通俗解讀：到底什么是相對論？或許是最通俗的解讀！

如果一個人已經基本掌握了經典物理學的大部分理論，那么相對論其實是可以比較通俗的。但是如果經典物理都沒有掌握，那么想要理解就比較困難了。本文盡量不用任何公式，來解釋相對論是怎么來的。

“相對論”這個名字，已經包含了相對論的根本內容。

相對論就是討論相對性原理對于哪些情況成立，并基于此給出動力學/時空結構的理論

所以相對論的基礎就是相對性原理。我們討論下相對性原理，然后就可以理解什么是相對論了。

什么是相對性原理呢？其實就是，在某種情況下的物理原理，與另一種情況下完全相同。此時我們就可以說這兩種情況是等效的，而這兩種情況的差別就是“相對的”，沒有哪一種情況高于另一種情況。

上面的話比較抽象，具體一點，我們看狹義相對論的基礎“慣性系”的相對原理：

在某觀察系中，靜止的和勻速運動的坐標系下，物理規律完全相同。通俗的說法是“你在封閉的絕對平穩的勻速運動的車廂里，通過任何物理實驗，都無法判斷自己是否在運動，也無法測得自己得運動速度”。基于這一點，我們可以說，直觀上的靜止系（地面系）和勻速運動系（例如勻速運動的車廂）并沒有區別，靜止系并不是特殊的，它們之間的運動是相對的。你可以說車廂靜止地面在動，也可以說地面靜止車廂在動。從物理上講這兩者并沒有區別。

這就是狹義相對性原理“所有的慣性坐標系滿足完全相同的物理規律，它們之間都是對等的，沒有哪個是特殊的。它們之間的運動是相對的。”

這打破了古代人的理解。在以前，大家覺得，宇宙中應當有一個“絕對靜止系”，它是特殊的，是高于其他參考系的。（例如以太理論）。

知道了這個原理我們怎么得到狹義相對論呢？這就要用到電動力學理論“麥克斯韋方程組”了。電動力學理論預言了光速，并被證實。在電磁場理論中，無需任何參照即可獲得光速，而且它是常數。根據狹義相對性原理，那不就是“所有慣性系中的光速都相同”嗎。

一開始大家覺得，怎么可能？地面坐標系，和相對于地面速度v的坐標系中，同一束光的速度，測出來怎么可能是相同的？不符合速度疊加原理（伽利略變換）啊！

此時有數學大牛（洛倫茲）給出了一種數學上的可能（洛倫茲變換），如果時空結構不是固定不變的（同一個物體的長度在不同坐標系下可以不同，同一段時間長度在不同坐標系下也可以不同），那么就可以做到“所有慣性系中的光速都相同”。

于是就是著名的選擇題了。選項1：麥克斯韋方程組錯了，光速不是不變的。選項2：絕對時空觀（伽利略變換）錯了，不同參考系下，長度和時間都不是不變的。愛因斯坦選擇了2，給出了狹義相對論（所以狹義相對論幾乎是直接給出的，并沒有花老愛多長時間）。

如果你是一個1900年的物理本科畢業生，已經習得微積分，矢量分析，經典力學，電動力學，并且你的數學思維能力足夠強（當今高考數學140的水平吧），你完全可以在沒有學過相對論的情況下，僅僅基于“所有慣性系中的光速都相同”和“絕對時空觀（伽利略變換）錯了，不同參考系下，長度和時間都不是不變的。”這兩句話，推導出包括洛倫茲變換和E=mc^2在內的所有狹義相對論結論。具體推導可見各種課本。

狹義相對論推翻了伽利略變換為基礎的絕對時空觀，維護了相對性原理。從實驗上看，早在相對論提出之前，著名的光速測量實驗，就證實了光速不變原理（在地面上，向各個方向傳輸的光，測出光速都是相同的。而地面不是靜止的啊，地球在自轉，在公轉，怎么可能恰好地面就是那個最特殊的“絕對靜止”系呢？）。

雙生子悖論在狹義相對論框架下可以被解釋，并不需要廣義相對論參與，不過數學非常復雜，我沒有能力進行科普。）在狹義相對論完成后，洛倫茲變換構成了完美的時空觀，并且我們知道速度是相對的，沒有絕對速度為0的坐標系。從運動學的角度，我們會比較自然地想到一個問題，那就是加速度又如何呢？速度v是相對的，沒有速度絕對為0的坐標系。可是加速度呢？是不是具有加速度絕對為0的坐標系呢？

乍一看上去，加速度是有絕對的0的。狹義相對論并不否認這一點，它也符合一些基本的實驗。例如我們手機里的加速度測量器，即可感受加速度，用于記步啊，體感游戲啊，重力感應啊啥的。在地面上，完全封閉的勻加速的車廂內，我是有辦法測出自己的加速度的。這時候就感覺不太好了，怎么速度就是相對的，加速度就是絕對的？宇宙中還是有絕對的東西嘛。

在狹義相對論發表后，老愛用了10年才解決了這個問題，那就是加速度也是相對的！！！

“任意非慣性系中的物理規律等同于受到等效引力的坐標系中的物理規律”，通俗一點講，就是“在封閉的車廂內，你無法通過任何物理實驗區分你是在加速，還是在受到大質量物體的吸引”，這就是廣義相對性原理。這句話也可以寫成“物體的慣性質量等于引力質量”。

也就是說，在有質量的宇宙里，加速度的效果（非慣性力）和引力的效果是等同的。不存在絕對加速度為0的坐標系。

可是就真么簡單嗎？為了做到這一點，總要犧牲點什么吧（狹義相對論犧牲了絕對時間/絕對長度）。這里就犧牲了時空的平直性。即質量會引起時空的扭曲。怎么理解呢？例如空間站圍著地球轉，空間站在做非勻速運動（非慣性系，有加速度），同時受到地球引力作用。這二者完美抵消，導致空間站內感受不到引力也感受不到非慣性力（空間站明明是非慣性系，其中的物理規律卻完美滿足慣性系的規律）。為了解釋這種抵消，老愛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），事實上它是在扭曲的時空中走勻速直線（測地線）。而這種扭曲是地球的質量造成的。（注意這里是時空扭曲，不只是空間扭曲。比如你在自由落體的車廂內，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，在現實時空中看起來走的是勻加速直線，時間和空間都扭曲了。）

好了，有了廣義相對性原理，同時加上時空是可以扭曲的，我們就可以推導廣義相對論的方程了，即物質（具有一定的質量和運動狀態，包括速度，旋轉等）會導致什么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分的高考數學能力已經不夠用了。因為要用到微分幾何。但是如果你是數學競賽能得全國一等獎的人，再學過黎曼幾何，那么在沒有學過廣義相對論的情況下，僅通過廣義相對性原理，你還是可以推導出愛因斯坦方程的。由于當年黎曼幾何也不是很成熟，而且真的很難，這個推導就不是幾天就能完成的了。第一次推導用了十年哦，還是老愛這種天才。

以上就是相對論的基本假設，即狹義/廣義相對性原理，和為了滿足這個原理所犧牲的人們的固有認識（空間和時間長度是絕對的/時空是平直的）。

作為總結，相對論，就是通過在某些情況下選擇某種相對性原理，（所有的慣性系等價/非慣性系與引力作用等價），修正以往對時空結構的認知（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對不對。。。不一定對啊，但是目前的所有實驗都證實它是對的。

老愛搞出相對論，比我這里說的“僅根據狹義/廣義相對性原理，承認時空觀可以打破，推出主要結論”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，而不是后續推導。后續推導的是數學，而相對性原理和時空觀才是物理本質。

我個人覺得狹義相對論并不需要很好的數學，需要的是打破思維定勢的時空觀。所以我說，只要確信狹義相對性原理，一個高考數學140，并且完成了1900年物理本科學習的人（包括經典力學，電動力學，微積分，矢量分析）應該能夠完成推導。僅做到數學140+的高中畢業生應該不行，因為他們只是具備數學潛力而已，并沒有充足的物理知識和幾何知識。我想在國內高考數學140+并完成了物理本科學習的同學們，推導出狹義相對論的主要結論應該不難的。

廣義相對論要難得多了，真的是要數學能力，空間想象力，物理知識都過硬才能學會。我也只是在課本的指導下推導過一遍，能僅利用廣義相對性原理就獨立推導，肯定是天才級別的了（但老愛做到了，還是邊摸索邊做到的。時至今日，應當有很多人能做到了）。