通俗解讀狹義相對論，原來如此簡單！

相對論，是我科普工作中很重要的一個環節，以前也做過多次科普。今天就換一種科普方式，以講故事的方式，盡可能通俗地闡述狹義相對論的前世今生。

從電和磁的發現之路開始講起。

我們都知道，法拉第在近兩百年前發現了電磁感應，其實那時候科學家就已經知道了電和磁肯定“有一腿”，但短時間內并沒有發現電和磁到底存在著怎樣的關系。

后來我們都知道了，偉大的麥克斯韋提出了無與倫比的麥克斯韋方程組，統一了電和磁，從此，電和磁就成了一家人。

麥克斯韋方程組到底有多偉大？說它是人類歷史上最美的方程，一點也不夸張。

麥克斯韋方程組完美闡述了電和磁的相互轉化規律，如此優美的方程組，當然備受物理學界的青睞，而愛因斯坦就是其中之一，非常鐘情于該方程組。

一直以來，愛因斯坦對光也是情有獨鐘，而光是一種電磁波，而電磁波的事情恰恰歸麥克斯韋方程組管，這也是愛因斯坦如此鐘情于麥克斯韋方程組的原因所在。

麥克斯韋方程組可以推導出電磁波的傳播速度，也就是光速，公式中光速是一個常數，只與真空的磁導率和介電常數有關，竟然沒有提到任何參照系！

這無疑激發了愛因斯坦的靈感，在眾多物理學界大佬都在尋找光速的參照系“以太”的時候，愛因斯坦大膽提出：光速為什么一定要參照系？如果光速本來就是絕對的，不需要參照系，我們就沒有必要苦苦尋找那未知的以太了。

于是愛因斯坦大膽提出了光速不變原理。

這里必須糾正一個錯誤認知，很多人認為邁克爾遜莫雷實驗證明了光速不變，其實不是那樣的，這個實驗頂多表明以太不存在，甚至面對實驗結果，邁克爾遜和莫雷本人都不愿意相信以太真的不存在，他們寧愿相信實驗出了差錯，因為他們心里明白，如果以太真的不存在，意味著牛頓力學體系就轟然倒塌了，這是他們無論如何都很難接受的。

既然邁克爾遜和莫雷連“以太不存在”的結果都不敢相信，更不可能去想“光速不變”了！

當然，這個實驗確實出現在愛因斯坦提出狹義相對論之前，可能在一定程度上又給了愛因斯坦靈感，讓他堅信以太的確不存在，加速了提出光速不變原理。

光速不變原理是什么意思呢？

當然不是指“光在真空中的速度是每秒30萬公里”，而是指在任何運動狀態下，相對任何參照系，光速都保持不變。說白了，光速是絕對的，與其他任何速度疊加之后仍舊是光速。

舉個例子就明白了。

我靜止在地面上，打開手電筒，發出一束光。在我打開手電筒的瞬間，你以0.9倍光速追趕那束光，在你眼里，那束光的速度是多少呢？

按照我們傳統的速度疊加來計算，應該是0.1倍光速。實際上呢？仍舊是光速。也就是說，不管你的速度有多快，那束光在你眼里的速度始終都保持光速不變，就是這么霸道。

這就是光速不變原理。除了這個原理之外，還有一個原理：相對性原理，通俗來講就是在慣性系中，物理定律保持不變。具體該如何理解呢？

還是舉例說明。

我在跑步，速度是每秒5米，而你靜止在地面上。假設這時候整個宇宙只剩下你和我了，那么咱們兩個人到底誰在運動？

在你眼里我在運動，在我眼里你在運動。為了弄清楚到底誰在運動，我們需要這樣表達：我相對你的速度是每秒5米。

這樣的表達很好理解，沒記錯的話初中物理課上就應該有了吧。但是當“以太”的概念出現之后，結果就不一樣了。

以太，是絕對時空觀下的產物，認為空間是由以太組成的，空間里到處充滿了以太，只是我們看不見摸不著，所謂的靜止和運動都是相對空間或者說以太而言的，說白了，以太就是絕對靜止的參照系，以太這個參照系凌駕于其他所有參照系。

那么，剛才所講的“我相對你的速度是每秒5米”，就變成了“我相對空間的速度是每秒5米”。

但是問題就在于，以太這個東西是假設的，需要通過實驗去驗證，但實驗做了很多次，都沒有發現以太存在的證據，比如說著名的邁克爾遜莫雷實驗。

不過由于絕對時空觀在當時的物理學界如此根深蒂固，沒有人敢否定以太的存在，還是得愛因斯坦大佬出馬，直接用“奧卡姆剃刀”把以太“掐死”了。

愛因斯坦認為，任何慣性系都是等價的，平權的，沒有任何慣性系是特殊的。在慣性系中，任何物理定律都表現出相同的形式。這就是相對性原理。

實際上，相對性原理在我們身邊無處不在。經常坐火車的伙伴們應該有這種感受，如果火車啟動時很慢，很平靜，你甚至感覺不到火車已經啟動了，反而覺得是對面的火車啟動了，還是感覺火車靜止不動，你此時的感受與靜止在地面上的感受沒有任何不同。

說白了，在一列勻速直線行駛的火車上，與你靜止在地面上的感受完全相同，在這兩種慣性系下的所有物理實驗都會表現出相同的結果。

而愛因斯坦就是在光速不變原理和相對性原理的基礎上，提出的狹義相對論。說白了，這兩大原理都是假設，狹義相對論是建立在兩大假設的基礎上創建的。當然兩大假設可不是隨便就能想出來的，首先必須自洽，還需要經得起實驗的驗證。

有了這兩大原理，很容易推導出狹義相對論體系下的公式，比如說時間膨脹效應公式，尺縮效應公式等。

其實，我們也可以換一種方式理解為什么時間會膨脹，空間會變短。由于在任何運動狀態下觀察到的光速都保持不變，意味著某些東西肯定發生了改變，不然光速不可能保持絕對不變。

比如說，你以0.99倍光速運動，我靜止在地面上，我們看到同一束光的速度竟然是相同的，如果沒有其他東西發生改變，是沒有道理出現這種情況的。

到底什么東西發生了改變呢？由于速度只與時間和距離（空間）有關，這些東西當然是時間和空間了。具體來講就是，雖然你的速度很快，達到了0.99倍光速，但你的時間和空間也發生了變化，時間和空間會根據你的速度不斷調整，保證你看到的光的速度始終是光速！

這就是狹義相對論，一點也不難。如果你了解了狹義相對論的前世今生，會發現狹義相對論如此簡單。

完！