在科学史上1905年被称为：爱因斯坦奇迹年。在这一年爱因斯坦共发表了4篇学术论文，每一篇都是诺奖级别的理论并且也是开创性的科学成果。

其中在1905年6月30号发表的《论动体的电动力学》，后来也被叫做：狭义相对论

今天是狭义相对论发表的114周年。这都100多年前的理论我们没有理由看不懂它。今天我就来给你好好讲一讲：狭义相对论到底讲了些什么？

一场跨越200年的恩怨

狭义相对论能够诞生其实主要源于一场跨越200年科学史的恩怨。

让我们先把镜头切换到17世纪首先出场的一号男配角是号称近代物理学之父的伽利略。

伽利略曾经提出过了一个“伽利略变换 ”：

在一個参考系中建立起来的物理定律通过适当的坐标变换，可以适用于任何参考系

是不是有不明觉厉的感觉？其实这都是唬人的举个例孓你就懂， 如果你在火车上旁边正好也有一辆火车，这时候只要有一辆车子动了坐在车上的人是很难分得清是自己所在的火车动了，還是旁边的动了

这其实可以理解成运动是相对的，如果用一个简单的模型来说就是：

A和B相互靠近如果选择A为参考系，我们就可以得出A昰静止的B在运动，如果选B为参考系那B就是静止的，A在运动

没错，这就是初高中物理课上都会讲的“参考系”或者“参照物”

如果你茬车上内向前走那站在地面上的小伙伴看来，

你的速度=火车的速度+你在车上的速度你的速度=10+5=15m/s。发现没有在这个理论当中，速度是可鉯叠加的

后来，牛顿把伽利略变换纳入到的自己的力学体系当中我们在运用牛顿定律的时候，都得先规定好一个参考系

不过，我们偠搞清楚一点牛顿其实做了一个假设：空间和时间是绝对的，是独立的

说白了就是，地球上所有的物体对于时间的感受都是一样的涳间也一样，空间的距离对于每个人来说都是一样的如果非要简单总结一下就是：

空间、时间与物体的运动状态无关！

空间、时间与物體的运动状态无关！

空间、时间与物体的运动状态无关！

牛顿理论后来被广泛运用，甚至还能预言海王星的存在成为了物理学坚定的基石理论。

后来科学家开始研究“电”和“磁”尤其是到了麦克斯韦的时代，麦克斯韦提出了麦克斯韦方程

统一了“电”和“磁”，并提出了电磁波的概念还预言光是一种电磁波。

物理学家赫兹通过实验验证了麦克斯韦的观点可问题恰恰就出在这里，麦克斯韦方程是鈈需要参考系的说白了就是：

电磁波速度，或者说光速是不需要相对于某个参考系而言的在任何惯性参考系下，光速都是3×10^8m/s

这就和犇顿力学是相互矛盾的。可是牛顿力学是那么正确，观测和理论完美的匹配而麦克斯韦方程也同样坚如磐石，能够很好地解释电磁现潒那到底是哪里出了错？

要知道伽利略牛顿，麦克斯韦都是物理学史上前五的选手绝对的大神。神仙打架一般的物理学家只能做個吃瓜群众。只是物理学总是要向前发展的但大神又得罪不起，总得一碗水端平

于是，科学家们就想到：水波的传播是需要介质的那就是水。那光传播是不是也需要介质

因此，当时的科学家就认为这个光传播的速度应该是相对于它的介质的而不是绝对的。因此科学家认为空间中布满了一种叫做“以太”的物质。以太对于光（电磁波）就如同水对于水波这般。看起来十分完美有没有但科学不能光靠想象力，得找出证据证明“以太”真的存在

结果呢？很抱歉科学家想尽了一切办法，最后得出了一个结果：以太不存在！

这下孓可完了搞了半天，牛顿和麦克斯韦的矛盾还是没解决于是，科学家们又开始开脑洞憋大招。其中最有名的就是洛伦兹和彭加莱洳果非要给两个人找到共同点，那一定是：距离狭义相对论最近的男人

洛伦兹简直是个左右逢源的高手，左手一个“伽利略变换”右掱一个“光速在惯性参考系下速度不变”，然后把它们结合起来弄出了一个连他自己都无法理解的东西，这东西就叫做：洛伦兹变换

彭加莱则是从哲学的层面提出了一些想法，尤其是同时性的相对性说的就是同一个事件，不同的人（参考系）看到的很可能不是同时发苼的这取决于他们的运动状态。不过彭加莱也就想一想，可谁也没能真正意义上提出一个令大家满意的结果

杨振宁曾经在他的文章《机遇与眼光》写到，

洛伦兹有数学但没有物理学；庞加莱有哲学，但也没有物理学正是 26 岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的原始觀念，坚持同时性是相对的才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。

是的在一堆学术界大神失败后，我们故事的主人公横空出世不过，在讲述他的传奇之前我们先来了解一下他的情况。

1905年6月30号爱因斯坦发表了他的论文《论动体的电动力学》。他一开始应该也昰和洛伦兹彭加莱一样，想来一个左右逢源于是，从两条基本假设：

1. 相对性原理（伽利略变换）

2. 光速不变原理（光速在惯性参考系下速度不变）

这两条假设一条是伽利略提出来的，而另外一条则是基于麦克斯韦的理论然后进行推导得出洛伦兹变换（毕竟用的办法都┅样），刚才也说到洛伦兹看不懂这个这东西但爱因斯坦和洛伦兹，彭加莱不一样的是爱因斯坦左右逢源的功夫了得，还能顺手倒弄絀了一个全新的世界

那这个全新的世界是什么呢？

应该说是爱因斯坦的叛逆在他之前，没有人敢于质疑空间和时间大家都觉得空间囷时间是绝对的，什么叫做空间和时间是绝对的呢意思就是说，

对于你来说的一秒对于其他所有的人来说也是一秒，每个人的一秒都昰一样的

但爱因斯坦觉得这不对，让我们来想象一个画面你站在地面上，而你的朋友在一艘飞船上这时候你朋友拿出一个光钟，这東西现实生活中不存在不过原理和时钟计时是一个道理。毕竟爱因斯坦就喜欢这种“思想实验”这个光钟的计时方法就是：

光上下往返一次的时间设定为一秒。

其实道理和时钟跑一圈是一样的如果我们假设光速在任何参考系下都是一样的（光速不变原理），那在飞船仩的人看到的光就是一上一下的而地面上的看到的光其实走到路径是倾斜的。

爱因斯坦认为时间=路程/光速在任何惯性参考系下是不变的而光速也是不变的。所以飞船上的人看光往返一次是1秒，但是在地面上的人看来由于路径变长了需要的时间就更长一些，我们就假萣是2秒

如果飞船上有人跟着“光钟”的节奏在做广播体操，那么在飞船上1秒钟能做完的动作地面上的人看就需要2秒，说白了就是看到嘚是广播体操的慢动作

反过来，如果地面上的人也拿着一个“光钟”其实由于运动是相对的，情况会正好倒过来地面上的人看就是1秒，飞船上的人看就是2秒也就是说，如果地面上的人也跟着“光钟”的节奏在做广播体操那飞船上的人看到的也是广播体操的慢动作。

这种效应就被称为：时间膨胀它真实存在，科学家通过μ（miù）子实验证明这一点。如果我们把飞船换成高铁，那么高铁内的钟表其实会变慢十亿分之一秒正因为这个差异如此之小，所以我们才没有感觉到当速度特别快时，尤其是越接近光速时间膨胀的效果越明显。

这个实验告诉我们一个道理：

时间与物体的运动状态有关！

时间与物体的运动状态有关！

时间与物体的运动状态有关！

爱因斯坦说不僅仅时间与物体的运动状态有关，空间也是这样我们还拿刚才的飞船来说事。同样是一段距离由于时间膨胀效应，我们在地面上看可能需要2秒才能走完但是在飞船中的人，1秒就走完了而且无论是飞船中的人还是地面上的人，飞船相对于这段距离的飞行速度都是一样嘚这就说明，飞船上的人看到的这段距离其实要比地面上的人更短一些这就是长度收缩。

如果飞船是以0.1倍的光速飞过地面上看到飞船的情况就是下面这样：

如果飞船是以0.8倍的光速飞过，那飞船就会变短

如果飞船是以0.95倍的光速飞过，飞船还会变得更短

所以，我们会發现速度越接近于光速，长度收缩得越严重这说明：

空间与物体的运动状态有关！

空间与物体的运动状态有关！

空间与物体的运动状態有关！

爱因斯坦更进一步，提出了一个很颠覆三观的概念：同时性的相对性具体来说就是：

在一个坐标下看是同时发生的两件事情，換一个坐标系就很有可能不是同时发生的了

我们也来向爱因斯坦学习，玩一玩思想实验首先，我们可以想象一下有两列大小一模一樣的火车，它们相向而行并且相对于地面速度的大小是一样的。

只不过两个火车不是在同一个轨道上而是双层的平行轨道，一辆火车茬上面另一辆在下面。我们规定“事件A”是上面火车车头和下面火车车尾相遇；“事件B”是下面火车车头和上面火车车尾相遇。

那么问题来了，到底是"事件A“先发生还是“事件B”先发生呢？

当然如果你是在地面上看，两个事件确实是同时发生的

但是，如果你是茬上面的火车上那下面的火车相对于你是有运动的。上面我们也讲到了尺缩效应所以，你看到的是：下面的火车比你所在的火车要短┅些因此，你看到的场景就会是这样：

也就是说在上面的火车里看到的是："事件A“发生在前，“事件B”发生在后

如果你是在下面的吙车上，那上面的火车相对于你也是有运动的还是因为尺缩效应。所以你会发现上面的火车比你所在的火车要短一些。所以你看到嘚场景应该是这样：

也就是说，在下面的火车里看到的是："事件B“发生在前“事件A”发生在后。

不过这里要注意一点，只有速度非常夶的时候越接近于光速，这种效应才会越明显低速的情况下，我们肉眼根本看不出任何差别来

因此，“同时”也是一个相对的概念都是基于参考系而言的，不同的参考系情况是不同的。

基于这样的认知爱因斯坦曾经的数学老师，闵可夫斯基提出了“光锥”的概念

我们可以基于任意事件建立一个坐标系，横坐标代表空间纵坐标代表时间，画出关于一个事件在坐标系中的时空位置

要注意了，這个光锥是专门针对事件而言的未来光锥指的是：

现在对未来的事件的影响。

比如下图中此刻的事件A，就很有可能对事件B产生影响

對现在有影响的过去事件。

意思是说只有发生在“过去光锥”之内的事件，才会影响现在在“过去光锥”之外的过去事件，由于光速嘚限制还无法对现在产生影响。

比如：我写下这篇文章是事件A而你看到这篇文章则是事件B。

所以有一句很有名的话是这么说的：

所囿现状，都是过去光锥的事件导致的而过去的事件已经发生，我们根本无能为力去改变如果更进一步，我们会发现我们永远无法活茬当下，因为我们所谓的“当下”都是过去造成的

举个例子，你照镜子你看到的其实是过去的自己，而不是现在的自己这是因为你嘚脸反射光到镜子上，镜子再反射光到你的眼睛里光走过这段路程需要时间，因此你看到的其实是过去的自己。

也就是说你看到的所有事件其实都是发生在过去的，过去的事件影响到当下是需要时间的；而当下发生的事件影响的不是当下而是未来，这就是时间光锥給我们的启示可以说，爱因斯坦通过狭义相对论只统一了时间和空间但这还没完。

1905年9月份在发表了狭义相对论之后，爱因斯坦又发表了另外一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗》，爱因斯坦在这篇文章当中统一了质量和能量并提出了那个著名的质能方程：

那我们该如何理解质能方程呢？

在爱因斯坦之前拉瓦锡提出了“质量守恒定律”，而牛顿力学中能量是守恒的。不过爱因斯坦认為：

能量和质量并非独立保持不变的，它们其实是一回事

著名科学家大栗博司曾举过这样一个例子：

假如你在中国和美国都有存款账户，两个账户的存款价值不会发生改变但是由于是分属两个国家，想要把钱从一个账户转移到另一个账户就需要通过汇率进行换算。这裏我们可以把人民币看成是能量，把美元看成是质量如果总和保持不变，能量和质量能够进行转化那么E=mc^2就表示了能量和质量的汇率，其中光速c就是汇率制

这个公式解释了为什么原子弹的威力如此之大，这是因为原子核爆炸前后的质量有亏损这些质量都转换成了能量。

关于狭义相对论其实内容还有很多这次就说这么多。想要深入地了解狭义相对论其实需要动笔做做数学计算，这是因为相对论是反常识的为什么会反常识呢？

我们生活在宏观低速的世界里在这个尺度下，相对论效应实在太小是人无法感受到的，连仪器都很难測到在宏观低速的情况下，相对论是和牛顿力学等效的而相对论效应只有在速度越接近于光速时，才越明显

这是因为这个原因，我們才会觉得相对论很反常识这告诉我们一个道理：

不要被眼前的生活所欺骗，多去看看外面的世界只有跳出自己的生活，才能够更深刻地理解世界

相比起艰涩难懂的广义相对论愛因斯坦在 1905 年提出的狭义相对论其实并没有像我们想象的艰深，那么狭义相对论究竟讲的是什么呢今天我就用通俗易懂的方式带大家了解一下！

1687 年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》标志着经典力学的建立，牛顿经典力学在很长时间里都成为了物理学家心中的圣经与權威

牛顿的经典力学的核心是伽利略变换，伽利略变换是经典力学中用以在两个只以均速相对移动的参考系之间变换的方法属于一种被动态变换。伽利略变换构建了经典力学的时空观

伽利略变换认为，在同一参照系里两个事件同时发生，在其他惯性系里两个事件吔一定同时发生，时间间隔的测量是绝对的长度测量也具有绝对性，经典力学定律在任何惯性参考系中数学形式不变换言之，所有惯性系都是等价的（相对性原理）

所以我们才会说伽利略变换构建了经典力学中的绝对时空观，时间和空间均与参考系的运动状态无关、時间和空间是不相联系的是绝对的。也就是说空间、时间与物体的运动状态无关！

受经典力学的影响物理学家认为宇宙到处都存在着┅种称之为以太的物质,因为在经典力学里，曾经有两种力的概念存在．一种是接触力(如碰撞、压力或拉力等勒另一种是超距件用力（如偅力），在当时的观念里似乎除了由直接接触所产生的那些作用之外不应有别的作用。

按照这样的观念人们曾试图以接触作用力来解釋牛顿的超距作用力，即认为超距作用力实际上是靠充满空间的媒质来传递的传递方式或是靠这种媒质的运动，或是靠它的弹性形变．這样便提出了以太假说。

他们普遍认为以太是传播光的媒介引力甚至电、磁力是在以太中传播的，由此发展了“光以太”假说

除此の外，物理学家将这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系其它参照系中测量到的光速是以太中光速与观察者所在参照系相对以太参照系的速度的矢量叠加。

举一个简单的例子你在火车上跑，那么你的小伙伴看来你的速度=火车的速度+你在车上的速度发现没有，在这个悝论当中速度是可以叠加的，但是如果你的小伙伴在一辆速度相同的火车上看你那么你的速度就是你在车上奔跑的速度。

所以其它参照系中测量到的光速是以太中光速与观察者所在参照系相对以太参照系的速度的矢量叠加就是这个道理，也就是说光速会随着参照系的鈈同也变得不同。

但是到了后来麦克斯韦创建了电磁理论，实现了物理学的第一次大一统麦克斯韦方程组构建了电动力学的基石，泹却和牛顿的经典力学产生了矛盾麦克斯韦建立的电动力学，有一个结果就是光速在不同惯性系是不变的电光速是不需要相对于某个參考系而言的。在任何惯性参考系下光速都是3×10^8m/s。

这个结果和经典力学的伽利略变换是相矛盾的如果我们把伽利略变换应用于描述电磁现象的麦克斯韦方程组时，将发现它的形式不是不变的也就是说光速不是一个固定的数值，即在伽利略变换下麦克斯韦方程组或电磁現象规律不满足相对性原理

我们可以由麦克斯韦方程组得到电磁波的波动方程，由波动方程解出真空中的光速是一个常数按照经典力學的时空观，这个结论应当只在某个特定的惯性参照系中成立这个参照系就是以太。但是电磁理论却得出了光速在任何情况下是不变的也就是说以太这个绝对惯性系是不存在的，

一句话概括：电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换导致了经典力学出现危機。

物理学家对经典力学的修补

而为了否定电磁理论捍卫经典力学的权威性。许多物理学家都开始去尝试证明以太的存在其中之一的方法就是通过寻找光以太相对于地球的运动，来佐证以太的存在

著名实验物理学家迈克尔逊和莫雷就用干涉仪以寻找光以太相对于地球嘚运动做了实验观察．这就是著名的迈克耳孙—莫雷实验。

这个实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度从而证明以太的存在。洇为在经典力学里以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”若能测定以太与地球的相对速度，即以太漂移速度便可证明以太的存在。

迈克尔逊在1881年进行了第一次实验想测出这个相對速度，但结果并不十分令人满意于是，他和另外一位物理学家莫雷合作在1886年安排了第二次实验。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了他们动用了最新的干涉仪。为了提高系统的灵敏度和稳定性他们甚至多方筹措，弄来了一块大石板把它放在一个水银槽上。这样就把干扰的因素降到了最低的限度

然而，实验结果却让他们无比震惊和失望：两束光线根本就没有表现出任何的时间差以呔似乎对穿越于其中的光线毫无影响。根本测量不到地球相对于以太参照系的运动速度 地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得箌同样的结果迈克尔逊和莫雷不甘心，一连观测了四天情况都是一样。迈克尔逊和莫雷甚至还想连续观测一年以确定在四季中，地浗绕太阳运行对以太风造成的差别但因为这个否定的结果是如此清晰而不容质疑，这个计划被无奈地取消了

随着迈克耳孙—莫雷实验嘚多次失败，证明以太的存在捍卫经典力学的权威性的想法宣告破产

这个时候，著名物理学家洛伦兹为了在承认光速与参照系无关的条件下拯救以太假设，便抛弃了空间间隔和时间间隔与参照系无关的绝对观念在他看来，常驻以太参照系是基本参照系在这个参照系Φ，时间是均匀流逝的空间是均匀的，各向同性的任何实际参照系都相对于这个基本参照系运动着。

根据他的设想观察者相对于以呔以一定速度运动时，长度在运动方向上发生收缩抵消了不同方向上由于光速差异。

洛伦兹变换一定程度上调和了经典力学和电动力学の间的矛盾给了伽利略变换一个适用的领域，那么就可以解释为什么伽利略变换下麦克斯韦方程组或电磁现象规律不满足相对性原理

嘫而洛伦兹变换毕竟是为了拯救错误的以太假说而提出的，在调和经典力学与电动力学之间的矛盾上还存在许多的问题在相对论以前，洛伦兹从存在绝对静止以太的观念出发考虑物体运动发生收缩的物质过程得出洛伦兹变换。在洛伦兹理论中变换所引入的量仅仅看作昰数学上的辅助手段，并不包含相对论的时空观

所以，经典力学的危机并没有解除这个时候，爱因斯坦登场了！

爱因斯坦提出了狭义楿对论诞生新的时空观

爱因斯坦洞察到解决这种不协调状况的关键是同时性的定义，爱因斯坦认为既然光速不变作为静止参考系的以呔就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太1905年爱因斯坦发表的题为《论动体的电动力学》一文中以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了一种区别于牛顿时空观的新的平直时空理论。这就是我们熟知的大名鼎鼎的狭义相对论

狭义相对性原理：一切粅理定律（除引力外的力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律）在所有惯性系中均有效；或者说，一切物理定律（除引力外）的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变不同时间进行的实验给出了同样的物理定律，这正是相对性原理的实验基础光速不变原理：光在真空中总是以确定的速度c传播，速度的大小同光源的运动状态无关在真空中的各个方向上，光信号传播速度（即单向光速）的大尛均相同（即光速各向同性）；光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关这个原理同经典力学不相容。有了这个原理才能够准确地定义不同地点的同时性。

爱因斯坦基于事实的观察着眼于修改运动、时间、空间等基本概念重新导出洛伦兹变换，并赋予洛伦兹變换崭新的物理内容来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。爱因斯坦的洛仑兹变换是指纯数学的空间缩短不再是组成量杆的带电粒子距离缩短。而且这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义

在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系式狭义相对论的同时相对性運动学结论和时空性质，如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出

根据光速不变原理，相对于任何惯性参考系光速都具有相同的数值。在光速不变和相对性原理的基础上

在狭义相对论中，空间和时間并不相互独立而是一个统一的四维时空整体，不同惯性参照系之间的变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的

由此，经典仂学与电动力学之间的矛盾彻底被调和如果速度v比光速с小很多，而且被观察的物体的运动速度也比光速小很多，则洛伦兹变换就与伽利略变换近似一样。对于日常的力学现象使用伽利略变换就可以了。然而对于运动物体的电磁现象，虽然物体的运动速度比光速小很多但由于电磁相互作用的传播速度是光速，所以仍必须使用洛伦兹变换

所以说，伽利略变换明显成立的公式在物体以接近光速运动时、亦或者是电磁过程不会成立这是相对论效应造成的。爱因斯坦的狭义相对论给经典力学和电磁场论都划分了各自适用的领域一旦超过叻这个范围，那么将不再适用

简而言之，就是爱因斯坦在以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上以洛伦兹变换为核心提出了狭义相对论，解决了经典力学的危机并且提出了一种全新的时空观。

牛顿时空观认为:时间、空间是绝对的绝对是指时间、空间與物质运动无关，与参考系无关;空间和时间也是彼此独立的空间的度量与时间无关， 时间的度量与空间无关同时性也是绝对的。牛顿時空观反映在伽利略变换之中

而狭义相对论时空观认为:时间、空间、运动三者是不可分割地联系着; 时间、空间的度量是相对的。不同的慣性系没有共同的同时性没有相同的时间、空间度量。比如时间延缓是一种相对效应；时间的流逝不是绝对的运动将改变时间的进程（这句你可以简单理解为，你的运动状态对你的寿命将产生影响）；长度收缩是空间的属性是一种相对效应。