写给爸爸们的简明《相对论》2/5

狭义相对论

相对论分为狭义相对论和广义相对论，首先介绍狭义相对论，从哪里开始呢？

上帝说：要有光。于是就有了光。随后宇宙万物由此产生。

真是惊人的相似！！《圣经》说世界是由光开始创造的，而爱因斯坦也正是从光开始研究的，把光当作开启宇宙奥秘的“钥匙”。狭义相对论有两个重要的立论基础，其一便是对光的全新认识。

狭义相对论基础之一：以太是不存在的，光速是不变的。19世纪的科学家已经知道光是一种波的运动，如同水波、声波的传播需要载体一样，当时普遍认为宇宙空间中充满了一种传播光的载体­­——“以太”。如果以太存在，地球的自转就是在拨开以太并转动。如同人在静止的空气中运动会感受到迎面而来的风一般，地球拨开以太转动就必然会经受迎面吹来的“以太风”。如果真的有以太风，光速就会时大时小，根据以太风的阻力而变化。

美国人迈克尔逊和莫雷设计了一个实验，希望找到“以太风”。结果实验失败了，但这个“失败”的实验却成为历史上的一次最革命、最富有重大意义的实验，因为它的结果意味着没有以太风，光的速度不受地球运动的影响。爱因斯坦于是大胆提出，根本不存在什么以太风，光的速度是保持恒定不变的，即使观测场所在移动，或者光源在移动，光在真空中总是以每秒30万公里的速度行进，而且这是宇宙速度的极限，再没有比光跑得更快的速度。这就是光速不变原理。

光速不变原理是惊人的！我们刚刚才说过速度是个相对的概念，可是爱因斯坦却说光速是绝对的。我们都知道，速度是运动距离与时间的比值，如果速度变成恒定的了，那么距离和时间会怎么变化？这个惊人的假设将会颠覆整个物理学。

狭义相对论基础之二：宇宙中没有绝对静止的场所，在惯性系内的一切物理定律，都与静止状态相同。牛顿曾经提出过一个“绝对静止坐标”的观点，他认为宇宙中存在一个完全静止的坐标，以它为参照系，可以计算出宇宙中每一个运动物体的绝对速度。爱因斯坦对此产生了疑问，他的理由来自于伽利略的一个理论。

在生活中我们常会遇到这样一种现象：在以恒定速度平稳行驶的火车或者轮船上，向上抛出一个球总是会掉落到原来的手中，就如同车船保持静止时一样。如果在四周密闭的车箱中做这个实验，你甚至不会察觉到车船是在运动中。伽利略由此提出了著名的相对性原理：适用于静止情况下物体的运动定律，在作匀速直线运动的情况下也依然成立。

爱因斯坦认为，假如宇宙中真有一个牛顿提出的“绝对静止坐标”，那么你根本无法分辨它是静止还是作匀速直线运动，因为他们适用于相同的物理定律，再讨论绝对静止和绝对坐标都是没有意义的。爱因斯坦否定了牛顿的绝对坐标，并且大胆提出宇宙中根本不会有绝对静止的场所。

爱因斯坦把静止的或者作匀速直线运动的场所称为“惯性系”，在伽利略的基础上，进一步发展出了自己的相对性原理：在任何一个惯性系中，一切物理定律都与在静止场所一样，依然成立。