什么是相对论？

相对论原理(相对论)

相对论是关于时空和引力的基础理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论(狭义相对论)和广义相对论(广义相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理、相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学并不适合高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动的问题；量子力学解决的是微观亚原子条件下的问题。相对论极大地改变了宇宙和自然的常识概念，提出了同时相对论、四维时空、弯曲空间等新概念。

广义相对论的概念

相对论一出，人们看到了以下结论:四维弯曲时空、有限无边宇宙、引力波、引力透镜、大爆炸宇宙学、21世纪的主旋律——黑洞等等。这一切来得太突然，让人觉得相对论很玄妙。所以在相对论问世的最初几年，有人扬言“世界上只有十二个人懂相对论”。甚至有人说“世界上只有两个半人懂相对论”。更有甚者将相对论与“灵学”、“唯心论”相提并论。其实相对论并不神秘，它是最脚踏实地的理论，是经过千万次检验的真理，并不是高不可攀。

相对论应用的几何不是普通的欧几里得几何，而是黎曼几何。相信很多人都知道非欧几何，非欧几何可以分为罗氏几何和黎曼几何。黎曼从更高的角度统一了三种几何，称为黎曼几何。非欧几何有很多奇怪的结论。三角形内角之和不是180度，圆周率不是3.14。所以刚提出来的时候就被嘲讽，认为是最没用的理论。直到在球面几何中发现了它的应用，才受到重视。

如果空间没有物质，时空就是平的，那么欧几里德几何就够了。比如在狭义相对论中的应用就是四维伪欧氏空间。因为时间坐标前面有一个虚数单位I，所以加了一个伪字。当空间存在物质时，物质与时空相互作用使时空弯曲，这就意味着使用非欧几何。

相对论预言了引力波的存在，发现引力场和引力波都以光速传播，否定了万有引力定律的超距效应。当光来自恒星，遇到大质量天体，会再次汇聚，也就是我们可以观测到被天体遮挡的恒星。一般来说，你看到的是一个环，叫做爱因斯坦环。爱因斯坦将场方程应用于宇宙时，发现宇宙并不稳定，它要么膨胀，要么收缩。当时的宇宙学认为宇宙是无限的，静止的，恒星是无限的。于是他毫不犹豫地修改了场方程，加入了宇宙项，得到了稳定解，提出了有限无限宇宙模型。不久哈勃发现了著名的哈勃定律，提出了宇宙膨胀理论。爱因斯坦为此后悔，放弃了宇宙项，称之为一生中最大的错误。在后来的研究中，物理学家惊讶地发现，宇宙不仅在膨胀，而且在爆炸。非常早期的宇宙分布在非常小的范围内。宇宙学家需要研究粒子物理学的内容来提出更全面的宇宙演化模型，粒子物理学家需要宇宙学家的观测和理论来丰富和发展粒子物理学。这样，物理学中最活跃的两个分支——粒子物理学和宇宙学，就这样相互结合起来了。就像高中物理序言里说的，就像一条奇怪的蟒蛇咬着自己的尾巴。值得一提的是，虽然爱因斯坦的静态宇宙已经被抛弃，但它的有限无边宇宙模型是未来宇宙的三种可能命运之一，也是最有希望的。近年来，宇宙项被重新估值。黑洞的问题将在以后的文章中讨论。黑洞和大爆炸虽然是相对论的预言，但其内容已经超出了相对论的限制，与量子力学和热力学紧密结合。希望未来的理论能在这里找到突破口。

狭义相对论的概念

马赫和休谟的哲学对爱因斯坦有很大的影响。马赫认为时空的度量与物质的运动有关。时空的概念是通过经验形成的。绝对的时间和空间无论是基于什么经验都是无法把握的。更具体地说，休谟说:空间和外延不过是充满空间的按一定顺序分布的可见物体。而时间总是通过可变化的对象的可感知的变化而被发现的。1905年，爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷的实验实际上表明“以太”的整个概念是多余的，光速是恒定的。牛顿的绝对时空概念是错误的。没有绝对静止的参照物，时间的测量随着参照系的不同而不同。他基于光速不变和相对性原理提出了洛伦兹变换。创立了狭义相对论。

狭义相对论是基于四维时空观的理论，所以要理解相对论的内容，首先要对它的时空观有个大概的了解。数学中有各种多维空间，但到目前为止，我们所知道的物理世界只有四维，也就是三维空间加上一维时间。现代微观物理学中提到的高维空间是另外一个意思，只有数学意义，这里就不讨论了。

四维时空是构成现实世界的最低维度，而我们的世界恰好是四维的。至于高维真实空间，至少我们还无法感知。我在一个帖子里提到过一个例子。当一把尺子在三维空间(不包括时间)旋转时，其长度不变，但旋转时，其所有坐标值都发生变化，坐标是相关的。四维时空的意义在于，时间是第四维坐标，与空间坐标相关，也就是说，时空是一个统一的不可分割的整体，它们是一种“一变一变”的关系。

四维时空不仅限于此。根据质能关系，质能其实是一回事。质量(或能量)不是独立的，而是与运动状态有关。比如速度越大，质量越大。在四维时空中，质量(或能量)实际上是四维动量的第四个分量，动量是描述物质运动的量，所以质量与运动状态有关是很自然的。在四维时空中，动量和能量是统一的，称为能量动量的四个矢量。此外，四维速度、四维加速度、四维力和四维形式的电磁场方程都是在四维时空中定义的值得一提的是，四维形式的电磁场方程更加完善，它完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理规律比三维规律完善得多，这说明我们的世界确实是四维的。可以说，至少比牛顿力学完善多了。至少因为它的完美，我们不能怀疑。

在相对论中，时间和空间构成了不可分割的整体——四维时空，能量和动量也构成了不可分割的整体——四维动量。这说明自然界中一些看似不相关的量之间可能存在着很深的联系。以后我们讲广义相对论的时候，也会看到时空和能量动量四个矢量之间也有着深刻的联系。