相对论其实一点也不难，如何通俗理解狭义和广义相对论？

很多人的潜意识里会认为爱因斯坦的相对论很深奥，其实并非如此。爱因斯坦提出相对论的过程虽然很漫长，经历了很多波折，但以如今的视角来看，相对论其实一点也不难，只要我们对经典物理学有了基本的了解，就可以很好地理解爱因斯坦的相对论。

先从狭义相对论说起。

(资料图)

狭义相对论是在两大假设基础上提出来的，分别是：相对性原理和光速不变原理，这两个原理其实都是假设，但绝非随便就做出的假设。

何为相对性原理？简单讲，物理定律在所有惯性系中都拥有相同的表现形式。

什么是惯性系？通俗来讲就是符合牛顿运动定律的参照系，静止或者匀速直线运动的参照系。

那么相对性原理到底该如何理解呢？举个例子就明白了。假设你乘坐一辆火车，火车完全封闭，你看不到火车外面的任何风景。再假设火车一直保持匀速直线运动，你也听不到火车行进过程中发出的任何响声。

对于你来讲，如果闭上眼睛，你绝对不知道自己身处一辆行驶的火车上，不管火车的速度有多快，你都感觉不到。你在火车上的感受，与静止在地面的感受不会有任何不同。而且在火车上做的任何实验结果，与在地面上做的实验结果不会有任何不同。

这就是相对性原理的直接体现。所有惯性系都是等价的。

相对性原理很符合人们的日常生活经验。但是麦克斯韦方程组的横空出世，打破了人们的这种传统认知。

麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中，并没有任何参照系，就是一个常数，这与“任何速度都是相对的”这个观点显然是相悖的。

公式本身也暗示了“光速在所有惯性系中都保持不变”，这怎么可能呢？当时的人们很难接受光速的这种特殊性。

于是物理学界大佬们必须做出自己的选择：要么麦克斯韦方程组错了，光速与其他速度一样，并不是不变的，而是会随着不同的参照系发生变化。要么牛顿经典力学体系下的绝对时空观错了，基于绝对时空观的伽利略变换也错了。

物理学家只能选择其中一个，因为两者是对立的，不可能同时选择两个。但是当时的物理学界大佬两者都不敢得罪，毕竟一个是统治物理学界几百年的牛顿，另一个是提出人类历史最美方程组的麦克斯韦。

怎么办呢？结果大多数科学家还是站在了牛顿这边，毕竟大家都很难接受统治物理学界几百年的牛顿力学被推翻。但他们也不敢直接得罪麦克斯韦方程组，结果只能左右逢源，在牛顿绝对时空观的基础上不停地对光速的特性进行各种修补和假设。

而伟大的爱因斯坦秉承着“如无必要勿增实体”的精神，用奥卡姆剃刀直接把“绝对时空观”咔嚓掉了，他选择相信麦克斯韦方程组，提出了“在所有惯性系中光速都保持不变”，也就是光速不变原理。

于是，在相对性原理和光速不变原理的基础上，狭义相对论呼之欲出。有了这两个原理作为背景，只要拥有一定的物理学知识，是不难推导出狭义相对论的。其实当时的洛伦兹和庞加莱等物理学界大佬，与狭义相对论已经无限接近了，但他们就是不肯放弃牛顿的绝对时空观，结果与狭义相对论失之交臂。

说完了狭义相对论，再来看看广义相对论。

其实广义相对论就是在狭义相对论基础上延伸出来的，对狭义相对论的扩展，把惯性系扩展到所有参照系。

我们都知道，狭义相对论的基本背景是惯性系，但现实生活中惯性系其实是不存在的，惯性系只是一个理想状态，因为现实中任何物体都会受到引力的作用。

怎么办呢？

这时候才是真正体现爱因斯坦颠覆性思维的时刻。为了更好地规避引力对参照系的影响，爱因斯坦提出了著名的等效原理。

何为等效原理？说白了就是加速度的效果与引力效果是等价的，也就是惯性质量与引力质量等价。

举个通俗的例子。在地球表面我们都能感受到地球引力，也让我们拥有了引力质量，物体表面的加速度为9.8。

现在让你身处一个完全密闭的箱子里，箱子以9.8的加速度直线向上加速，你会有什么感受？

你的感受与直接站在地面上的感受完全相同，这就是等效原理，你的惯性质量就等效于站在地面上的引力质量。不管你在密封的箱子里做任何事情，与在地面上的感受完全相同。

在广义相对性原理和等效原理的基础上，爱因斯坦提出了广义相对论。

其实不管是狭义相对论还是广义相对论，都需要做出一定的“牺牲”才能成立。在狭义相对论里，为了保证光速的绝对不变，就需要“牺牲”时间和空间的绝对性，这就是相对时空观。而在广义相对论里，“牺牲”的是时空的绝对平直性，也就是时空是弯曲的，任何物体都能引起周围时空的弯曲，引力的本质就是时空弯曲。

说白了，爱因斯坦通过时空弯曲“强行”把物体在时空中的运动变成“匀速直线”运动。举个通俗的例子，一个物体看起来走的曲线运动，只是空间上的“曲线”，实际上在时空结构里走的是匀速直线，也就是我们通常所说的“测地线”，时空中的最短距离，而不是空间中的最短距离！

相对来讲，狭义相对论更容易理解接受，而广义相对论要困难很多，需要更丰富的数学知识，强大的空间思维能力，还有基本的物理学知识等，比如说微积分，矢量分析等知识。

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