深度長文：通俗理解愛因斯坦的廣義和狹義相對論，收藏了！

相對論以勢不可擋的姿態揭開了這個荒誕世界的外衣，再次讓人類意識到自身的無知和渺小。

談這個問題前，先說說量子力學和相對論的區別：

第一，量子力學是一大堆科學家頭腦風暴的產物，相對論則是愛因斯坦一個人拿下的。

第二，量子力學是積小流成江海，從普朗克°開始一點一滴累積起來的，相對論，則是橫空出世，一蹴而就。

第三，量子力學無論多么荒誕，至少都是從實驗現象開始的，為了解釋實驗結果拼湊出各種理論公式，相對論則是由愛因斯坦憑空捏造，之后再根據理論去尋找實驗現象。

第四，量子力學收割了成堆的諾貝爾獎，相對論自始至終都沒有獲獎。

第五，量子力學早已廣泛應用，這點很多人可能不知道，以為量子力學只是物理學家的游戲，其實現代科技取得如此輝煌的成就，多半都是量子力學的功勞，而相對論呢，除了用于計算校準，完全沒有提供任何生產技術。

第六，量子力學應用于微觀，電子、質子等等，相對論應用于宏觀，恒星、時間、空間這些。

第七，量子力學描述的世界是一段一段的、量子化的，相對論描述的世界則是連續的。

你說說，這種嚴絲合縫的巧合是不是有點過分了，讓人不免懷疑，這是不是上天在捉弄人類。相對論和量子力學就好像商量好一般，如此矛盾，卻又都如此驚世駭俗，真是折磨了一代又一代的物理人！

物理學家天生有「大一統思想」，最好把宇宙間所有規律歸納成一個公式。為了撮合這兩個理論，人類付出了無比艱辛的努力，這段可歌可泣的故事，咱們留著以后慢慢說。

其實在經典物理學時代，也是個大統一的故事，經典物理經歷了開枝散葉的「牛頓時代后，又逐漸歸攏走向統一。

「大統一」路上的巔峰之作，非「麥克斯韋方程組」莫厲，至少排名人類最偉大公式前三甲！

這事說起來很簡單，原本「電」和「磁」是兩路人，但自從法拉第Q發現電磁感應后，大家都知道電和磁早就有一腿了，卻苦于沒有牽線搭橋的媒婆。正當大家干著急時，麥克斯韋大筆一揮，從此電、磁成了一家人。

麥克斯韋方程組以無比優美的形式，完整闡述了電和磁的相互轉化規律，堪稱物理學難得見的白富美！既然是白富美，就免不了招蜂引蝶，其中就有我們今天的主角，愛因斯坦。

愛因斯坦一直對「光」情有獨鐘，光是一種電磁波，電磁波的事情歸麥克斯韋管，于是愛因斯坦就很癡迷地看著這組方程。這情景，神似楊過悟出黯然銷魂掌，愛因斯坦看著看著，豁然頓悟，提出了一個銷魂的假設：光速不變原理。

光速不變原理是什么意思呢？舉個例子：你站在路邊不動，我騎車速度10，妹子開車速度50，那么妹子對你來說速度是50，對我來說速度是 40。

這個是我們正常的理解，對吧？

同樣的場景，把妹子換成「一束光」，那么應該是：光對你來說速度是三十萬，對我來說是 29萬9990，對吧？愛因斯坦說，你們太不了解「光」了，無論你們的速度是多少，她的速度永遠都是三十萬。

極端一點，你的速度是0，而我的速度是 29萬9999，同一束「光」經過我倆，這束光對你來說速度是300000，對我來說也是300000！

那這到底是一束光還是兩束光啊？當然是一束光，只不過，這束光在不同的人看來，永遠都是一樣的速度。相對論的起點就是來自這么一個無比荒誕的假設：光速不變原理！

既然光速絕對不變，那應該叫做 「絕對論」，干嘛叫「相對論」呢？

相對論這個概念是與「絕對時空觀」相對應的，學術點說，一切物理定律在所有慣性參照系中具有相同的數學形式，學名「相對性原理」，這是相對論的第二個假設，我知道你看不懂這句話的意思，別著急。

這個話題又有點哲學的味道了。

回到剛才的場景，我騎車的速度是 10，而你站在路邊不動，假設整個系統或者說全宇宙只剩下你我，那么到底是誰在動？

在你看來是我在動，在我看來是你在動，為了搞清楚誰在動，就把這事說成：我相對于你的速度是 10。這是高中物理的內容，今天的人不難理解，不過在當時「以太」學說的背景下就不一樣了。

什么是「以太」？

又是亞里士多德這位老同學提出的概念：空間是以太組成的，只是我們看不見而已，靜止和運動都是相對空間而言，也就是說「我相對于空間的速度是10」，而不是「我相對于你的速度是 10」。這種觀點，再算上亙古不變的一維時間，稱之為牛頓時代的「絕對時空觀」

這在當時是很主流的一個假說，著名的科學家邁克爾遜，諾貝爾物理學獎得主，絕對的大牛人，他就一直在找以太，結果找了8年，親手把以太理論給掐死了。

回到相對論

「光速不變原理」＋「相對性原理」，好吧，那然后呢？憑這兩個就能顛覆世界了？沒錯，有這兩樣東西就夠了，大家注意，老司機愛因斯坦開始飚車了！

假設老司機把車速飆到光速的 50%，然后，車廂天花板發出一束光，垂直照到地板上。對車廂內的人來說，車廂是沒有速度的，相當于在一個靜止的車廂里，從上往下照一束光，那么結果很簡單，這光就是直線照到地上而已。所以這束光走過的路程就是車廂的高度，花費的時間：車廂高度/光速。

但對車廂外的人來說，事情就有點麻煩了，光束是在移動的車廂里從上往下照的，這個過程中車廂一直在移動，所以光走的路徑是一條斜線。

就好像從車廂頂部打一顆子彈到地上，在車廂內的人看起來，子彈是直線下落的，但在車廂外的人看來，子彈其實是斜著落地的，斜著跑當然比直線跑的路程更遠。

這在經典物理學里面是沒啥問題的。因為子彈的速度還得加上車廂移動的速度，所以子彈的實際速度是增加了，即便路程增加了，最后算下來時間是一樣的。

但是，愛因斯坦說了，光速是不變的，無論你車廂移動速度是多少，光速始終還是那個光速，于是，事情就大條了，因為路程變多了，而光速不變，這樣算下來時間也就得變多了！

同樣一件事，車廂內的時間比車廂外的時間多，這說法不好交代吧。

愛因斯坦說，這有啥，光速是不變的，只能委屈時間了，沒錯，車廂內的時間膨肚了！

時間這東西看不見摸不著，愛因斯坦怎么說都行。咱們換個例子。

老司機飚車的過程中，在車廂的中間位置，閃一下光，相當于點亮一個電燈泡，對車廂內的人來說，車廂是靜止的，那么光線應該是同時照亮前壁和后壁。但對車廂外的人來說，車在前進，而光速不變，所以光應該先照亮后壁，然后再照亮前壁。這就不是時間膨脹不膨脹的問題了。

如果前后壁分別有個接收器，那么這兩個接收器到底是同時接收到信號，還是一前一后接受到信號。

愛因斯坦說，你們壓根不知道啥叫「同時」，如何判斷在兩個地方發生的兩個事件是否同時？當這兩個事件發生的瞬間各自發出一個閃光信號，如果光同時到達這兩個地方的中間位置，那么就認為這兩個事情是同時發生的，不然就是不同時的。所以車廂內的人看是同時的，車廂外的人看是不同時的，「同時」也是相對的。

各位看明白沒？這「光」真是集愛因斯坦萬千寵愛于一身，連時間都要按照光的腳步走。

再舉個例子，假設太陽突然消失了，8分鐘后，地球就會知道，那地球人有沒有可能在太陽消失的一瞬間就知道？愛因斯坦說，完全不可能，太陽消失后，地球依然可以感受到陽光，感受到太陽的引力，無論用什么方法都無法在8分鐘內得知太陽消失了。

就算你在太陽上找個人給你打電話，無線電信號也得經過8分鐘才能飛到地球。那么問題來了，對于地球人而言，太陽到底是在8分鐘前消失的，還是現在消失的？

好吧，我承認已經有點糊涂了，索性再把問題攪亂些。車廂內的人怎么測量車廂長度呢？

這個很簡單，拿個刻度尺直接量就行了。但是對車廂外的人來說就比較麻煩了，因為車廂是在運動的。但是你拿的刻度尺是靜止的。

你必須在同一時間記下車頭和車尾的刻度尺讀數。如果按照愛因斯坦定義的那個同時，那么你量下來就會發現，運動的車廂比靜止的車廂要短，這個結論會不會有點扯？

愛因斯坦說，在「光」面前，時間都能委屈，長度算什么！物體沿著運動方向的長度會收縮，這叫「長度收縮效應」，簡稱「尺縮效應」，得了，那質量多半也節操難保了。

沒錯，因為時間和速度相關，速度和動能相關，動能和質量相關，這樣推導下來，質量也就不是原來的質量了。愛因斯坦說：質量會隨著速度增加而增加，然后結合動量和動能公式，就得到了大名鼎鼎的質能方程：E=MC 的平方。

雖然愛因斯坦把時間、長度、質量都攪得一塌糊涂，但本質上，無非就是運動參照系和靜止參照系之間的公式轉化而已。數學好的同學開始得瑟了，時間膨脹、長度縮短、質量增加，都可以按照「洛倫茲變換」推導：

去看看這些公式，你就明白為什么愛因斯坦不喜歡超光速了，按照上面的公式，一旦物體到達了光速，時間變得無窮慢、長度變得無窮小、質量變得無窮大，這種扯蛋程度終于連愛因斯坦自己都不能接受了。

大家注意到沒有，剛剛說的那些假設都是在勻速和靜止的前提下討論的，這種場景只適用于理想情況，應用場景比較狹隘，所以叫「狹義相對論」。

實際情況，往往還需要在系統中加上引力或者加速度什么的，應用場景更加廣泛，顧名思義，這就是「廣義相對論」。

廣義相對論不僅內容奇葩，而且數學無比復雜，愛因斯坦不得不求助數學家格羅斯曼，共同完成論文《廣義相對論綱要和引力論》。這篇偉大的論文，除了數學系和物理系的同學，其他同學還是別看了，以免辣眼睛！

英國科學家愛丁頓是忠實的愛因斯坦粉絲，也是第一個向英語世界介紹廣義相對論的人。

有一天，有人問愛丁頓：「尊敬的教授，聽說世界上只有三個人懂得相對論，是這樣嗎？」愛丁頓路加思索后回答：「您也許說得不錯，不過，我在想第三個人是誰呢？」

這個小故事最終演變成了我們現在經常聽到的一句流言：世界上只有三個人懂得相對論。這個當然是過于夸張了，不過廣義相對論確實比量子力學要麻煩。

玻爾說量子力學第一次學不會，那反過來說，多學幾次還是有希望的。至于廣義相對論，我們普通人還是趁早放奔治療吧，只能生搬硬套，能囫圇吞棗就不錯了。

下面就是生搬硬套的廣義相對論：

老司機狠踩油門，車子加速前進，注意是正在加速中。一束光從車頂照到地板，光速是不變的，而車子速度越來越快，就好像水流往下流，車子在加速，那么水流應該是彎曲的，也就是說，光走過的路程應該是彎曲的。

愛因斯坦說，光速不能變，只能委屈空間了，是空間彎曲了！這也太耍賴了，明明是你自己彎了，非說是空間彎了！

愛因斯坦接著說，「引力」和「加速度」是等效的，所以引力也會引起空間彎曲。接著展開一下想象，如果引力足夠大，空間足夠彎曲，像折紙一樣，把遠端的兩個點，彎曲重疊在一起會發生什么？

沒錯，蟲洞的概念有了！開個蟲洞撕裂空間，就可以從這個點直接到另一個點，夢幻般的空間跳躍就是這么來的！

目前為止，你還可以認為這一切都是胡攪蠻纏，大罵愛因斯坦是嘩眾取寵的神棍！

此時的相對論，就像是埋設在物理學大廈里的炸藥，就差一個導火線。然而，很快人們就找到了無數導火線，引爆了這座數百年的經典大廈。

1911 年愛因斯坦發表《引力對光傳播的影響》，由于太陽的引力和質量會使周邊空間產生彎曲，使得光線經過太陽附近時也會彎曲，這一現象可在日全食進行觀測。

忠實粉絲愛丁頓忽悠英國政府資助了這次荒唐的測試，最終，觀測數據顯示恒星位置確實發生了偏移，符合相對論的計算結果，愛丁頓感慨道：這個小小的移動，改變了世界。

于是，愛因斯坦一夜爆紅，卓別林有句俏皮話，恰如其分的概括了當時的場景：「人們為我歡呼，是因為他們懂我的藝術，人們為愛因斯坦歡呼，是因為沒人懂他的理論。

困擾了天文學多年的水星近日點進動問題也得到了圓滿解釋。水星運行到近日點時有些多余的進動（我們普通人可以理解為，水星靠近太陽時，會有一些莫名其妙的抖動），多余進動值為每百年 43 角秒，當時沒人能解釋。

愛因斯坦計算了太陽對空間的彎曲曲率正是每百年43 角秒，完全吻合，也就是說這多余的進動是空間彎曲造成的。后來測到的金星數據也相符相對論。

為了驗證引力和速度對時間的影響，不斷有科學家把原子鐘送到外太空，由引力產生的時間偏差也完全符合相對論的計算。

所有的實驗都證明相對論是靠譜的，絕對不是一個瘋子幻想的產物。

我得再次膜拜一下愛因斯坦！要知道，當時的人們已經沉浸在量子力學帶來的巨大震撼中：東西都是一段一段的、位置也是隨機的，而相對論的空間描述是連續的、是可精確計算的、是與量子力學完全矛盾的，這簡直是逆天下大勢！

任誰也沒想到，上天竟會同時送給人類兩件截然不同的禮物！更難能可貴的是，愛因斯坦既是量子力學的奠基人之一，也是相對論的開創者，這一手「左右互搏」的功夫，不敢說「后無來者」，至少是「前無古人」了。

因此愛因斯坦在物理學史上的座次僅次于開天辟地的牛頓，排行第二。

不過，相對論的應用少之又少，僅僅只是用來校準各種觀察數據或實驗設備，比如 GPS 精度校準，高能粒子質量和壽命的變化，或是預言一下引力波的存在，等等。

回頭再看這個爛攤子，愛因斯坦飆完車，就拍拍屁股走人了，但對于這個理論的起點：光速不變原理，已經弄瘋了無數的物理學家。

相對論和量子力學把科技樹主干硬生生掰成了兩個方向，但物理學家固執地認為事物的本源最終都是相通的，這一百年來，所有人夢寐以求的就是統一這兩大理論，但無一不是折戟沉沙！

盡管前路漫漫，可大家仍樂此不疲地奔波在大統一的路上，最近幾年非常熱門的「超弦理論」和大型對撞機，就是人類對大統一事業的再一次沖鋒。