在深入探討現(xiàn)代物理學(xué)的深處，我們無需過多復(fù)雜的公式，便可了解相對論的由來與影響。這便是我們接下來要探討的主題。

“相對論”這個(gè)名字，一字一句都在闡釋著這一理論的核心精神。

相對論的探討焦點(diǎn)是“相對性原理”在何種條件下生效，并基于此提出關(guān)于動力學(xué)/時(shí)空結(jié)構(gòu)的理論框架。

因此，相對論的根基是相對性原理。我們不妨來探討一下相對性原理，進(jìn)而把握相對論的精髓。

那么，何謂相對性原理呢？簡而言之，在某種特定情況下，物理規(guī)律與另一種情形下是完全吻合的。在這種情況下，我們便可以說這兩種情形是等價(jià)的，而它們之間的差異則被稱為“相對的”，無一情形在另一情形之上。

上述的討論或許顯得較為抽象，讓我們以狹義相對論中的“慣性系”的相對性原理為例來進(jìn)行說明：

在一個(gè)觀察系統(tǒng)中，無論是靜止還是勻速運(yùn)動的坐標(biāo)系，其物理規(guī)律都是一致的。用通俗的語言來描述就是，“你身處一個(gè)封閉且絕對平穩(wěn)的勻速運(yùn)動的車廂內(nèi)，通過任何物理實(shí)驗(yàn)，你都無法得知自己是在移動，亦無法測得自身的移動速度”?；谶@一點(diǎn)，我們可以認(rèn)為，直觀上的靜止參考系（比如地面系統(tǒng)）和勻速運(yùn)動的參考系（例如勻速移動的車廂）之間并無本質(zhì)差異，靜止參考系并不具備特殊地位，它們之間的運(yùn)動本質(zhì)上是相對的。你既可以說車廂靜止而地面在移動，也可以說地面靜止而車廂在移動，從物理的角度來看，這兩種說法并無二致。

這就是狹義相對性原理的精髓——“所有的慣性坐標(biāo)系遵循相同的物理規(guī)律，它們彼此等價(jià)，沒有任何一個(gè)特別突出。它們之間的運(yùn)動是相對的?！?/p>

這打破了古人的固有認(rèn)知。在過去，人們普遍認(rèn)為，宇宙中必然存在一個(gè)“絕對靜止的系統(tǒng)”，它在所有參考系統(tǒng)中擁有特殊地位。（例如“以太”理論）。

了解到這一點(diǎn)，我們?nèi)绾瓮ㄟ^這個(gè)原理推導(dǎo)出狹義相對論呢？關(guān)鍵在于應(yīng)用電動力學(xué)理論的“麥克斯韋方程組”。電動力學(xué)預(yù)言了光速的存在，并得到了驗(yàn)證。在電磁場理論中，我們可以無需任何參考直接計(jì)算出光速，而它是一個(gè)常數(shù)。根據(jù)狹義相對性原理，難道不是“所有慣性參考系中的光速都是相等的”嗎？

起初，人們很難相信，在地面參考系以及相對于地面速度v的參考系中，測量到的同一束光的速度，怎么可能相同？它似乎不符合速度疊加的原理（伽利略變換）！

在此時(shí)，數(shù)學(xué)領(lǐng)域的大師（洛倫茲）提出了一種數(shù)學(xué)上的可能性（洛倫茲變換），如果時(shí)空結(jié)構(gòu)并非固定不變的（同一物體在不同參考系下的長度可以不同，同一段時(shí)間在不同參考系下的長度也可以不同），那么就有可能做到“所有慣性參考系中的光速都相同”。

于是，我們迎來了一個(gè)著名的選擇題。選項(xiàng)1：麥克斯韋方程組有誤，光速并非不變。選項(xiàng)2：絕對時(shí)空觀（伽利略變換）錯(cuò)誤，不同參考系下，長度和時(shí)間并非不變。愛因斯坦選擇了后者，由此創(chuàng)立了狹義相對論（實(shí)際上，愛因斯坦幾乎是直接得出結(jié)論的，并沒有花費(fèi)太多時(shí)間）。

假若你是1900年的物理本科畢業(yè)生，已經(jīng)掌握了微積分、矢量分析、經(jīng)典力學(xué)以及電動力學(xué)，并且你的數(shù)學(xué)思維能力足夠強(qiáng)（比如高考數(shù)學(xué)能達(dá)到140的水平），你完全有可能在不曾學(xué)習(xí)過相對論的情況下，僅基于“所有慣性參考系中的光速都相同”以及“絕對時(shí)空觀（伽利略變換）錯(cuò)誤，不同參考系下，長度和時(shí)間并非不變”這兩條，推導(dǎo)出包括洛倫茲變換和E=mc平方在內(nèi)的所有狹義相對論結(jié)論。具體的推導(dǎo)過程可以在各種教科書中找到。

狹義相對論推翻了基于伽利略變換的絕對時(shí)空觀，維護(hù)了相對性原理。從實(shí)驗(yàn)的角度來看，早在相對論提出之前，著名的光速測量實(shí)驗(yàn)，就已證實(shí)了光速不變的原理（在地面上，向各個(gè)方向傳輸?shù)墓猓瑴y出的光速都是相同的。但地面并不是靜止的，地球在自轉(zhuǎn)，在公轉(zhuǎn)，為什么恰好地面就是那個(gè)最特殊的“絕對靜止”的系統(tǒng)呢？）。

雙生子悖論在狹義相對論的框架下可以得到解釋，并不需要廣義相對論的介入，不過數(shù)學(xué)方面非常復(fù)雜，我無法在此進(jìn)行科普。）在狹義相對論完成后，洛倫茲變換構(gòu)成了完美的時(shí)空觀，并且我們知道速度是相對的，沒有絕對速度為0的坐標(biāo)系。從運(yùn)動學(xué)的角度來看，我們會很自然地想到一個(gè)問題，那就是加速度又會如何？速度v是相對的，沒有速度絕對為0的坐標(biāo)系。但是加速度呢？是否存在一個(gè)絕對加速度為0的坐標(biāo)系？

乍一看，加速度似乎有絕對的0。狹義相對論并沒有否認(rèn)這一點(diǎn)，它也符合一些基本的實(shí)驗(yàn)。例如我們手機(jī)中的加速度計(jì)，可以感知加速度，用于記步、體感游戲、重力感應(yīng)等。在地面上，一個(gè)完全封閉的勻加速車廂中，我有辦法測出自己的加速度。這時(shí)情況似乎變得不太妙，怎么速度是相對的，加速度卻是絕對的？宇宙中還是有絕對的東西嘛。

在狹義相對論發(fā)表之后，愛因斯坦花了10年時(shí)間解決了這個(gè)問題，那就是加速度也是相對的?。?！

“任意非慣性參考系中的物理規(guī)律等同于受到等效引力的參考系中的物理規(guī)律”，換句話說，就是“在封閉的車廂內(nèi)，你無法通過任何物理實(shí)驗(yàn)區(qū)分你是在加速還是受到大質(zhì)量物體的吸引”，這就是廣義相對性原理。這句話也可以表述為“物體的慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量”。

換句話說，在有質(zhì)量的宇宙中，加速度的效果（非慣性力）和引力的效果是等同的。并不存在絕對加速度為0的坐標(biāo)系。

但這還不是全部，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，總要犧牲一些東西吧（狹義相對論放棄了絕對的時(shí)間/長度）。在這里，我們放棄了時(shí)空的平直性。即質(zhì)量會導(dǎo)致時(shí)空的扭曲。怎么理解這一點(diǎn)呢？舉個(gè)例子，空間站繞地球運(yùn)行，空間站在做非勻速運(yùn)動（非慣性參考系，有加速度），同時(shí)受到地球引力的作用。這兩者完美抵消，導(dǎo)致空間站內(nèi)部感覺不到引力也感受不到非慣性力（空間站明明是非慣性參考系，其中的物理規(guī)律卻完美符合慣性參考系的規(guī)律）。

為了解釋這種抵消，愛因斯坦認(rèn)為引力并不是一種力，而是時(shí)空的扭曲。你看起來空間站是在走曲線（圓周運(yùn)動），實(shí)際上它是在扭曲的時(shí)空中走勻速直線（測地線）。而這種扭曲是由地球的質(zhì)量造成的。（注意這里是時(shí)空的扭曲，不僅限于空間的扭曲。比如你在自由落體的車廂內(nèi)，會完全失重。此時(shí)你在被地球扭曲的時(shí)空中走的是勻速直線，在現(xiàn)實(shí)時(shí)空中看起來走的是勻加速直線，時(shí)間和空間都發(fā)生了扭曲。）

好了，有了廣義相對性原理，再加上時(shí)空可以發(fā)生扭曲，我們就可以推導(dǎo)出廣義相對論的方程了，即物質(zhì)（具有一定的質(zhì)量和運(yùn)動狀態(tài)，包括速度、旋轉(zhuǎn)等）會導(dǎo)致怎樣的空間扭曲才能滿足廣義相對性原理（即愛因斯坦方程）。此時(shí)1900年的物理本科+140分的高考數(shù)學(xué)能力已經(jīng)不足夠了。因?yàn)檫@涉及到微分幾何。但如果你是數(shù)學(xué)競賽能得全國一等獎的人，再學(xué)過黎曼幾何，那么在沒有學(xué)過廣義相對論的情況下，僅通過廣義相對性原理，你仍然可以推導(dǎo)出愛因斯坦方程。由于當(dāng)年黎曼幾何也不是很成熟，而且難度很高，這個(gè)推導(dǎo)過程并不是幾天就能完成的。第一次推導(dǎo)用了十年，而這是愛因斯坦這樣的天才所為。

以上就是相對論的基本假設(shè)，即狹義/廣義相對性原理，以及為了滿足這一原理所放棄的人們固有的認(rèn)識（空間和時(shí)間長度是絕對的/時(shí)空是平直的）。

作為總結(jié)，相對論，就是通過在某些情況下選擇某種相對性原理（所有的慣性參考系等價(jià)/非慣性參考系與引力作用等價(jià)），修正以往對時(shí)空結(jié)構(gòu)的認(rèn)知（絕對長度，絕對時(shí)間，伽利略變換/時(shí)空平直性），對已有物理現(xiàn)象進(jìn)行更精確合理解釋的理論。

至于愛因斯坦選擇的這兩條相對性原理是否正確。。。并不一定正確，但目前所有的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)它是正確的。

愛因斯坦搞出相對論，比我這里所述的“僅根據(jù)狹義/廣義相對性原理，承認(rèn)時(shí)空觀可以打破，推出主要結(jié)論”要難得多。因?yàn)橄鄬φ撟钔黄频牡胤?，是定義了狹義/廣義相對性原理，確定了哪些時(shí)空觀可以被打破，而不是后續(xù)的推導(dǎo)過程。后續(xù)推導(dǎo)的是數(shù)學(xué)，而相對性原理和時(shí)空觀才是物理的本質(zhì)。

我深信，理解狹義相對論，重點(diǎn)不在高深的數(shù)學(xué)造詣，而在于打破舊有的時(shí)空認(rèn)知。故我斷言，只要秉持著對狹義相對性原理的堅(jiān)定信念，一位高考數(shù)學(xué)得分140分，且在1900年完成物理學(xué)本科課程的人士（涵蓋經(jīng)典力學(xué)、電動力學(xué)、微積分及矢量分析等領(lǐng)域）應(yīng)當(dāng)有能力完成相關(guān)推導(dǎo)。僅僅擁有高中數(shù)學(xué)140分畢業(yè)的學(xué)子可能還力所不及，因?yàn)樗麄儍H顯示出了數(shù)學(xué)的潛能，而并非擁有完整的物理學(xué)和幾何學(xué)知識。我猜想，在國內(nèi)那些高考數(shù)學(xué)分?jǐn)?shù)超過140分，并已經(jīng)學(xué)完物理學(xué)本科課程的學(xué)生們，要理解狹義相對論的主要原理應(yīng)該是不在話下的。

廣義相對論的學(xué)習(xí)則要復(fù)雜得多，它真的需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，空間想象力和深厚的物理知識。我個(gè)人也只能在教科書的引導(dǎo)下完成過一次推導(dǎo)，如果有人單憑廣義相對性原理就能獨(dú)立完成推導(dǎo)，那絕對是天才中的天才（然而愛因斯坦就做到了，而且還是邊探索邊完成的。到了今天，肯定已經(jīng)有很多人具備這種能力了）。