小白都能懂得相对论解释--相对论提出背景

说起狭义相对论，大家肯定会想到天才爱因斯坦的高智商，肯定大家脑海中的第一印象就是相对论深奥、难懂。的确，对于普通人来讲，我们除了知道爱因斯坦本人和他最著名的质能方程式：E=MC²之外，从相对论提出到现在已经一百多年过去了，对于相对论再说什么，为什么这么颠覆，对大部分人来讲都是一无所知的。

那么今天笔者尝试用最简单的、最通俗的方式来和你说说相对论再说什么，当然前提要你有基本的初中物理知识。

首先，我们回到提出相对论的原点。

一、伽利略变换

19世纪之前，人类对世界主要的了解依然停留在宏观层面，也就是可以通过肉眼直接看到的周围世界。由于我们每天都接触到它，因此我们对它的了解最为直观，对它所显现出的规律也最容易理解，比如：牛顿力学、焦耳热学和麦克斯韦电动力学等。

到了20世纪，科学的发展使得科学家们观察到一些和我们宏观世界的经验完全不同的现象，这些现象是过去牛顿、焦耳和麦克斯韦的经典物理学无法解释的。

一开始，物理学家们试图用旧理论对新现象进行牵强的解释，还设计了各种实验，但是怎么也解释不通。最后，物理学家们不得不承认，建立物理学大厦的一些最基本假设可能就是错的，比如说，大家觉得之前不证自明的伽利略变换是不是就有问题。

那么什么是伽利略变换呢？著名物理学家伽利略认为：

在任何惯性系中，力学规律保持不变，物体在参考系中不受力会保持静止或者匀速直线运动的状态，这个参考系就是惯性系。

怎么理解呢？我们不妨来做下思维实验：

比如坐高铁，速度是300公里／小时。如果我们从火车的后部以每小时5公里的速度往前走，我们相对铁路旁静止的电线杆的速度则是300+5=105公里／小时，当然当我们以每小时5公里的速度往火车后面的车厢走时，我们前进的速度就是300-5=295公里／小时。

也就是说，我们前进的速度是我们自己行进的速度，叠加上火车这个参照系的移动速度。
这种速度直接叠加的坐标变化就是伽利略变换。伽利略变换符合我们生活的常识，牛顿的所有物理学理论和其它经典的力学理论都是建立在伽利略变换基础上的。

相信这点，只要学过初中物理的人都能理解，因为这些是符合我们人的直觉认知的。

二、洛伦兹变换

但是随着科学家对电磁学的发展，例如麦克斯韦在研究电磁学时，就发现伽利略变换好像有问题了。麦克斯韦总结出一组电磁学方程组，也被称为麦克斯韦方程，其正确性被大量实验所证实，是不容置疑的。
但是，麦克斯韦方程组在数学上是有漏洞的，因为它居然不能够像经典力学的公式那样，把参照系的影响直接叠加上去。说得直白点，麦克斯韦方程中没有时空参照系，我们日常使用的参照系的概念，在电磁学理论那里不适用了。那么到底是麦克斯韦的理论错了，还是我们的常识，也就是伽利略变换错了呢？

物理学家为了给一个符合逻辑的解释，假设宇宙中有一种无所不在的物质叫做“以太”，它是绝对静止的参照系，所有的物体，包括麦克斯韦研究的电磁波，大家平时的运动速度速度都和它相比，这样就硬往麦克斯韦方程中塞进去一个参照系，看起来就没有矛盾了。
为了证实这个假说，美国科学家迈克耳孙与莫雷设计了一个实验来证实以太这个虚构的参照系的存在。结果很遗憾，实验得到了相反的结论，以太这种绝对的参照系并不存在，而且发现，光速不论在什么样的参照系里都是恒定的。

这个结论相当于：

如果在高速行驶的高铁上往前用探照灯打一束光，和往后打一束光，不会因为前面的一束有速度的叠加就变得更快，而后面的有光速和高铁速度相抵消，就变得更慢。

这个结论显然不符合我们的常识。

荷兰物理学家洛伦兹干脆作了一个假设:

设定光速是不变的，时间是可以随着运动变长变短的。

然后他就用这种方法把经典物理学的公式和麦克斯韦方程组，重新整理了一遍，最后发现电动力学和经典物理学的矛盾居然就消失了。
洛伦兹的这一堆建立在光速恒定基础上的公式，被称为“洛伦兹变换”。

三、光速是恒定的

光速恒定的发现让人们对牛顿定律产生了疑惑，既然运动都是相对的，那这光速对于不同的人来说就应该是不一样的啰，可所有精确的测量仪器都显示出，无论观测者怎样运动，光速都是惊人的一致，分毫不差，这是怎么回事呢？

这个问题一直困扰着科学家们，这个时候大神爱因斯坦横空出世。
1905年，在瑞士专利局工作的一名26岁小职员，提出了一种颠覆性的解释：

只要抛弃绝对时间的观念，一切就都迎刃而解了。

光速是用光走过的距离除以时间来计算的，牛顿定律告诉我们每个人都有自己测量距离的尺子，因此他们在光走过的距离上不会达成一致，那如果每个人也都有自己的时钟，他们在时间上也没有达成一致，用不同的距离除以不同的时间，结果正好一样，这不就解释了光速一致的问题了吗？

这就是狭义相对论的主要内容了，运动是相对的，时间是相对的，但是光速是恒定的。

根据相对论的推断，物体的运动速度越快，它自带的时钟就走得越慢，只不过这个效应只有当速度十分接近光速时才比较明显，因此对于远低于光速的我们来说，对这一丁点时钟的变化根本不会察觉，即使你坐飞机出行，在飞机上和飞机下面时间的差异大约只有一万亿分之一。

四、狭义相对论和广义相对论

此时的狭义相对论几乎完美地解决了困扰牛顿定律的所有问题，但还差一项没有囊括，那就是万有引力。还记得笔者之前写的文章吗？《万有引力不是一种力，而是因为...》。

根据牛顿的理论，只要有质量就会有引力，质量如果没有了，引力就没有了，如果此时太阳突然消失了，那地球瞬间就失去了太阳引力而停止公转，可诡异的是，由于光速有限，我们还能看见太阳留在空中，直到8分钟后才消失，这让相对论很头疼，不是说光速最快吗？怎么好像引力跑得比光还快呢？

在1915年，爱因斯坦将相对论扩展到包住了万有引力，为了和之前的理论相区别，他将新理论称之为“广义相对论”，而将之前的称为“狭义相对论”。