相对论是什么

什么是相对论？对我们有什么影响？
相对论就像一个三勺冰淇淋甜筒；我们大多数人只是不能一口吞下去，而不是没有经历过一些严重的大脑冻结。所以让我们一次解决一个问题。我们将从一个可以追溯到四个多世纪前的相对论版本开始：伽利略的相对论。是的，这个宇宙冰淇淋起源于著名的意大利天文学家伽利略伽利雷，它是这样分解的：任何两个以恒定的速度和方向运动的观察者都会得到所有机械实验相同的结果。
假设这个有问题的实验并不比在火车过道里扔乒乓球更复杂。只要速度和方向不变，无论是火车以蜗牛的速度爬行，还是沿着轨道滚动，乒乓球的行为都会一模一样。只要列车没有因速度或方向的改变而晃动，车厢内就没有差别。然而，在高铁之外，这是一个不同的故事(或参照系)。对于高速列车上的人来说——假设它以每小时100英里(161公里/小时)的速度行驶——球似乎以正常速度移动。对于一个站在轨道上的人来说，球(假设他或她能看到)似乎随着火车的速度和它被投掷的速度而移动。
那个球到底有多快？假设你以每小时5英里(8公里)的速度扔出去。如果我们加上火车的速度，我们的总速度将达到每小时105英里(每小时169公里)——这种计算叫做伽利略变换。在火车上，如果它弹起打在你胸口，感觉不会是105英里每小时。但是，相对于外界来说，这是它将行进的速度。
现在这里变得棘手了：如果你想在火车过道里点亮手电筒呢？光波每小时100英里的传播速度比光速快吗？根据物理学家阿尔伯特a迈克尔逊和爱德华莫利的说法，情况并非如此。1879年，两位美国人进行了一项测量光速的开创性实验。事实证明，光以每秒18.6万英里(每秒30万公里)的恒定速度传播。它不能以任何方式旅行，这打破了伽利略的相对论概念。幸运的是，阿尔伯特爱因斯坦在1920年用他的狭义相对论介入了问题的解决。
狭义相对论和广义相对论
广义相对论使我们能够研究遥远的恒星。
让我们把第二把勺子叠在关联锥上——德国出生的物理学家阿尔伯特爱因斯坦提供的黑森林的美味。就像我们刚才提到的，伽利略的相对论甚至在从牛顿物理做了一些调整之后就被打破了。科学家们已经知道，即使在高速列车上，光也是以恒定的速度传播的。
于是，爱因斯坦提出了狭义相对论，归结为：物理定律在所有惯性系中都是一样的，所有观察者的光速都是一样的。无论你是在破旧的校车上，还是在高速列车上，还是在某种未来派的火箭船上，光速不变，物理定律不变。假设速度和方向不变，没有窗口可以通过，你就无法分辨你乘坐的是三艘船中的哪一艘。但是狭义相对论的影响影响一切。本质上，该理论认为距离和时间不是绝对的。
现在是第三个冰淇淋勺的时候了，这是爱因斯坦的又一大帮助。我们称之为德国巧克力。1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，一种引力进入宇宙的相对论观点。要记住的关键概念是等效原理，它表明一个方向的引力等于另一个方向的加速度。这就是为什么加速电梯在下降时提供一种重力增大的感觉，同时又增大和减小重力的原因。如果重力等于加速度，说明重力(比如运动)会影响时间和空间的测量。
这意味着像恒星这样足够大的物体会因重力而扭曲时间和空间。所以爱因斯坦的理论把引力本身的定义从力度变成了时空的扭曲。科学家观察到时间和空间的引力扭曲来支持这个定义。方法如下：我们知道轨道上的时间比地球上的时间快，因为我们把地球上的时钟和远离地球质量的轨道卫星上的时钟相比较。科学家称这种现象为引力时间的膨胀。同样，科学家们观察到了围绕着大质量恒星弯曲的直光束，我们称之为引力透镜。
相对论对我们有什么影响？它为我们提供了一个解释宇宙的宇宙学框架。它让我们能够深入了解天体力学，预测黑洞的存在，并绘制我们宇宙中遥远的地方。
马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为，时间和空间的测量与物质的运动有关。时空概念是通过经验形成的，不考虑经验是无法把握绝对时空的。休谟更具体地说，空间和外延无非是按一定顺序分布的可见物体，充满了空间。时间总是通过可感知的可变物体的变化而被发现。爱因斯坦在1905年指出，迈克尔逊和莫雷的实验实际上表明，“以太”的整个概念是多余的，光速是恒定的。牛顿的绝对时空概念是错误的。没有绝对静止的参照物，时间测量随参照系不同而不同。他利用光速不变和相对论原理推导出洛伦兹变换。创立了狭义相对论。
狭义相对论是基于四维时空观的理论。所以要理解相对论的内容，首先要对它的时空观有个大概的了解。数学中有各种各样的多维空间，但到目前为止，我们所知道的物理世界只有四维，即三维空间加一维时间。现代微物理学中提到的高维空间是另一种意义，它只有数学意义，这里不讨论。
四维时空是构成现实世界的最低维度，而我们的世界恰好是四维的。至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。比如尺子在三维空间(不包括时间)旋转时，长度不变，但旋转时，坐标值改变，坐标之间有联系。四维时空的含义是时间是四维坐标，与空间坐标相关，也就是说时空是一个统一的不可分割的整体，两者是一种“取舍”关系。
四维时空不限于此。从质能关系来看，质量和能量其实是一回事，质量(或能量)不是独立的，而是和运动状态有关。比如，速度越大，质量越大，也就是说，在我们的自然世界中没有绝对静止的物体。在四维时空中，质量(或能量)实际上是四维动量的第四个分量，动量是描述物质运动的量，所以质量与运动状态有关是自然的。在四维时空中，动量和能量是统一的，称为能量和动量的四个矢量。此外，在四维时空中定义了四维速度、四维加速度、四维力和四维形式的电磁场方程。值得一提的是，电磁场方程的四维形式更加完善，将电和磁完全统一，电场和磁场用统一的电磁场张量描述。四维时空的物理规律比三维的完善得多，说明我们的世界确实是四维的。可以说，至少比牛顿力学完善得多。至少以它的完美，我们不能怀疑。
在相对论中，时间和空间构成一个不可分割的整体——四维时空，能量和动量也构成一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界中一些看似不相关的量之间可能有很深的联系。当我们在未来谈论广义相对论的时候，我们也会看到，时间和空间以及能量和动量的四个矢量之间有着深刻的联系。
原则
物质在相互作用中做出永恒的运动，既没有不动的物质，也没有非物质的运动。因为物质在相互联系和相互作用中运动，所以有必要在物质的相互关系中描述运动，但不可能孤立地描述运动。也就是说，运动必须有参照物，而这个参照物就是参照系。
伽利略曾指出，运动的船和静止的船是无法区分的。也就是说，当你在一个封闭的船舱里，与外界完全隔绝时，即使你拥有最发达的心智和最先进的仪器，你也无法感知你的船是在匀速运动还是静止运动。无法感知速度，因为没有参照物。比如我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。爱因斯坦引用它作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对论原理。其内容是惯性系完全等价，不可区分。
著名的迈克尔逊莫雷实验完全否定了光的以太理论，得出了光与参考系无关的结论。也就是说，无论你是站在地上还是在飞驰的火车上，测得的光速都是一样的。这是狭义相对论的第二个基本原理：光速不变原理。
从这两个基本原理可以直接推导出狭义相对论的所有内容，比如坐标变换和速度变换。比如速度变换与传统规律相矛盾，但实践证明是正确的。所以从这个意义上来说，光速是无法超越的，因为光速在任何参考系中都是不变的。粒子物理中的大量实验已经证明速度变换是无可挑剔的。由于光的这种独特性质，它被选为四维时空的唯一统治者。
洛伦兹变换，因为爱因斯坦的假设否定了伽利略变换，所以需要找到一个满足相对论基本原理的变换。爱因斯坦导出了这个变换，一般称为洛伦兹变换。
影响
根据狭义相对论原理，惯性系是完全等价的。所以在同一个惯性系中，有一个统一的时间，叫做同时性。相对论证明，在不同的惯性系中，不存在统一的同时性，即在同一惯性系中，两个事件(时间和空间点)可能是不同的。这同时也是相对论。在惯性系中，同一物理过程的时间。在未来的广义相对论中，我们可以知道时间和空间在非惯性系中是不一致的，也就是说在同一个非惯性系中没有统一的时间，所以不可能建立统一的同时性。
相对论推导了不同惯性系之间的时间表关系，发现运动惯性系的时间表是慢的，这就是所谓的钟慢效应。一般可以理解为，移动的钟比静止的钟走得慢，走得越快，走得越慢。当它接近光速时，时钟几乎停止。
尺子的长度是惯性系中两个端点的坐标值之差。由于“同时性”的相对性，不同惯性系中测得的长度也是不同的。相对论证明了在尺子长度方向移动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的缩尺效应。当速度接近光速时，尺子收缩到一个点。
从上面的陈述可以看出，时钟慢度和标度收缩的原理是时间表的相对性。也就是说，时间表与参考系统有关。这从根本上否定了牛顿的绝对时空观。相对论认为绝对时间不存在，但时间仍然是客观量。比如双胞胎的理想实验，哥哥乘飞船回来的时候15岁，哥哥可能已经45岁了，说明时间是相对的，但是哥哥确实活了15年，哥哥确实认为他活了45年。此时时间是‘绝对’的，与参考系无关。这说明无论一个物体的运动状态如何，经过的时间都是一个客观的量，是绝对的，称为固有时间。也就是说，无论你采取什么形式的运动，你都认为自己喝咖啡的速度是正常的，你的生活规律没有被打乱，但别人可能看到，你喝咖啡花了100年，从放下杯子到死去，只用了一秒钟。
结论
相对论要求物理定律在坐标变换(洛伦兹变化)下保持不变。经典电磁理论可以不加修改地纳入相对论框架，而牛顿力学在伽利略变换中只有相同的形式，原始的简单形式在洛伦兹变换下变得极其复杂。所以经典力学需要修正，修正后的力学体系在洛伦兹变换下没有形式上的变化，这就是相对论力学。
狭义相对论建立后，极大地推动了物理学的发展。并深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可或缺的理论，取得了丰硕的成果。然而，在成功的背后，有两个原则问题没有解决。首先是惯性系统带来的困难。抛弃绝对时空后，惯性系就成了一个未定义的概念。我们可以说，惯性系是惯性定律成立的参考系。惯性定律的本质是不受外力作用的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而‘不受外力’是什么意思？只能说，不受外力作用是指物体在惯性系中可以静止或匀速直线运动。这样惯性系的定义就陷入了一个逻辑循环，毫无用处。我们总能找到非常相似的惯性系，但宇宙中没有真正的惯性系。整个理论就像建在沙滩上。第二是重力造成的困难。万有引力定律与绝对时空密切相关，必须修正。但是任何试图把它变成洛伦兹变换下不变的情况都是失败的，万有引力不能纳入狭义相对论的框架。当时物理学上只发现了两种力，引力和电磁力，其中一种出来捣乱，当然不尽如人意。
爱因斯坦在短短几周内建立了狭义相对论，但却用了整整十年的时间才解决了这两个难题。为了解决第一个问题，爱因斯坦在理论上简单取消了惯性系的特殊位置，将相对论原理推广到非惯性系。因此，第一个问题转化为非惯性系的时空结构。非惯性系遇到的第一个障碍是惯性力。经过对惯性力的深入研究，提出了著名的等效原理，发现参考系问题可以和重力问题一起解决。经过许多波折，爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃一惊。引力远比想象的复杂。到目前为止，爱因斯坦方程只得到几个确定的解。到目前为止，它美丽的数学形式让物理学家感到惊讶。在广义相对论取得巨大成就的同时，哥本哈根学派创立和发展的量子力学也取得了重大突破。但物理学家很快发现，这两种理论是不相容的，至少有一种需要修改。这就引发了著名的争论：爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在，争论还没有停止，但是越来越多的物理学家更喜欢量子理论。广义相对论建立后，爱因斯坦花了大约四十年的时间探索统一场论，试图将引力和电磁力统一起来，完成物理学的完全统一。最初几年，他非常乐观，认为胜利在握；后来发现很多困难。当时大部分物理学家都不看好他的工作，所以他的情况很孤立。虽然他从未取得突破，但他的工作为物理学家指出了方向：建立包含四种力的超统一理论。目前学术界公认的最有前途的候选者是超弦理论和超膜结构理论。