加，这些都可以通过“洛伦兹变换”来推导。

去研究这些公式，你就会明白为什么爱因斯坦不喜欢超光速了，因为根据这些公式，一旦物体达到光速，时间会变得无限慢，长度会变得无限小，质量会变得无限大，这种荒谬程度连爱因斯坦自己都无法接受了。

我们注意到，之前所述的所有假设都是在匀速和静止的条件下讨论的，这种场景仅适用于理想状态，应用范围相对狭窄，因此被称为“狭义相对论”。

而在现实生活中，往往还需要在系统中加入引力或加速度等因素，适用范围更广泛，这就是所谓的“广义相对论”。

广义相对论不仅概念独特，其数学模型亦是错综复杂，爱因斯坦不得不向数学高手格罗斯曼求助，共同撰写了《广义相对论纲要和引力论》。这篇划时代的论文，对于非数学和物理专业的学生来说，可能需要绕道而行，以防引起不适。

英籍科学巨擘爱丁顿，不仅是爱因斯坦的忠实粉丝，也是首位将广义相对论介绍至英语世界的学者。

有一次，某人对爱丁顿发问：「尊敬的教授，世间唯有三名学者能理解相对论，此言当真？」爱丁顿沉思片刻，答曰：「您所言或许不假，但我好奇，这第三位学者究竟为谁？」

这则轶事最终演绎成如今广为人知的流言：全球唯有三人通晓相对论。这当然过于夸张，但不可否认，广义相对论的复杂程度的确超过了量子力学。

玻尔曾言，量子力学初学不会，倒过来说，多学几次尚有领悟之机。至于广义相对论，对普通人而言，唯有硬着头皮尝试，能一知半解便是幸事。

以下是对广义相对论的简化解释：

假设一位司机猛踩油门，车辆加速行驶。一束光从车内顶棚射向地面，光速恒定，而车辆加速度增加，仿佛水流向下，车辆在加速，水流便会呈现弯曲，那么光的传播路径亦是弯曲的。

爱因斯坦认为，光速恒定不变，那么只能归咎于空间弯曲！这似乎有些牵强，难道不是自己在扭曲吗？爱因斯坦坚持，空间本身在弯曲。

爱因斯坦进一步解释，「引力」与「加速度」效果等同，引力也会导致空间发生弯曲。试想，若引力足够强大，空间弯曲至极，像折叠纸张般将远处两点弯曲重合，会发生何种奇景？

没错，虫洞的概念由此诞生！若能撕裂空间，开一虫洞，即可从一点瞬移至另一点，实现梦幻般的空间跳跃。

至此，你或许仍觉得这全是无稽之谈，斥责爱因斯坦不过是招摇撞骗的江湖术士。

相对论就像被埋藏于物理学殿堂的炸药，只待一点火花。然而，不久之后，无数火花纷至沓来，将传统物理学的宏伟大厦炸得粉碎。

1911年，爱因斯坦发表了《引力对光传播的影响》，指出太阳的引力和质量会造成周边空间弯曲，导致光线在经过太阳附近时发生偏折，该现象可在日全食时观测到。

爱丁顿成功说服英国政府资助了这项看似荒诞的实验。实验结果显示，恒星的位置确实发生了微小偏移，与相对论的计算不谋而合。爱丁顿感慨万分，称这个微小的偏移彻底改变了世界。

爱因斯坦因此一夜成名，卓别林的一句妙语准确地描绘了当时的场景：「人们为我喝彩，是因为他们理解我的艺术，而人们为爱因斯坦欢呼，是因为他们不懂他的科学。」

困扰天文学界的水星近日点进动问题也因相对论得到了完美解答。水星在近日点时会出现一些额外的进动（普通人或许可以理解为，水星靠近太阳时，会发生某种奇异的摇摆），每百年多出的43角秒进动无法用传统理论解释。

爱因斯坦通过计算得出，太阳对空间的弯曲效应正好是每百年43角秒，与观测数据完全吻合。这意味着，额外的进动是由空间弯曲所引起。后续对金星的观测数据也与相对论的预测相符。

为验证引力和速度对时间流逝的影响，科学家们将原子钟送入外太空，由引力导致的时间差异也与相对论的预测分毫不差。

所有实验均证明，相对论绝非空想，而是建立在科学依据之上的理论。

相对论以不可逆转的姿态揭开了宇宙的神秘面纱，再次提醒人类自身的局限与渺小。

不得不再次对爱因斯坦致以敬意！在当时，人们还沉浸在量子力学带来的震撼之中：物质具有波动性、粒子位置充满不确定性，而相对论对空间的描绘却是连续的、可精确计算的、与量子力学截然不同，这无异于逆天而行。

谁也未曾预料到，天公作美，竟同时为人类送上两份风格迥异的礼物！更难能可贵的是，爱因斯坦不仅是量子力学的奠基者之一，还是相对论的创始人，这种「左右互搏」的才情，虽不敢说「后无来者」，至少是「前无古人」。

因此，在物理学的历史长河中，爱因斯坦仅次于开天辟地的牛顿，位居第二。

尽管如此，相对论的实际应用屈指可数，通常仅用于校准各类观测数据和实验设备，例如GPS定位修正、高能粒子质量与寿命的变化，或预测引力波的存在等。

回顾广义相对论的起源，爱因斯坦在证明光速不变的过程中，让无数物理学家陷入疯狂。

相对论与量子力学将科学的主干分裂为两个截然不同的方向，但科学家们坚信，万物的本质终将融为一体。过去一个世纪里，人们梦寐以求的就是统一这两大理论，然而至今无人能及。

尽管前路艰险，科学家们依然孜孜不倦地追求着统一的大目标。近年来，热门的「超弦理论」和大型对撞机实验，正是人类在追求统一理论道路上新的尝试。