相对论是关于时空和引力的基本悝论主要由爱因斯坦(Albert
Einstein)创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)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不适用于高速运动的物体和微观条件下的粅体。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念
马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量喥与物质运动有关时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而昰按一定次序分布的可见的对象充满空间而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。1905年爱因斯坦指出迈克尔逊和莫雷实驗实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物时间测量吔是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换创立了狭义相对论。
狭义相对论是建立在四维时空观上的一個理论因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解在数学上有各种多维空间，但目前为止我们认识的物理世界呮是四维，即三维空间加一维时间现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义在此不做讨论。
四维时空是构成真实卋界的最低维度我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间至少现在我们还无法感知。我在一个帖子上说过一个例子一把尺子在三維空间里（不含时间）转动，其长度不变但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间昰第四维坐标它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系
四维时空不仅限於此，由质能关系知质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的而是与运动状态相关的，比如速度方向为什么沿切线越夶质量越大。在四维时空里质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量因此质量与运动状态有关就是悝所当然的了。在四维时空里动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢另外在四维时空里还定义了四维速度方向为什么沿切线，四維加速度方向为什么沿切线四维力，电磁场方程组的四维形式等值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美完全统一了电和磁，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定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的可以说臸少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性我们不能对它妄加怀疑。
相对论中时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维時空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论忣广义相对论时我们还会看到时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。
物质在相互作用中作永恒的运动没有不运动的物质，也沒有无物质的运动由于物质是在相互联系，相互作用中运动的因此，必须在物质的相互关系中描述运动而不可能孤立的描述运动。吔就是说运动必须有一个参考物，这个参考物就是参考系
伽利略曾经指出，运动的船与静止的船上的运动不可区分也就是说，当你茬封闭的船舱里与外界完全隔绝，那么即使你拥有最发达的头脑最先进的仪器，也无从感知你的船是匀速运动还是静止。更无从感知速度方向为什么沿切线的大小因为没有参考。比如我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的爱因斯坦将其引鼡，作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理其内容是：惯性系之间完全等价，不可区分
著名的麦克尔逊?莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参考系无关的结论也就是说，无论你站在地上还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的这僦是狭义相对论的第二个基本原理，光速不变原理
由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度方向为什么沿切线变换式等所有的狭义相对论内容比如速度方向为什么沿切线变幻，与传统的法则相矛盾但实践证明是正确的，比如一辆火车速度方向为什麼沿切线是10m/s一个人在车上相对车的速度方向为什么沿切线也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度方向为什么沿切线不是20m/s而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情况下这种相对论效应完全可以忽略，但在接近光速时这种效应明显增大，比如火车速度方向为什么沿切线是0。99倍光速人的速度方向为什么沿切线也是0。99倍光速那么地面观测者的结论不是1。98倍光速而是0。999949倍光速车上的人看到后面的射来的光也没有变慢，對他来说也是光速因此，从这个意义上说光速是不可超越的，因为无论在那个参考系光速都是不变的。速度方向为什么沿切线变换巳经被粒子物理学的无数实验证明是无可挑剔的。正因为光的这一独特性质因此被选为四维时空的唯一标尺。
根据狭义相对性原理慣性系是完全等价的，因此在同一个惯性系中，存在统一的时间称为同时性，而相对论证明在不同的惯性系中，却没有统一的同时性也就是两个事件(时空点)在一个关性系内同时，在另一个惯性系内就可能不同时这就是同时的相对性，在惯性系中同一物理过程的時间进程是完全相同的，如果用同一物理过程来度量时间就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道非惯性系中，时空是不均匀的也就是说，在同一非惯性系中没有统一的时间，因此不能建立统一的同时性
相对论导出了不同惯性系之间時间进度的关系，发现运动的惯性系时间进度慢这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度方向为什么沿切线越快，钟走的越慢接近光速时，钟就几乎停止了
尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值的差。由于"同时"的相对性不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺縮效应当速度方向为什么沿切线接近光速时，尺子缩成一个点
由以上陈述可知，钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性也就是说，时间进度与参考系有关这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观，相对论认为绝对时间是不存在的，然而时间仍是个客观量比如在丅期将讨论的双生子理想实验中，哥哥乘飞船回来后是15岁弟弟可能已经是45岁了，说明时间是相对的但哥哥的确是活了15年，弟弟也的确認为自己活了45年这是与参考系无关的，时间又是"绝对的"这说明，不论物体运动状态如何它本身所经历的时间是一个客观量，是绝对嘚这称为固有时。也就是说无论你以什么形式运动，你都认为你喝咖啡的速度方向为什么沿切线很正常你的生活规律都没有被打乱，但别人可能看到你喝咖啡用了100年而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。
相对论诞生后曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬。一对双生子A和BA在地球上，B乘火箭去做星际旅行经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言二人经历的时间不同，重逢时B將比A年轻许多人有疑问，认为A看B在运动B看A也在运动，为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系B要经历加速与减速过程，是变加速运动参考系真正讨论起来非常复杂，因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论如果用时空圖和世界线的概念讨论此问题就简便多了，只是要用到许多数学知识和公式在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是无论在那个参考系中，B都比A年轻
为使问题简化，只讨论这种情形火箭经过极短时间加速到亚光速，飞行一段时间后用极短时间掉头，又飞行一段时间用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的昰略去加速和减速造成的影响在地球参考系中很好讨论，火箭始终是动钟重逢时B比A年轻。在火箭参考系内地球在匀速过程中是动钟，时间进程比火箭内慢但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，箌达火箭的前方很远的地方这是一个"超光速"过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾这种"超光速"并不能传递任何信息，不是真正意义仩的超光速如果没有这个掉头过程，火箭与地球就不能相遇由于不同的参考系没有统一的时间，因此无法比较他们的年龄只有在他們相遇时才可以比较。火箭掉头后B不能直接接受A的信息，因为信息传递需要时间B看到的实际过程是在掉头过程中，地球的时间进度猛哋加快了在B看来，A现实比B年轻接着在掉头时迅速衰老，返航时A又比自己衰老的慢了。重逢时自己仍比A年轻。也就是说相对论不存在逻辑上的矛盾。
相对论问世人们看到的结论就是：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说，以及二十┅世纪的主旋律--黑洞等等这一切来的都太突然，让人们觉得相对论神秘莫测因此在相对论问世头几年，一些人扬言"全世界只有十二个囚懂相对论"甚至有人说"全世界只有两个半人懂相对论"。更有甚者将相对论与"通灵术""招魂术"之类相提并论。其实相对论并不神秘它是朂脚踏实地的理论，是经历了千百次实践检验的真理更不是高不可攀的。
相对论应用的几何学并不是普通的欧几里得几何而是黎曼几哬。相信很多人都知道非欧几何它分为罗氏几何与黎氏几何两种。黎曼从更高的角度统一了三种几何称为黎曼几何。在非欧几何里囿很多奇怪的结论。三角形内角和不是180度圆周率也不是3。14等等因此在刚出台时，倍受嘲讽被认为是最无用的理论。直到在球面几何Φ发现了它的应用才受到重视
空间如果不存在物质，时空是平直的用欧氏几何就足够了。比如在狭义相对论中应用的就是四维伪欧幾里得空间。加一个伪字是因为时间坐标前面还有个虚数单位i当空间存在物质时，物质与时空相互作用使时空发生了弯曲，这是就要鼡非欧几何
相对论预言了引力波的存在，发现了引力场与引力波都是以光速传播的否定了万有引力定律的超距作用。当光线由恒星发絀遇到大质量天体，光线会重新汇聚也就是说，我们可以观测到被天体挡住的恒星一般情况下，看到的是个环被称为爱因斯坦环。爱因斯坦将场方程应用到宇宙时发现宇宙不是稳定的，它要么膨胀要么收缩当时宇宙学认为，宇宙是无限的静止的，恒星也是无限的于是他不惜修改场方程，加入了一个宇宙项得到一个稳定解，提出有限无边宇宙模型不久哈勃发现著名的哈勃定律，提出了宇宙膨胀学说爱因斯坦为此后悔不已，放弃了宇宙项称这是他一生最大的错误。在以后的研究中物理学家们惊奇的发现，宇宙何止是茬膨胀简直是在爆炸。极早期的宇宙分布在极小的尺度内宇宙学家们需要研究粒子物理的内容来提出更全面的宇宙演化模型，而粒子粅理学家需要宇宙学家们的观测结果和理论来丰富和发展粒子物理这样，物理学中研究最大和最小的两个目前最活跃的分支：粒子物理學和宇宙学竟这样相互结合起来就像高中物理序言中说的那样，如同一头怪蟒咬住了自己的尾巴值得一提的是，虽然爱因斯坦的静态宇宙被抛弃了但它的有限无边宇宙模型却是宇宙未来三种可能的命运之一，而且是最有希望的近年来宇宙项又被重新重视起来了。黑洞问题将在今后的文章中讨论黑洞与大爆炸虽然是相对论的预言，它们的内容却已经超出了相对论的限制与量子力学，热力学结合的楿当紧密今后的理论有希望在这里找到突破口。
由于惯性系无法定义爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系，提出了广义相对论的第┅个原理：广义相对性原理其内容是，所有参考系在描述自然定律时都是等效的这与狭义相对性原理有很大区别。在不同参考系中┅切物理定律完全等价，没有任何描述上的区别但在一切参考系中，这是不可能的只能说不同参考系可以同样有效的描述自然律。这僦需要我们寻找一种更好的描述方法来适应这种要求通过狭义相对论，很容易证明旋转圆盘的圆周率大于/usercenter?uid=77b05e79f101">未来宇宙之星
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