傳說有一次，英國天文學(xué)家愛丁頓在做完關(guān)于廣義相對論的通俗講演后，有人問他：“尊敬的教授，聽說世界上現(xiàn)今只有三個人懂得相對論，是這樣嗎？”愛丁頓略加思索后回答：“您也許說得不錯。不過，我在想第三個人是誰呢？”

相對論從誕生已經(jīng)過去百年?，F(xiàn)在幾乎所有的科普書都會講解相對論。光速不變、質(zhì)能方程、尺縮效應(yīng)、時間膨脹、空間彎曲、雙生子佯謬等等相信大家都耳熟能詳。但如果在前面加上一個為什么，能說清楚的人會少了很多。也許在看完書的一剎那似乎懂了，但隨后又不記得地面和太空時鐘誰快誰慢，運動的物體為啥會變短。科普里的例子和思想實驗依然不太容易理解，并非所有人都能靜下心去琢磨究竟。現(xiàn)在我們來換個思路幫你理解一下相對論，希望你看完以后能夠豁然開朗。

從真空不空說起

自從亞里士多德提出“以太”開始，人們就沒有停止過對真空的思考。光是波還是粒子，爭論了200多年。如果光是波，自然需要傳播介質(zhì)，那就是以太，真空中充滿了看不見摸不著的以太。即使牛頓提倡光是一種粒子，也沒有拋棄以太。邁克爾遜和莫雷為了檢驗以太的存在，設(shè)計了著名的邁克爾遜莫雷實驗（簡稱MM實驗）。出乎意料，MM實驗并沒有檢測到以太的存在。洛倫茲老爺子不甘心，通過高超的數(shù)學(xué)技巧推導(dǎo)出洛倫茲變換，用來解釋MM實驗。雖然無法闡明其中的物理含義，但依然堅稱以太是存在的。愛因斯坦則另辟蹊徑，直接以光速不變?yōu)榍疤幔瑨仐壱蕴?，同樣推?dǎo)出了洛倫茲變換公式，這就是狹義相對論。至此似乎已經(jīng)宣判以太死刑。

真空中真的空無一物嗎？雖然觀測不到，但空間卻實實在在存在。你可以把物質(zhì)放入真空，而不會消失，光可以在其中傳播，真空中的兩個物體之間依然有引力作用，難道真空中不應(yīng)該有點什么嗎？隨著量子力學(xué)的發(fā)展，狄拉克就猜想真空是量子漲落的海洋，里面充滿了虛粒子，產(chǎn)生后又瞬間湮滅?？ㄎ髅谞柼岢觥?strong>在真空中兩塊平行放置的中性導(dǎo)體平板之間，存在微弱的吸引力”。后來卡西米爾效應(yīng)被實驗檢測到（真空中兩塊靠的很近的中性金屬板會相互吸引，10納米的間隙能產(chǎn)生1個大氣壓的壓力）。更多關(guān)于真空不空的想法，可以參見《物理》2018年第9期《真空不空》。作者為涂濤、郭光燦 (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院)

空間的形態(tài)

人類已經(jīng)能用0和1組成極其復(fù)雜的計算機系統(tǒng)，難道上帝非要65個基本粒子才能構(gòu)建我們的世界？

既然真空可能不空，我們現(xiàn)在來假想一種空間形態(tài)，基于這個形態(tài)，在宏觀上可以解釋相對論，在微觀上可以探討量子力學(xué)。在邏輯自洽的前提下，幫助你理解相對論，以及后續(xù)要討論的量子力學(xué)。這個假想的核心是“空間量子”，世界的基本元素。對于空間的描述如下：

借用一張網(wǎng)上的分子圖片來幫助大家發(fā)揮想象。后面只能用平面示意圖來表達我的想法（如有侵權(quán)請告知）。

這里想到什么沒有？對！就是相對論里的時空彎曲。彎曲很容易產(chǎn)生一種平面感，雖然后面我的示意圖也都是平面的，但你要在腦海中構(gòu)建出立體圖像（圖片來自網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請告知）。

物體從空間A位置移動到空間B位置示意圖，移動的過程中，前面壓縮空間同時后面釋放空間。

解釋相對論

1.引力現(xiàn)象

在廣義相對論中，對引力的解釋是時空彎曲的效果，沒有太多的為什么?，F(xiàn)在我們把時空彎曲理解成空間的密度不均勻分布。如下圖所示，物體在不均勻空間中，由于空間有彈性，物體在壓縮空間后，也會受到空間的張力作用。通過簡單的力的分解可以看出，空間密度低的方向量子張力大于密度高的一側(cè)，而引力正是兩側(cè)力差造成的。

2.光速不變

光速不變指的是光速不隨光源的移動而改變，并不是速度值不變。光速不變隱含在優(yōu)美的麥克斯韋方程組里。愛因斯坦推導(dǎo)狹義相對論時，把光速不變拿來當(dāng)定理使用，一腳踢開了以太，同時并沒給出更多解釋。很多相對論的科普都用類似下面例子來描述光速不變：
你站在河邊往水面丟一塊石頭，水波往四周散開。然后你嘗試飛快奔跑的同時，往水中再丟一塊石頭，你會發(fā)現(xiàn)兩次水波散開的速度是一樣的。波的速度取決于傳輸介質(zhì)。光是一種波，所以光在真空中的速度也不會隨著光源的速度變化而變化。
人們在把光當(dāng)做波的同時，也回避了波需要傳輸介質(zhì)這個事實?，F(xiàn)在我們引入了空間量子，光的傳輸介質(zhì)又回來了。因為波的特性，光的傳播速度自然不會隨著光源的移動而改變。但光速并不是在任何地方都是30萬公里每秒。恰恰相反，光速在不同的空間密度中傳播速度有快有慢。比如在黑洞附近，由于空間密度非常大，光速不但會變慢，還會彎曲，甚至慢到無法逃脫。
宇宙中會不會有空間密度小的地方，使光的速度大于30萬千米每秒? 比如兩個星系之間。

3.尺縮效應(yīng)
相對論中的尺縮效應(yīng)，可以由引力產(chǎn)生，也可以由運動產(chǎn)生。我們先解釋前者。以地球為例，地球周圍空間在地球的拉扯下，越靠近地球的地方密度越大，遠離地球的地方逐漸變小。為了直觀理解，把空間密度畫成格子。從圖上可以看出，組成藍色物體需要4格空間，當(dāng)物體從A位置移動到B位置后，很明顯長度被壓縮了。這就是引力產(chǎn)生的尺縮效應(yīng)。

速度引起的尺縮效應(yīng)可以理解為：物體在運動時，受到的空間張力隨著速度的增大而變大，物體長度被進一步壓縮，導(dǎo)致內(nèi)部空間密度增大，質(zhì)量增大。

結(jié)論：空間密度大的地方尺短，空間密度小的地方尺長。

4.時間膨脹
時間膨脹的本質(zhì)是光速變慢。光速變慢，意味著你所在空間的一切也都變慢了?？催^《三體》的朋友應(yīng)該記得，人類考慮過把太陽系的光速降到16.7千米/秒，以此達到安全聲明，避免黑暗森林打擊。
假定我們以特定頻率光波的運動周期為基本時間單位，考慮下圖的A，B兩個位置，光子同樣前進了兩格空間，周期的跨度是相同的，即時間T。在A處紅線的距離明顯長于B處黃線的距離。A/T > B/T, 即B處的光速比A處慢，也就是說B處的時間流逝的慢。同樣的兩個時鐘，放在B處比A處走的慢。同樣，在高速行駛的飛船里，也會因為空間密度的變大導(dǎo)致時間變慢。

結(jié)論：空間密度大的地方時鐘走的慢，空間密度小的地方時鐘走的快

5.等效性原理
等效性原理說的是加速度和引力等效，在密閉空間中，你無法分辨兩者的區(qū)別。通過上面分析，我們知道引力是因為空間密度不均勻引起的，那么在加速過程中是否同樣可以產(chǎn)生密度不均勻的空間呢？
想象一下，火箭在加速時，后方的速度會先增大，然后再傳導(dǎo)到前方。由上面推論可知，空間密度和速度成正比。加速過程中后方速度始終大于前方，進而可以推導(dǎo)出前方空間密度小于后方空間密度。整個火箭內(nèi)部空間密度處于前低后高的分布，因而會產(chǎn)生引力效應(yīng)。可能你會提出疑問，如果我是從前方拉著火箭加速，那不就是前面速度快，后面速度慢，引力就反轉(zhuǎn)嗎？嘿嘿，這個問題先留給你自己考慮吧：）

6.雙生子佯謬
通過上面的時間膨脹，你已經(jīng)了解到，在不同密度的空間，時間流逝是有快有慢。運動和引力都會引發(fā)空間密度的變化。比如你和從你面前高速行駛小汽車里的人，生活在上海和生活在青藏高原的人，都處于不同密度的空間當(dāng)中。只是密度差異極其微小，以至于我們無法感受到。
假設(shè)有對雙胞胎兄弟，在他們二十歲的時候，哥哥開著速度為0.9999倍光速的飛船出去兜風(fēng)，等哥哥回到地球，請問誰變老了？如果有人問你這個問題，你可以毫不猶豫回答他弟弟變老了。誰生活的空間密度小，誰就更容易變老。由于飛船速度極快，致使其內(nèi)部空間密度遠大于地球表面。如果哥哥只感覺過了1年就回到了地球，在忽略加減速的情況下，可以算出弟弟在地球上又度過了70年，此時哥哥21歲，弟弟已是90歲的老人。在《星際穿越》中，庫珀離開地球時，女兒還是個小姑娘。最后庫珀被四維時空拋出后回到太陽系，當(dāng)他再次見到女兒時，墨菲已是百歲以上的老人。每次看到這里我都很感動。
很多人有這樣的困惑，70光年外有個星球，光飛過去都要70年。即使我有光速飛船（0.9999c），等我飛過去，豈不是要老死了？其實不然，你處于飛船中，時間變慢了，你會覺得只飛了一年就到了。
結(jié)論：誰生活的空間密度小，誰就老的快。

7.引力透鏡
這個比較好理解，不做解釋了。考慮一個問題，光在經(jīng)過星系的時候，不但發(fā)生了彎曲，還會導(dǎo)致彎曲那段速度變慢，那么我們感受到的虛像會不會更遠一些？