提起愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，大家往往首先想到的是時(shí)間旅行，四維時(shí)空這些充滿科幻色彩的詞而覺(jué)得它充滿了神秘而對(duì)其敬而遠(yuǎn)之。其實(shí)相對(duì)論和量子力學(xué)一樣，都是基于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)建立起來(lái)的并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的理論。我們之所以覺(jué)得它們神秘是因?yàn)樗鼈兊贸龅慕Y(jié)論顛覆了我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)的直覺(jué)，但只要我們從正確的角度去了解它們，其實(shí)也不是不能有所感悟。當(dāng)然，相對(duì)論所涉及到的數(shù)學(xué)物理知識(shí)的確很深?yuàn)W，但我們可以撇開(kāi)那些深?yuàn)W的部分先從最簡(jiǎn)單的角度去著手。

相對(duì)論分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，我們先從最簡(jiǎn)單的角度看看狹義相對(duì)論。在討論狹義相對(duì)論的時(shí)候，我們首先要明確兩個(gè)基本前提，一是一切物理定律在所有慣性參考系中是等價(jià)的，這很好理解，另一個(gè)就是光速是不變的。怎么理解光速不變呢？我么都知道在實(shí)際生活中，速度是相對(duì)的，比如我們站在鐵軌旁，一輛100m/s的火車經(jīng)過(guò)，如果火車上有一個(gè)人沿著火車前進(jìn)的方向以1m/s的速度走動(dòng)，那么相對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，看那個(gè)人的速度是101m/s，但對(duì)火車上的其他人來(lái)說(shuō)，這個(gè)人的速度是1m/s，但對(duì)于光來(lái)說(shuō)卻不是這樣，光的速度是恒定不變的，也就是說(shuō)如果把那個(gè)人換成是光，無(wú)論對(duì)車上的人還是車下面的人，光速都是不變的。不管我們迎著光還是背著光去測(cè)量光速，它都是定值，這也是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證的。只要我們理解光速的不變性，我們甚至可以用初中的知識(shí)來(lái)推導(dǎo)出時(shí)間和尺度的相對(duì)性。

如圖所示，假設(shè)我們從地面上觀察一個(gè)飛船，從A處飛到B處，同時(shí)飛船上有一個(gè)光，從底部運(yùn)動(dòng)到頂端，那么在地面上的人看來(lái)，飛船走的距離是vt，光走的距離是ct，而飛船上的人則看到光走的距離是ct‘，其中假設(shè)t是地面上人觀察這一過(guò)程所花的時(shí)間，t’是飛船上人觀察這一過(guò)程的時(shí)間，這三個(gè)距離則組成一個(gè)直角三角形，根據(jù)勾股定理我們可以得到(ct’)2+(vt)2=(ct)2

由此可見(jiàn)，雖然是同一過(guò)程，但飛船上的時(shí)間相對(duì)地面的時(shí)間的確是不一樣，時(shí)間的確是相對(duì)的。這一結(jié)論已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的證明，我們平常很難感覺(jué)到時(shí)間的相對(duì)性是因?yàn)槲覀兊乃俣认鄬?duì)光速太慢了，哪怕以超音速飛機(jī)為例，按照音速340m/s來(lái)計(jì)算，340x340/c2=0.00000000000128，帶入上式后基本上t‘=t。通過(guò)上面的式子我們很容易看出，隨著速度的不斷變大，時(shí)間的相對(duì)性也就越明顯。當(dāng)以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，t’=0，這就是時(shí)間靜止的由來(lái)，當(dāng)速度大于光速，根號(hào)下就是負(fù)數(shù)，計(jì)算出來(lái)就是虛數(shù)，這就是大家認(rèn)為我們可以以超光速的速度穿越時(shí)空進(jìn)行時(shí)間旅行的原因。

基于此甚至產(chǎn)生了一個(gè)著名思想實(shí)驗(yàn)，即雙生子佯謬。假設(shè)有一對(duì)雙生兄弟，其中一個(gè)跨上一宇宙飛船作接近光速的長(zhǎng)程太空旅行，而另一個(gè)則留在地球。結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球后，我們發(fā)現(xiàn)他比他留在地球的兄弟更年輕。但如果以飛船上旅行者的角度觀察，旅行者自己是靜止的，地球上的兄弟在做近光速運(yùn)動(dòng)，那么地球上的時(shí)間則變慢了，當(dāng)旅行者返回時(shí)地球上的兄弟更年輕才對(duì)，可見(jiàn)，從不同的角度分析其結(jié)論是不同的，而且是相互矛盾的。究竟是乙比甲年老了許多還是甲比乙年老了許多？還是兩者都錯(cuò)了，二人應(yīng)該一樣年輕？這個(gè)命題就叫做“雙生子佯謬”。由于地球可近似為慣性系，甲要經(jīng)歷加速與減速過(guò)程，是變加速運(yùn)動(dòng)參考系，真正討論起來(lái)非常復(fù)雜，因此這個(gè)愛(ài)因斯坦早已討論清楚的問(wèn)題，被許多人誤認(rèn)為相對(duì)論是自相矛盾的理論。如果用時(shí)空?qǐng)D和世界線的概念討論此問(wèn)題就簡(jiǎn)便多了，只是要用到許多數(shù)學(xué)知識(shí)和公式。但我們可以這么去理解，其實(shí)無(wú)論他們?cè)趺幢容^，都是他們各自以自己的體系去和別的體系去比較，但如果他們只跟自己比較，其實(shí)感覺(jué)到的時(shí)間流逝是一樣的，旅行者對(duì)自己衰老速度的感覺(jué)和地球上他兄弟對(duì)自己衰老速度的感覺(jué)是一樣的，不會(huì)說(shuō)因?yàn)槟氵\(yùn)動(dòng)快就感覺(jué)自己衰老速度變慢。也就是說(shuō)時(shí)間在同一個(gè)系統(tǒng)中快慢的感覺(jué)是一樣的，只有在跟其他體系做比較時(shí)，才會(huì)相對(duì)它體系存在差異。狹義相對(duì)論還存在另外一種效應(yīng)即尺縮效應(yīng)?？梢圆捎猛瑯拥姆椒?，證明運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度隨觀察者與運(yùn)動(dòng)物體之間的距離的減少，還存在長(zhǎng)度伸長(zhǎng)的效應(yīng)。通過(guò)以上討論，我們清楚了，同時(shí)性是相對(duì)的還是絕對(duì)的取決于觀察時(shí)間的方法，離開(kāi)這一點(diǎn)強(qiáng)調(diào)同時(shí)性是相對(duì)的還是絕對(duì)的是沒(méi)有意義的。即使按照同時(shí)性是相對(duì)的觀點(diǎn)，時(shí)間除了膨脹效應(yīng)外，還應(yīng)有收縮的效應(yīng)，所以說(shuō)雙生子佯謬本身是不存在的。

另外愛(ài)因斯坦還推導(dǎo)出了質(zhì)速關(guān)系，即

表明，物體的慣性質(zhì)量并非一個(gè)不變的常數(shù)，而是會(huì)隨著速度v的加快而變大。當(dāng)速度v趨于光速c時(shí)，原本靜質(zhì)量只有m0的物體，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m會(huì)增大到無(wú)窮。這也是為什么對(duì)于那些擁有靜質(zhì)量的物體，光速是不可能達(dá)到的極限；而對(duì)于那些沒(méi)有靜質(zhì)量的物體，光速就是它們的唯一所能運(yùn)動(dòng)的速度。結(jié)合牛頓定律往下推，就可以得到大名鼎鼎的質(zhì)能方程

質(zhì)能方程則揭示了質(zhì)量和能量在本質(zhì)上是等價(jià)的，為原子彈氫彈等核武器的研究提供了理論基礎(chǔ)。

以上就是狹義相對(duì)論所涉及到的一部分大家都喜聞樂(lè)見(jiàn)討論的內(nèi)容。而廣義相對(duì)論其實(shí)是將相對(duì)論效應(yīng)擴(kuò)展至非慣性系：引力等同于時(shí)空彎曲。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是萬(wàn)有引力只是表象，真實(shí)的原因是物質(zhì)的質(zhì)量導(dǎo)致了它周圍的時(shí)空發(fā)生了彎曲，物質(zhì)在彎曲空間中做最短線運(yùn)動(dòng)。換句話說(shuō)就是物質(zhì)引起周圍時(shí)空的彎曲，時(shí)空的彎曲決定了周圍物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式。廣義相對(duì)論還預(yù)言了黑洞、引力波等，這些也都得到了證實(shí)。

當(dāng)然，其實(shí)相對(duì)論所涉及到的理論遠(yuǎn)不是文中所講的那么簡(jiǎn)單，但只要我們敢于先從最簡(jiǎn)單的角度入手去嘗試了解它，它才會(huì)變得不那么神秘與高深，從而幫助我們更理性和深刻的認(rèn)識(shí)這個(gè)世界。