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行說明：

在一個觀察系統(tǒng)中,，無論是靜止還是勻速運動的坐標(biāo)系，其物理規(guī)律都是一致的,。用通俗的語言來描述就是,，“你身處一個封閉且絕對平穩(wěn)的勻速運動的車廂內(nèi)，通過任何物理實驗,，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,，我們可以認為，直觀上的靜止參考系（比如地面系統(tǒng)）和勻速運動的參考系（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，沒有任何一個特別突出,。它們之間的運動是相對的,。”

這打破了古人的固有認知,。在過去,，人們普遍認為，宇宙中必然存在一個“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,，我們?nèi)绾瓮ㄟ^這個原理推導(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,，并得到了驗證,。在電磁場理論中，我們可以無需任何參考直接計算出光速,，而它是一個常數(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,，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,，我們迎來了一個著名的選擇題,。選項1：麥克斯韋方程組有誤，光速并非不變,。選項2：絕對時空觀（伽利略變換）錯誤,，不同參考系下，長度和時間并非不變,。愛因斯坦選擇了后者,，由此創(chuàng)立了狹義相對論（實際上，愛因斯坦幾乎是直接得出結(jié)論的,，并沒有花費太多時間）,。

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（比如高考數(shù)學(xué)能達到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“絕對時空觀（伽利略變換）錯誤，不同參考系下,，長度和時間并非不變”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空觀,，維護了相對性原理。從實驗的角度來看,，早在相對論提出之前,，著名的光速測量實驗，就已證實了光速不變的原理（在地面上，向各個方向傳輸?shù)墓?，測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。從運動學(xué)的角度來看,，我們會很自然地想到一個問題,，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這一點,，它也符合一些基本的實驗,。例如我們手機中的加速度計，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年時間解決了這個問題，那就是加速度也是相對的?。,。?/p>

“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驗區(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，為了實現(xiàn)這一點,，總要犧牲一些東西吧（狹義相對論放棄了絕對的時間/長度）,。在這里，我們放棄了時空的平直性,。即質(zhì)量會導(dǎo)致時空的扭曲,。怎么理解這一點呢？舉個例子,，空間站繞地球運行,，空間站在做非勻速運動（非慣性參考系，有加速度）,，同時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，愛因斯坦認為引力并不是一種力,，而是時空的扭曲,。你看起來空間站是在走曲線（圓周運動），實際上它是在扭曲的時空中走勻速直線（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。此時你在被地球扭曲的時空中走的是勻速直線，在現(xiàn)實時空中看起來走的是勻加速直線,，時間和空間都發(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,。因為這涉及到微分幾何,。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識（空間和時間長度是絕對的/時空是平直的）。

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/非慣性參考系與引力作用等價），修正以往對時空結(jié)構(gòu)的認知（絕對長度,，絕對時間,，伽利略變換/時空平直性），對已有物理現(xiàn)象進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,，但目前所有的實驗都證實它是正確的。

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,，承認時空觀可以打破,，推出主要結(jié)論”要難得多。因為相對論最突破的地方,，是定義了狹義/廣義相對性原理,，確定了哪些時空觀可以被打破，而不是后續(xù)的推導(dǎo)過程,。后續(xù)推導(dǎo)的是數(shù)學(xué),，而相對性原理和時空觀才是物理的本質(zhì)。

我深信,，理解狹義相對論,，重點不在高深的數(shù)學(xué)造詣，而在于打破舊有的時空認知,。故我斷言,，只要秉持著對狹義相對性原理的堅定信念，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，因為他們僅顯示出了數(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)分數(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,，它真的需要扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),，空間想象力和深厚的物理知識。我個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）。