以下内容参考自万维钢《精英日课.第三季》
相对论对绝大多数人来说是个神秘的理论。你肯定已经听说过有关相对论的一些有趣的和怪异的结论，比如说，一个物体在高速运动的时候，它的长度会变短，它的时间会变慢。
咱们假设有一个距离地球 40 光年远的星球。光需要走 40 年才能到达那里。那么如果你以 80% 的光速前往那个星球，你得飞行 50 年才能到达那里，对吧？在留在地球的我们看来的确是这样。如果你出发的时候 20 岁，到达的时候是 70 岁吗？
不是。根据相对论效应，高速运动的物体的时间会变慢。寻常的 50 年对你来说只有 30 年，你到达的时候，只有 50 岁！而你要是能以 99.5% 的光速飞行，你的时间将会比我们慢 10 倍！
这也就是说相对论效应可以让人穿越到未来。这个世界为什么是这样的？这不是科幻，而且这还仅仅是开胃菜……
相对论，本质上是关于时空的理论 —— 时空跟我们寻常想象的完全不同。正是因为有了相对论，我们才知道有黑洞这种东西，我们才知道空间居然会膨胀，我们才知道宇宙有个起源。
相对论是一个出了名的难懂的理论。据说爱因斯坦刚刚发表狭义相对论的时候，全世界只有 2.5 个人能理解。等相对论被物理学家广泛接受、爱因斯坦爆得大名，公众又理解不了。我记得欧洲当时还出了一本书叫《一百个反对爱因斯坦的作家》 —— 而爱因斯坦对此的回答是“如果相对论真的错了，有一个人反对就够了。”
那相对论真的这么难吗？要知道爱因斯坦发表狭义相对论是在 1905 年，距离今天已经 100 多年了。我们没有理由不能理解一个清朝末年就出来了的理论！
一、一个信念
咱们先来考虑一个思想实验。假设你在一艘游轮上旅行，这艘游轮在海上开的速度很快，但是它非常平稳，没有任何颠簸。游轮上有个全封闭的大厅，里面有游泳池有球场，你甚至还可以在里面做物理实验。
那请问，在不和外界发生任何联系的情况下，你能判断出这艘游轮是在前进还是静止不动吗？
你可以做各种实验。比如说把球抛到空中，在静止的情况下，球会落回你的手中。可是在这艘游轮里也是这样，球也会落回你的手里。你向游轮前进的方向射门，同在游轮上的守门员只会感到你射门的寻常速度，而不需要考虑游轮的速度。
只要游轮的速度不发生变化，你就无法判断它是在运动还是静止！其实我们生活的地球就相当于是这样一个游轮。地球绕太阳公转的速度是 29.8km/s，但根本感觉不到它正在高速前进。
这个道理，最早是物理学的祖师爷伽利略想明白的。你在速度是 50km/h 的游轮上建立一个坐标系研究物理学，我在地面建立一个坐标系，咱俩其实是对等的。你相对于游轮是静止的，相对于我是运动的。你向前射出一支箭，箭相对于你的速度是 360km/h，那相对于我就是 360 + 50 = 410km/h。
不跳出自己的坐标系往外看，你单凭做一个射箭、抛小球之类的实验无法区分运动和静止。匀速直线运动和静止没有本质区别，速度都是相对的。
这个其实就是相对论，这就叫“伽利略的相对论”。
总而言之，物理学家看破了运动。在物理学家的眼中，运动和静止其实是一回事儿。
二、看破世间繁华
物理学，有点看破红尘的意思。
以前人们眼中非常不一样的两个东西，物理学家发现它们其实是一回事儿，这是物理学统一世界的一个主旋律。
古人认为大地静止不动，日月星辰都绕着地球做完美的圆周运动。天和地，截然不同。可是后来天文学家精细的观测发现不对，天体运行的轨迹并没有那么完美，很复杂。
地心说
结果哥白尼提出，说如果你把太阳当做是静止不动，想象地球和其他行星都在绕着太阳做圆周运动的话，你就容易解释以前解释不了的一些轨道。地球，不是宇宙的中心。
这个日心说就有点看破红尘的意味。哥白尼等于是说地球和天上的那些天体没有本质的区别，天和地是一回事儿！
天主教会受不了这个学说，而物理学的思想解放才刚刚开始。哥白尼那时候人们还以为行星都是做圆周运动，而且是有一些小精灵在推着行星运动。
等到天文学家开普勒的时候，他就提出行星绕着太阳转的轨道并不是完美的圆形，而是一个椭圆。开普勒甚至已经提出行星不需要什么精灵推着走，只要太阳给行星一个吸引力就行。开普勒，把行星给看破了。
日心说
等到牛顿一出手，就把引力也给看破了。牛顿说不但太阳和地球之间有引力，地球上的所有有重量的东西之间也都有引力。引力普遍存在，天上和地上真的是一回事儿。
这几次“看破”之后，当然还得再结合数学方程和天文观测，物理学就成了一个非常成功的理论。咱们看看“牛顿三大定律”中的前两个 。
第一定律说，在没有外力的作用的情况下，任何一个物体将会保持匀速直线运动或者是静止。匀速直线运动和静止一样，无需外力，无需解释。
第二定律说，力会改变物体的运动方式。注意这里面有个关键的点，力不是运动的原因 —— 没有力，物体本来也在匀速直线运动。力，是改变运动的原因。如果是一个理想的光滑平面，上面的一个滚动的乒乓球会一直前进 —— 生活中的乒乓球之所以会停下来，那是因为平面给它提供了摩擦力。一直动不停，无需解释；动着动着停下了，才需要有个原因。
这两个定律都离不开伽利略的相对论。力只能带来加速度，单纯的速度跟力无关。匀速直线运动和静止都没有力，所以物理定律在游轮和地面是一样的。
其实你不做实验也能想明白，单纯谈速度真没啥意义。宇宙中你来我往，可能距离地球很遥远的一个星球，跟我们之间就有个特别高的相对速度。那你说，那个天体上的物理定律会和咱们这里有什么不一样吗？不会的。在那里的外星人看来他们是静止的，我们才是在高速运动。
所以相对论是物理学家的一个信念。这个信念也可以叫“不特殊论”：不管你的速度有多快，你的坐标系都不特殊。
三、相对论与哲学家
爱因斯坦的相对论其实是伽利略相对论的延伸。伽利略相对论是说如果你不往自己的坐标系之外看，你做任何抛小球之类的力学实验都无法判断自己是运动还是静止 —— 而爱因斯坦相对论则是说，不用限制在力学，你不管做什么实验都无法判断自己是运动还是静止。
哲学家很喜欢谈论相对论。但是物理学家对哲学家有时候是嘲讽的态度。有一套特别厉害的物理学教材叫《费曼物理学讲义》，是大概有史以来最有趣的物理学家理查德·费曼在加州理工学院给本科生讲课的记录。费曼在这个讲义里专门设置了一个小节，叫“相对论与哲学家”。
费曼物理学讲义
费曼说，有些哲学家把相对论想的特别容易。哲学家听说了相对论的这个信念，就觉得这对我们哲学家来说不是明摆着的原理吗？不跳出自己的坐标系你当然不知道自己是运动还是静止！物理学家折腾半天，结果还不是我们哲学家等候多时了吗？
是吗？相对论如此平凡吗？哲学家坐在家里喝着茶就能想出来吗？牛顿以后的物理学之所以不叫哲学了，就是因为物理学不是坐在家里就能想出来的学问，物理学家靠的是数学、实验和观测。
接下来的事实，足以让费曼嘲笑那些哲学家。因为它足以让所有人都目瞪口呆。
这件事就是光速在所有坐标系下是一样的。
咱们再回到游轮。假设站在游轮上的你不是向游轮前方射出一支箭，而是用手电筒打出一束光，你猜这束光的速度应该怎样。相对于你来说，光速约每秒 30 万公里。
那既然你跟站在地面上的我的相对速度是每 360km/h —— 也就是 0.1km/s，根据刚才伽利略的算法，我眼中这束光的速度就应该是每秒 30万.1公里，对吧？
物理学家发现，不是这样的。不管你跟我的相对速度有多快，我测量和你测量这束光的速度都是每秒30万公里！
可这怎么可能呢？我们这个世界怎么会是这样的呢？
这件事，哲学家坐在家里喝多少茶都发现不了。你之所以觉得它怪异，只不过是因为你生活的范围实在太小了，见识太有限了。
以上内容参考自万维钢《精英日课.第三季》
下一篇：相对论(2)：英雄与危机
网友评论