相对论到底说了些什么，你也能看懂

一说到科学家，恐怕大多数人的第一联想都是这个名字——爱因斯坦，也都知道这位神人不明觉厉的伟大成就——相对论。不过很多人对爱因斯坦的印象，只是个不修边幅的科学怪人，相对论更是个遥不可及的神秘概念，甚至难以分清它到底是科学还是科幻。

爱因斯坦

爱因斯坦

那相对论到底是什么呢？其实很简单，如果你待在一位美女身边，哪怕过了几小时，你觉得好像只有一分钟，但如果你待在一个火炉旁边，就算只有一分钟，你也觉得好像过了几小时，这就是相对论。哈哈，别笑，这就是爱因斯坦自己说的原话。虽然是句玩笑，但点出了相对论的精髓：时间是相对的。

神秘的相对论

神秘的相对论

什么意思？这就得从头说起了。

话说在公元前4世纪，上古大神亚里士多德认为，万物的自然状态是静止的，给物体一个力它才运动起来，力越大运动越快，不给力了它就停了，这和人们日常的经验是很相符的，因此这个概念被人们深信不疑长达1800多年。1800年有多久？相当于中国的战国到清朝。

终于另一位泰斗伽利略出现了，他在比萨斜塔上举着一大一小两个铁球对前辈的理论发出了挑战——亚里士多德曾预言，重的铁球受的重力更大，因此会下落得更快，想想也挺符合直观感觉的，但伽利略更愿意用实验来说话。

当两个铁球同时落地时，人们惊讶得目瞪口呆，无所不知的亚里士多德居然错了，重的东西和轻的东西原来下落得一样快。科学也由此迎来了真正意义上的启航。

两个铁球同时落地

两个铁球同时落地

在这之前，大多数的科学和哲学、神学是搅和在一起的，科学理论也往往是通过纯粹的思维来描述的，在此之后，科学逐渐独立出来，实验成为了科学发展的源泉，新理论的提出必须能解释所有的实验现象，并且能够做出一些预言，如果新的实验现象与预言相符，则被认为是好的理论，否则只不过是伪科学。

这样看来，科学其实相当脆弱，一个理论就算有再多的实验成功也只能得到一定程度上的证明，而只要一次实验失败就会被推翻，也因此科学可以说是相当勇敢，“可以被证伪”才是真科学的特质。

伽利略的两个铁球同时落地实验，宣告了新科学的诞生，后来牛顿爵士总结了这些新观点，也就是我们中学所学的牛顿定律——空间是相对的。空间是相对的怎么解释？简单来说就是：没有绝对的静止，也没有绝对的运动。

当你乘坐的高铁行驶在京沪线上，除了有些颠簸，你仍可以像坐在自家的靠背椅上一样安然地刷着手机，因为相对于车厢来说你是静止的，但是相对于站在铁道边的工人来说，你却是以300公里的时速在飞奔。进一步说，工人站在铁道边也只是相对于地表是静止的，别忘了地球的自转和公转，他相对于太阳来说还是运动的。

因此，无论说谁是静止或者运动，都必须先有个参照物。另外，给物体的力不是运动的原因，而只是改变它的运动速度，两个铁球的重量不同，但是重力引起的加速度是一样的，因此下落速度也一样。牛顿定律在中学物理课里没少让我们吃苦头，相信不少人还对光滑斜坡上飞驰的各式小木块们心有余悸，但它的确在科学史上具有无与伦比的地位。

物理课本中的牛顿定律

物理课本中的牛顿定律

牛顿定律最重要的贡献是让人们摆脱了绝对空间的概念，他给了每个人一把属于自己的尺子，对同一事物完全可以有不同的看法，你在高铁上起身去了一趟洗手间，出来后你认为又回到了原来的座位上，但对于站台上送你的朋友来说，你已经从北京奔到了天津。

直到现在，牛顿定律都是现代科学的重要基础，它对于物体运动规律的描述和预测都相当准确，这包括了我们视线所见的几乎所有东西，以它为代表的一系列理论也被称为经典物理学。但天下武功，唯快不破，到了19世纪末，这幢物理学的摩天大楼也出现了一丝裂痕，科学家们发现牛顿定律虽放之四海而皆准，却就是没法应对一种速度极快的东西——光。

对于光来说，最初人们自然地认为，它没有速度可言，光是无限快的。人们听到过山谷的回声，知道声音的速度是有限的，但是谁也没有见到光有过慢半拍的表现，无论多远，光总是瞬间必达，毫不迟疑。

光的速度

光的速度

但是天文学的新发现和电磁波理论的开创都证明了光速的确是有限的，而且可以精确地计算出这个速度差不多是每秒30万公里，也就是一秒钟能绕地球7圈半，如此高的速度，难怪肉眼无法察觉。

光速有限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？

于是，各种科学解释纷纷涌现出来，似乎都有道理，但又都各有不能自圆其说之处。直到1905年，在瑞士专利局工作的一名36岁小职员，在业余时间里参与了这项讨论，他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。

年轻的爱因斯坦

年轻的爱因斯坦

他的意思是，光速本来就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？

这位小职员就是爱因斯坦，他提出的这个概念就是相对论。这是个非同小可的理论。牛顿虽然颠覆了亚里士多德的绝对空间概念，但他们都相信时间是绝对的，只要都是足够精确的瑞士手表，带在谁手上不都是一样的走字吗？时间的流逝难道还人人不同吗？

“时间不是绝对的”，这听起来的确很荒谬，再说这么个年轻的业余科学爱好者写的论文，怎么看怎么民科，传闻当时全世界赞同爱因斯坦的人不超过十个，其实也并不特别夸张。

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。

但是如果脑洞大开一下，未来能够开发出接近光速的宇宙飞船，那坐在里面的人将会体会到“天上一日，地上一年”的神仙生活，看外面的万物如快放镜头一般，那将会是一种无法言表的体验。

根据相对论得出的很多推论都是非凡的，其中最知名的要数质能方程。爱因斯坦认为物体的质量和能量是可以相互转化的，当物体运动越快，它的运动能量将会加到自身的质量上，这样要再加速就更费劲了，当速度达到光速时，质量将会加到无限大，这就没法再加速了，因此光速就是速度的极限，任何实质物体都只能低于光速运动。这个著名的质能方程有着天使与魔鬼的双重性格，它引出的一项成果足以让人类毁灭自己，这就是原子弹。

爱因斯坦和质能方程

爱因斯坦和质能方程

此时的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。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？

这个缺憾让爱因斯坦本人也很头疼，极致的科学家都是完美主义者，他不希望如此美妙的理论对万有引力却无能为力。爱因斯坦花了很多年的时间来思考，也做了很多尝试，终于在1915年，他找到了一种听起来很玄幻的方法，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”。

万有引力

万有引力

广义相对论认为，引力其实不是一种力，只是质量能量引起的时空弯曲，这是完全依靠想象来构建的概念。爱因斯坦论文里天书一般的引力场方程的确是相当难理解的，此处我尝试着尽量能讲明白。

比如你在玩飞镖游戏，你扔出去的飞镖会划出一条漂亮的抛物线，然后扎中靶心，实际上在飞镖出手后会持续受到地球引力的作用而下坠，因此出手越慢就越要高抛弧线才能扎中靶心。如果你用的是一把手枪，你只需要很低的抛物线就能打中靶心了，这是因为子弹速度要快很多，飞行过程中下坠得很少。如果你用的是激光笔，你根本用不着抛物线，光会沿直线前进，这是因为光没有实际质量，引力对它没用，因此不会有任何下坠。那如果把地球去掉呢？在没有引力的太空呢？你会发现，无论用飞镖、手枪还是激光笔，都不用抛物线，因为无论飞得快慢，都不会出现下坠了。

飞镖试验

飞镖试验

上述是用牛顿定律进行的理解。下面换成广义相对论的角度。注意这里没有引力了，但是要加入时间的维度。在这里出手后的飞镖是没有受到任何力的自由物体，因此它会做匀速直线运动，只不过是在四维时空中。如果没有地球，则四维时空是平坦的，飞镖的匀速直线运动在三维空间看起来也是匀速直线运动，就好像太阳下的一把直尺，它在平坦地面上的影子还是直的。如果加上地球，则四维时空会发生弯曲，飞镖的匀速直线运动在三维空间看起来就变成抛物线了，就好像把同样的直尺拿到高低起伏的地面上投影，影子也就变成弯弯曲曲的了。

这种四维时空的弯曲只和地球质量有关，无论用飞镖、手枪还是激光笔，弯曲的路径都是一样的，只不过速度越快的物体，飞行时间越短，则总的弯曲影响程度越小，在三维空间中看就是抛物线更低了。四维时空可不是个容易理解的东西，还要再弯曲？真是觉得脑容量不够用吧。现在抛开这些晦涩的概念，让我们来看看广义相对论到底想要干什么。

其实它就是换一种思路来理解引力，我们中学学习的万有引力都是牛顿定律的描述，它非常准确，我们对于各种天体的运行轨道的测量基本都是通过牛顿定律计算的，但是却融入不到爱因斯坦的狭义相对论中，没办法，只能另辟蹊径，重新定义引力，虽然大费周折，但也得偿所愿。

牛顿定律认为引力是一种力，广义相对论认为引力只是时空的弯曲，那到底谁是对的呢？这就需要实验来给出判断了。两者对于天体运动规律的计算结果几乎一模一样，只是随着计算越来越精确，人们发现的确还是广义相对论更准一些。

时空弯曲

时空弯曲

广义相对论还预言了光线偏转、引力钟慢、黑洞等等一系列神奇的现象，在此后的科学实验中都一一被证实，最近的是2016年，广义相对论预言的引力波被发现，最后一块拼图也被证实了，让人们不禁对一百年前爱因斯坦的发现顶礼膜拜。

那么问题来了，既然相对论是对的，那是不是牛顿定律就彻底被推翻了呢？唔，现实没有这么残酷，虽然相对论更精确，但是在我们实际生活用到的各种物理计算中，牛顿定律的误差实在是微乎其微。况且，相对论实在是太晦涩难懂了，严重影响了它的推广性，于是，我们还是相信牛顿算了。

那这么牛逼的理论难道只是纸上谈兵，没啥实用性吗？也不是这样，且不说它在宇宙学科中的作用，举个生活中的例子，现在所有人在手机上用的GPS定位系统就是用相对论来计算的，毕竟卫星的速度还是比较快的，否则定位可能会偏好几公里呢。不过，除此之外也确实没啥值得一提的实际用途。

相对论更大的价值在于科学的精神，虽然距离生活是如此遥远，动不动就是几亿光年的距离，但是以广袤的宇宙做实验室，来验证人类对未知的探索，这本身就很酷不是吗？

再说了，这些天马行空般的理论只是暂时不错而已，科学都是可以证伪的，还有很多相对论也难以解释的事情，说不定很快就会出现更神奇、更迷人、更伟大的科学理论呢。

这群改变世界的人

这群改变世界的人