狭义相对论和广义相对论

虽然相对论确实很反常识，但是还是可以试着通俗的讲一讲的。

相对论是对牛顿力学的一个修正

首先我们要明白相对论是爱因斯坦对牛顿力学体系的一个修正，这个基调要明白，是修正不是革命替代。也就是说牛顿的力学不是错了，而是它的适用范围有限，它只能在低速宏观的条件下使用，而当物体以接近光速运动的时候牛顿的力学就不太准了，这时候我们要用相对论力学来修正它。也可以这样理解： 牛顿力学是相对论力学在速度远小于光速时候的一个特例。

 

我们先看狭义相对论（叫狭义是因为狭义相对论只在惯性系中有效，它考虑的是平直时空的问题，不涉及引力），看看它到底修正了牛顿力学的哪些东西，看看有哪些东西到了接近光速的时候就不能用牛顿力学来解释了。

不听话的光

本来牛顿的世界一切都安静祥和美好，宇宙的规律似乎尽在掌握之中，但是这时候出现了一个不听话的东西：光。

光怎么个不听话法呢？因为光速它不变！

有人说光速不变有什么奇怪的，物理学里速度不变的东西多了去了，声音在空气里的传播速度也不变，钟摆还一直规矩的摇摆呢。但是，我说的光速不变不是指这个，而是说光速相对参考系不变！！！

怎么理解这句话成了理解狭义相对论的关键。

我给大家举个例子：假设你现在在一辆火车上，火车的速度是100米每秒，然后你以1米每秒的速度在火车里面往前走，这时候你想象一下如果地面上有个人，他测量你的速度的话，会是多少？

我相信你敢肯定的说是101米每秒，这么简单的问题小学生都会。没错，确实是101米每秒，地面上观测到人的速度就是火车的速度+人在火车上行走的速度。而且，不光是人在里面行走，似乎不论什么东西，你在火车了仍飞镖也好，打枪也好，都会满足这种简单的加法，也就是说地面上的人观察到的速度一定是 火车的速度加上火车里面东西的速度。

但是，当实验对象换成光的时候，这一切就变了。我们现在都知道光速的大约是30万公里每秒（后面的光速用字母c代替），如果我在火车里打开一个手电筒，我在地面上的人测量这个光速，它居然不是c+100，而是依然还是c。也就是说，我在地面上测量的手电筒的光的速度竟然不是光速+火车的速度，我在火车上测量光速是c，到地面上测量它还是c。

偶滴歌神啊， 光为了与众不同，为何这么拼？

要进一步了解光速为什么不变，可以参考我下面写的另一偏文章： 《如何彻底搞懂狭义相对论里的“光速不变”？》

如何处理不听话的光

科学家们做了很多实验，最后的结果都是一样的：光这个顽固的小子不论谁在哪里测量，他都是c,完全不符合牛顿力学里最基本的速度叠加原理，这个事怎么处理？

有一大批人试图用以太来解释这个，后来这一批全部阵亡，不解释。

爱因斯坦想，光这小子好像确实与众不同，不同参考系下的光速确实都是一样的，不符合以前的叠加原理，这种事情要怎么办呢？

为什么光速会不变呢？想不通，既然想不通，那就干脆假设光速是不变的，看看能推导出一些啥东西来，而且如果假设光速是不变的，麦克斯韦电磁学和牛顿力学之间的矛盾也好解释了，也能解释一些其他的难以理解的现象，这真是一举多得啊。

然后好景不长，爱因斯坦看看他笔下的公式，OMG，看看我都推导出来了一些啥？如果光速是不变的，那么运动的物体时间会变慢，长度会缩短，质量会增加，这个世界疯了么？

爱因斯坦推出来的这一套就是狭义相对论。

所以，简单的来说，狭义相对论就是爱因斯坦假设光速在不同的参考系下都一样，然后把牛顿体系里除了万有引力定律的东西重新给推理了一遍。因为光速是不变的，所以在爱因斯坦推导出来的新公式里，啥都跟速度光速有关系，时间、长度、质量、能量都是，然后就有了上面说的运动的物体时间会变慢，长度会缩短，质量会增加这些狭义相对论的效应。

广义在哪里

上面说了狭义相对论，那广义相对论又是啥？狭义广义，从名字上来看，也应该知道广义相对论适用的范围更广一些。还记得上面在说狭义相对论的时候我说了狭义相对论是基于惯性系的么？惯性系就是静止或者匀速直线运动的参考系，简单来说就是没有加速度的条件，但是世界上根本找不到真正绝对的惯性系，真正的物理世界基本上一动就要碰到加速度这个怪物。

那怎么办？总不能让一种理论永远只存在于理想环境里吧？于是爱因斯坦就绞尽脑汁，把相对论从惯性系推广到非惯性系，要让这一套思想真正的在不管有没有加速度都能使用，爱因斯坦成功了，后面这个在非惯性系里也能用的就叫广义相对论。

等效原理

大家还记得我在上面一句话说狭义相对论的时候，说狭义相对论是把牛顿体系里除了万有引力定律以外的东西都给推了一遍么？为什么要把万有引力定律除外？

理由很简单，狭义相对论是考虑的是惯性系，如果有引力的话，那肯定就会产生加速度，变成非惯性系了。所以，狭义相对论无法包含万有引力定律，也无法处理加速度的事情。

引力和加速度，一个代表力，一个代表运动，这两个事在狭义相对论里都解决不了，那要怎么办呢？

反正关子我也不卖，据说爱因斯坦是有一天晚上做了一个梦，梦到自己在一个电梯了垂直自由下落，然后他想到了一件事： 如果一个人在电梯里自由落体，那么它是感受不到重力的，就像在电梯里悬浮了一般。

柯南的大脑，哦不，是爱因斯坦的大脑突然划过一道闪电：电梯自由下落这是引力导致的，我在电梯里感受不到重力加速度。这个场景刚好把狭义相对论无法处理的两个东西（引力和加速度）都包含进来了，而且，他们似乎是相等的。

总之，爱因斯坦经过一轮疯狂的思考之后，他大胆的提出了一个假设：引力场和加速度的等效的（做了通俗化处理）。

说的正规一点就是： 局部引力场中自由下落的参考系与无引力场的惯性系不可区分。

回到电梯的话题就是：我悬浮在电梯里，你从里面完全无法区分我是悬浮在太空里（惯性系），还是在一个自由落体运动的电梯里（有地球引力的非惯性系），无法区分就是等价，就是说两者的在物理上是一样的。

总之，这个东西就是等效原理，是广义相对论的一个假设（跟光速不变是狭义相对论的假设一样）。

广义相对论

这说明了啥？我把一个有引力非惯性系成功的转化成了一个惯性系，这就意味着我可以这样去处理引力，把引力场等效成一个特殊的惯性系，然后在惯性系里我就可以使用狭义相对论了。

爱因斯坦真的就这么干了， 利用等效原理可以把带引力的非惯性系转化成不含引力的惯性系，凡是有引力的地方我都给它加一个自由降落的参考系将引力消除，然后剩下的事情用狭义相对论处理。利用这样的思想，爱因斯坦创立了广义相对论，把引力包也包含到里面去了。

这里我们瞻仰一下广义相对论的引力场方程：

这个方程在我们无需理解，权当用来瞻仰一下爱因斯坦的伟大。这个方程左边表示的是时空弯曲的情况，右边表达物质及其运动。

用一句比较诗意优雅的话来说就是： 物质告诉时空怎么弯曲，时空告诉物质怎么运动。

广义相对论的通俗解释就只能到这里了，它的核心思想的就是： 任何有质量的物体都会引起时空弯曲，然后物体在这个弯曲的时空里继续做他们的“惯性运动”。

弯曲得太厉害以至于光掉进去都出不来了就是黑洞，这边弯曲的恰好跟另一个弯曲的亲嘴对上了就是虫洞。

 

 

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