狭义相对论：天涯共此时吗？

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狭义相对论：天涯共此时吗？

狭义相对论是什么

狭义相对论到底说了些什么？

狭义相对论是什么？它能解释什么现象呢？

一、狭义相对论：天涯共此时吗？

本次内容来自系列视频课程

“一说万物：现代物理学百年漫谈”

第七讲：狭义相对论

7.2 天涯共此时吗？

王一 一说万物 天涯共此时吗？_腾讯视频

系列课程介绍

20世纪是物理学的世纪。

在过去一百年中，物理学取得了空前的发展，涌现出很多新想法、新观念，其影响超越了物理领域，深刻改变了人们对世界的认识。

在《一说万物：现代物理学百年漫谈》中，来自香港科技大学的王一老师将给大家分享这些既深刻又有趣的新想法、新观念。

每期一个话题、一个概念，讲述精巧、富有启发性。来一起感受思考的乐趣吧！

上一节讲了时间和空间的相对性，今天我们来看一看相对论的时空观，即在狭义相对论里，我们如何建立时间和空间。

唐代诗人张九龄写过这样一句诗：“海上生明月，天涯共此时”。天涯共此时的现象，在相对论里是一定会发生的吗？假设天涯一直共此时，那么张三和李四共了零时、共了一时，也就是说他们共了一个小时。而如果张三和李四一个静止、一个匀速直线运动，他们认为一小时的时间间隔是同样的时间，这就不对了。因为我们知道，时间间隔是相对的，赵四运动的时候，张三看到赵四的时间间隔变长了。所以说，“天涯共此时”这句话肯定在什么地方有问题？什么地方有问题呢？

首先我们想一想，这句话对于同一个地点的情况会不会有问题？在同一个地点不会有问题的，为什么？我们做一个理想实验，假如说张三犯了法，做了一件人神共愤的事情，然后从天上“咔、咔”打下来两个大雷，这两个大雷同时打在张三的头顶上。不同的观测者对于这件事情的发生有没有争议？没有争议，因为这发生在很小的一个空间范围内，又是在很短的时间间隔内，所以这可以看成一个事件。一个事件发生与否，不同的观测者是没有争议的。

那么就只能是：在两个不同的地点，同时的概念有可能会出问题。我们直观的想象中，即使地点不同，同时的概念也应该合理，对不对？但是爱因斯坦不这样想，爱因斯坦要从物理上去定义不同地点同时的概念。和之前一样，我们先随手“抓”过来一个定义，然后把它推广到一切可能的定义。

首先我们随手抓过一个什么样的定义呢？假如空间中有两个点P和Q，怎么定义在P和Q这两点上发生的事件是同时的呢？比如说有两个大雷，一个打在了P点，一个打在了Q点，雷打到P点会发出闪光，闪光会传到线段的中点，雷打到Q点也会发出闪光，闪光也会传到线段的中点。如果站在线段中点的赵四同时看到了 P和Q发出的闪光，那就说雷打到P点和打到Q点是同时的。这是同时的一个定义。

下面我们根据同时的这个定义，看一看有两个观测者，他们的运动状态不同的场景。和上一节考虑时间间隔一样，我们还是用4步推理的方法。

首先，我们已经定义了同时性，我把它画到一个图里，这个图我们叫“时空图”。横坐标代表的是空间，纵坐标代表的是时间，但是时间上面我们乘了一个光速c，这样的话，横纵坐标的单位就一样了，并且在 x和ct的图上，光线运行的轨迹是沿着45度角线。

那么刚才我讲的同时的概念，在时空图上画出来是什么样子的呢？在时空图上，首先雷打到了P点，也打到了Q点，然后 P点和Q点的光线，就向着中间的赵四传播。光线传播是沿着45度角方向。如果这两束光线同时到达赵四，那就是说，前面雷打到P点和打到Q点的时间也是相同的。如果不相同的话会出现什么样的现象？比如说，如果这个雷是先打到Q点的，会出现什么现象呢？那么光线从Q点传播到中间的赵四，就会早一些，对不对？

说了半天，你可能感觉我说的全是幼儿园都知道的废话，但我们再往下走一步，就不是废话了。我们把前边同时的定义运用到作匀速直线运动的赵四的车上。根据运动的相对性，按照前边同时的定义，如果在地上看，雷打到P和Q是同时的，那么在赵四的车上也是这样的。现在问题来了，相对于张三，这两个雷是同时打到P点和Q点的吗？为了回答这个问题，我们去画张三的时空图。横坐标是张三的空间，纵坐标是光速乘以张三的时间。

在这张图上画出来是什么样子的？首先我们先画出赵四以及P、Q点的运动轨迹。赵四和P点、Q点都在赵四的车上，作匀速直线运动，相对于张三来讲，赵四运动的轨迹是一条斜线，如下图所示。P点和Q点也是一样的。

对于赵四而言，光线同时到达赵四意味着什么？我们把光线往回画，看光是什么时候发出来的。沿着45度角的线向回追溯和 P、Q的运动轨迹的焦点，即雷打到P点和打到Q点的时刻。这个雷劈的时刻，对张三而言，在张三的ct3轴上，是不是早一点？也就是说，两个点虽然相对于赵四是同时的，但是相对于张三不是同时的。P点事情发生的早，雷打到P点更早，而雷打到Q点更晚。也就是说，用我们前面的同时的定义，这个同时是相对的。

第4步和前面钟慢的分析是一样的。前面我们用了一种特殊的同时的定义，但对于所有可能的同时的定义，只要这些同时的定义在地面上的实验是自洽的，那么搬到赵四的车上之后，所有的同时的定义都会给出：相对于赵四是同时的，但是相对于张三不是同时的。为什么？如果有一个实验告诉我们，相对于张三和相对于赵四都是同时的话，那么在赵四的车上看，这个实验和我们定义出来的两个雷打到P点和Q点的实验得到的结果是不是就不一样了？这就违背了相对性原理。

所以说，前面看似随意的一个同时的定义是普遍的。也就是说，同时的概念对于不同的点而言是相对的。

我们再考虑一个相关而稍稍有点区别的问题：在张三的坐标系中，我们如何画出赵四的坐标系？什么叫赵四的坐标系？首先，赵四的时间轴在哪里？赵四的时间轴就是赵四的空间坐标为常数所对应的线。赵四相对于他自己是不运动的，所以说赵四的时间轴就是赵四的空间坐标为常数时的线，即ct4这条线。赵四的空间轴在哪里呢？同样，赵四的空间轴是赵四的时间坐标为常数所对应的线。前面那两个大雷打到P点和Q点对赵四而言是同时的，把那两个点连起来就好了。现在的时间轴和空间轴是不是很不一样，空间轴是翘起来的，时间轴是趴下去的。

原则上，我们可以问这样一个问题：如果有一个点，这个点我们知道它在赵四的参照系下的坐标t4和x4，那么这个点在张三的参照系下，坐标t3和x3是多少呢？这个问题其实要经过一些计算，我们才能回答的，在这里我们就先不回答了，但是它的答案就是著名的“洛伦兹变换”，非常有用的一个数学关系。

我们回到之前讨论过的一个问题，叫做“双生子佯谬”。前面我们讨论过，如果张三和赵四本来一样大，同时出生，现在张三和赵四有相对运动。有相对运动之后，张三看赵四的时间变慢了。运动是相对的，所以说赵四看张三的时间也变慢了。到底是谁变慢了呢？我们可以说，他们看对方的时间都变慢。都变慢了会不会有矛盾，在他们遇上的时候，他们比较时间，是不是就露馅了？

但是如果两个观测者一直是匀速直线运动的话，他们最多碰见一次，出生的时候他们确定他们的年龄是一样的，碰见一次，然后他们就再也碰不上了。所以说，这个戏永远也不可能穿帮。

但你可能就要问了，如果赵四是远离张三运动，但是运动到一定的时间，它忽然停住，然后再返回来，这样会出现什么样的现象？这样不就碰见两次了吗？当第二次碰见的时候，到底是张三的年龄更大，还是赵四的年龄更大呢？

这里可以给出两个答案，一个是鸵鸟型答案，一个是更认真一点的。

鸵鸟型答案说，首先张三看赵四在运动，所以说赵四的时间变慢了，所以回来的时候相对而言赵四是更年轻的。因为张三一直是一个惯性观测者，张三的运动状态没有改变，所以说我们可以相信张三的结论。而赵四呢，在运动出去和运动回来的节点上，他必须要经历一个减速、加速的过程。所以，赵四并不是一直在一个惯性系里面，前面我们推导的钟慢的效应对赵四并不是一直成立的。所以，最后两个人遇上之后，是张三变得更老了，赵四的时间流逝更慢。

这个答案可能大家听得有点云里雾里，我是禁止大家从这种角度去解答的。但是大家可以思考一下，赵四会看到什么样的现象呢？虽然赵四经历了一个加速，但是我们可以通过张三去推测，在赵四的参考系下发生了什么样的现象？

首先，在赵四远离张三的过程中，赵四的时间轴和空间轴分别是什么？【以下参见视频】这个是时间轴，这个是空间轴。记着这个空间轴就是同时的线，也就是说当赵四要返回但是还没等返回的时候，赵四的空间轴是这样。那么在赵四返回的过程中，赵四的空间轴，也就是赵四时间相等的是哪一条线呢？是这样的线，也就是说赵四刚刚开始返回的时候，对于赵四而言，时间相等的线是这样的线。换句话说，在赵四返回的那一刹那之间，他的参照系有了一个巨大的变化。这个巨大的变化使得时间有了一个巨大的差别。

回头这一点非常重要，“再回首已百年身”，“红颜弹指老，刹那芳华”。这一点给人的感觉还是挺悲凉的。因为相对论告诉你时间旅行是可能的，你想到多远就可以跑到多远。但是当你一回头的时候，你所认识的一切的人已经都不在了，已经都不在你的参照系里，他们都已经过了成百上千，甚至上万上亿年，已经灰飞烟灭了。所以说，宇宙的时间旅行、空间旅行在相对论里虽然可能，但是结果可能并不是我们最初想要的。

导师简介

王一：中国科学技术大学本科，中国科学院理论物理研究所博士。现任香港科技大学副教授，研究领域为理论宇宙学。近期的主要研究兴趣是将物理学中最大的物体和最小的物体联系起来，用早期宇宙的遗迹研究基本粒子物理。其他研究方向还包括早期宇宙模型、暗能量、暗物质、原初黑洞、引力波等。曾获香港大学教育资助委员会青年学者奖、被学生评选为最喜欢的教师。

系列课程内容

第一讲：概述物理学的世纪

1.1 一百年前，我们知道什么？

1.2 更小：从打地鼠到光电效应

1.3 更高：“上帝”的菜单

1.4 更快：什么是相对论？

1.5 从简单的定律到复杂的宇宙

第二讲：现代物理学之光

2.1 什么是现代物理学之光？

2.2 光是粒子还是波动？

2.3 你见过波动着的粒子吗？

2.4 什么是波粒二象性？

第三讲：漫游量子世界

3.1 从聊斋志异到量子隧穿

3.2 不确定性原理：拯救世界的大英雄

3.3 非同寻常的测量

3.4 薛定谔猫死了吗？

第四讲：原子

4.1 世界为什么是由原子组成的？

4.2 花粉颗粒为什么会跳舞？

4.3 从氢原子到万物

第五讲：熵与信息

5.1 大吃一斤，什么增加了？

5.2 时间箭头：谁偷走了你的时间？

5.3 麦克斯韦的妖精教你什么是新闻

第六讲：复杂

6.1 从“兔子函数”到“三生万物”

6.2 三体星人为什么算不对飞星？

6.3 海岸线是无穷长的吗？

第七讲：狭义相对论

7.1 钟变慢，尺缩短

7.2 天涯共此时吗？

7.3 时空是一回事吗？

7.4 时光能倒流吗？

第八讲：广义相对论

8.1 等效原理：引力是幻觉吗？

8.2 弯曲空间，引力退散

8.3 黑洞：天上一天，地上一年

第九讲：宇宙

9.1 晚上天会黑，因为宇宙年龄有限

9.2 什么是暗物质和暗能量？

9.3 终极理论之梦

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墨子沙龙是以中国先贤“墨子”命名的大型公益性科普论坛，由中国科学技术大学上海研究院主办，中国科大新创校友基金会、中国科学技术大学教育基金会、浦东新区科学技术协会、中国科学技术协会及浦东新区科技和经济委员会等协办。

墨子是我国古代著名的思想家、科学家，其思想和成就是我国早期科学萌芽的体现，“墨子沙龙”的建立，旨在传承、发扬科学传统，建设崇尚科学的社会氛围，提升公民科学素养，倡导、弘扬科学精神。科普对象为热爱科学、有探索精神和好奇心的普通公众，我们希望能让具有中学及以上学力的公众了解、欣赏到当下全球最尖端的科学进展、科学思想。

关于“墨子沙龙”

一、狭义相对论是什么

爱因斯坦发表了狭义相对论的奠基性论文《论运动物体的电动力学》。关于狭义相对论的基本原理，他写道：“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们规定如下： 　　1．物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。 狭义相对论
2．任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。” 　　其中第一条就是相对性原理，第二条是光速不变性(人为假定的）。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。 　　爱因斯坦的哲学观念是，自然界应当是和谐而简单的。的确，他的理论常有一种引人注目的特色：出于简单而归于深奥。狭义相对论就是具有这种特色的一个体系。狭义相对论的两条基本原理似乎是并不难接受的“简单事实”，然而它们的推论却根本地改变了牛顿以来物理学的根基。
原理解释
　　物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无物质的运动，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。也就是说，运动必须有一个参考物，即必须在某一个参考系下描述运动。 狭义相对论
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，当你在封闭的船舱里，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。更无从感知速度的大小，因为没有参考。比如，不知道整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用，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。这就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，速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变换，与传统的法则相矛盾，但实践证明是正确的，比如一辆火车速度是10m/s，一个人在车上相对车的速度也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度不是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，火车速度是0.99倍光速，人的速度也是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，对他来说也是光速。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。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明。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。 　　人们现在狭义相对论是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。 爱因斯坦以光速不变原理出发，建立了新的时空观。进一步，闵科夫斯基为了狭义相对论提供了严格的数学基础， 从而将该理论纳入到带有闵科夫斯基度量的四维空间之几何结构中。
可以这样从容地评价，爱氏所说的原理本质上是一种假设

二、狭义相对论到底说了些什么？

在科学史上，1905年被称为：爱因斯坦奇迹年。在这一年，爱因斯坦共发表了4篇学术论文，每一篇都是诺奖级别的理论，并且也是开创性的科学成果。

其中，在1905年6月30号发表的《论动体的电动力学》，后来也被叫做：狭义相对论。

今天是狭义相对论发表的114周年。这都100多年前的理论，我们没有理由看不懂它。今天，我就来给你好好讲一讲：狭义相对论到底讲了些什么？

一场跨越200年的恩怨

狭义相对论能够诞生，其实主要源于一场跨越200年科学史的恩怨。

让我们先把镜头切换到17世纪，首先出场的一号男配角是号称近代物理学之父的伽利略。

伽利略曾经提出过了一个“伽利略变换”：

在一个参考系中建立起来的物理定律，通过适当的坐标变换，可以适用于任何参考系。

是不是有不明觉厉的感觉？其实这都是唬人的。举个例子你就懂， 如果你在火车上，旁边正好也有一辆火车，这时候只要有一辆车子动了，坐在车上的人是很难分得清是自己所在的火车动了，还是旁边的动了。

这其实可以理解成运动是相对的，如果用一个简单的模型来说就是：

A和B相互靠近，如果选择A为参考系，我们就可以得出A是静止的，B在运动，如果选B为参考系，那B就是静止的，A在运动。

没错，这就是初高中物理课上都会讲的“参考系”或者“参照物”

如果你在车上内向前走，那站在地面上的小伙伴看来，

你的速度=火车的速度+你在车上的速度，你的速度=10+5=15m/s。发现没有，在这个理论当中，速度是可以叠加的。

后来，牛顿把伽利略变换纳入到的自己的力学体系当中。我们在运用牛顿定律的时候，都得先规定好一个参考系。

不过，我们要搞清楚一点，牛顿其实做了一个假设：空间和时间是绝对的，是独立的。

说白了就是，地球上所有的物体对于时间的感受都是一样的。空间也一样，空间的距离对于每个人来说都是一样的。如果非要简单总结一下就是：

空间、时间与物体的运动状态无关！

空间、时间与物体的运动状态无关！

空间、时间与物体的运动状态无关！

（重要的事情说三遍）

牛顿理论后来被广泛运用，甚至还能预言海王星的存在，成为了物理学坚定的基石理论。

后来科学家开始研究“电”和“磁”。尤其是到了麦克斯韦的时代，麦克斯韦提出了麦克斯韦方程。

统一了“电”和“磁”，并提出了电磁波的概念，还预言光是一种电磁波。

物理学家赫兹通过实验验证了麦克斯韦的观点。可问题恰恰就出在这里，麦克斯韦方程是不需要参考系的，说白了就是：

电磁波速度，或者说光速是不需要相对于某个参考系而言的。在任何惯性参考系下，光速都是3×10^8m/s。

这就和牛顿力学是相互矛盾的。可是，牛顿力学是那么正确，观测和理论完美的匹配。而麦克斯韦方程也同样坚如磐石，能够很好地解释电磁现象。那到底是哪里出了错？

科学家们的妥协

要知道伽利略，牛顿，麦克斯韦都是物理学史上前五的选手，绝对的大神。神仙打架，一般的物理学家只能做个吃瓜群众。只是物理学总是要向前发展的，但大神又得罪不起，总得一碗水端平。

于是，科学家们就想到：水波的传播是需要介质的，那就是水。那光传播是不是也需要介质？

因此，当时的科学家就认为这个光传播的速度应该是相对于它的介质的，而不是绝对的。因此，科学家认为空间中布满了一种叫做“以太”的物质。以太对于光（电磁波），就如同水对于水波这般。看起来十分完美有没有？但科学不能光靠想象力，得找出证据证明“以太”真的存在。

结果呢？很抱歉，科学家想尽了一切办法，最后得出了一个结果：以太不存在！

这下子可完了，搞了半天，牛顿和麦克斯韦的矛盾还是没解决。于是，科学家们又开始开脑洞，憋大招。其中最有名的就是洛伦兹和彭加莱。如果非要给两个人找到共同点，那一定是：距离狭义相对论最近的男人。

洛伦兹简直是个左右逢源的高手，左手一个“伽利略变换”，右手一个“光速在惯性参考系下速度不变”，然后把它们结合起来，弄出了一个连他自己都无法理解的东西，这东西就叫做：洛伦兹变换。

彭加莱则是从哲学的层面提出了一些想法，尤其是同时性的相对性。说的就是同一个事件，不同的人（参考系）看到的很可能不是同时发生的，这取决于他们的运动状态。不过，彭加莱也就想一想，可谁也没能真正意义上提出一个令大家满意的结果。

杨振宁曾经在他的文章《机遇与眼光》写到，

洛伦兹有数学，但没有物理学；庞加莱有哲学，但也没有物理学。正是 26 岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的原始观念，坚持同时性是相对的，才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。

专利局三级技术员

是的，在一堆学术界大神失败后，我们故事的主人公横空出世。不过，在讲述他的传奇之前，我们先来了解一下他的情况。

1905年6月30号，爱因斯坦发表了他的论文《论动体的电动力学》。他一开始应该也是和洛伦兹，彭加莱一样，想来一个左右逢源，于是，从两条基本假设：

1.相对性原理（伽利略变换）

2.光速不变原理（光速在惯性参考系下速度不变）

这两条假设，一条是伽利略提出来的，而另外一条则是基于麦克斯韦的理论。然后进行推导得出洛伦兹变换（毕竟用的办法都一样），刚才也说到洛伦兹看不懂这个这东西。但爱因斯坦和洛伦兹，彭加莱不一样的是，爱因斯坦左右逢源的功夫了得，还能顺手倒弄出了一个全新的世界。

那这个全新的世界是什么呢？

爱因斯坦的叛逆

应该说是爱因斯坦的叛逆，在他之前，没有人敢于质疑空间和时间。大家都觉得空间和时间是绝对的，什么叫做空间和时间是绝对的呢？意思就是说，

对于你来说的一秒，对于其他所有的人来说也是一秒，每个人的一秒都是一样的。

但爱因斯坦觉得这不对，让我们来想象一个画面，你站在地面上，而你的朋友在一艘飞船上。这时候你朋友拿出一个光钟，这东西现实生活中不存在，不过原理和时钟计时是一个道理。毕竟爱因斯坦就喜欢这种“思想实验”，这个光钟的计时方法就是：

光上下往返一次的时间设定为一秒。

其实道理和时钟跑一圈是一样的。如果我们假设光速在任何参考系下都是一样的（光速不变原理），那在飞船上的人看到的光就是一上一下的，而地面上的看到的光其实走到路径是倾斜的。

爱因斯坦认为时间=路程/光速在任何惯性参考系下是不变的，而光速也是不变的。所以，飞船上的人看光往返一次是1秒，但是在地面上的人看来由于路径变长了，需要的时间就更长一些，我们就假定是2秒。

如果飞船上有人跟着“光钟”的节奏在做广播体操，那么在飞船上1秒钟能做完的动作，地面上的人看就需要2秒，说白了就是看到的是广播体操的慢动作。

反过来，如果地面上的人也拿着一个“光钟”，其实由于运动是相对的，情况会正好倒过来。地面上的人看就是1秒，飞船上的人看就是2秒，也就是说，如果地面上的人也跟着“光钟”的节奏在做广播体操，那飞船上的人看到的也是广播体操的慢动作。

这种效应就被称为：时间膨胀。它真实存在，科学家通过μ（miù）子实验证明这一点。如果我们把飞船换成高铁，那么高铁内的钟表其实会变慢十亿分之一秒，正因为这个差异如此之小，所以我们才没有感觉到。当速度特别快时，尤其是越接近光速，时间膨胀的效果越明显。

这个实验告诉我们一个道理：

时间与物体的运动状态有关！

时间与物体的运动状态有关！

时间与物体的运动状态有关！

（重要的事情说三遍）

爱因斯坦说，不仅仅时间与物体的运动状态有关，空间也是这样。我们还拿刚才的飞船来说事。同样是一段距离，由于时间膨胀效应，我们在地面上看可能需要2秒才能走完，但是在飞船中的人，1秒就走完了。而且无论是飞船中的人还是地面上的人，飞船相对于这段距离的飞行速度都是一样的。这就说明，飞船上的人看到的这段距离其实要比地面上的人更短一些。这就是长度收缩。

所以，我们会发现，速度越接近于光速，长度收缩得越严重。这说明：

空间与物体的运动状态有关！

空间与物体的运动状态有关！

空间与物体的运动状态有关！

（重要的事情说三遍）

爱因斯坦更进一步，提出了一个很颠覆三观的概念：同时性的相对性。具体来说就是：

在一个坐标下看是同时发生的两件事情，换一个坐标系就很有可能不是同时发生的了。

那具体咋回事呢？

我们也来向爱因斯坦学习，玩一玩思想实验。首先，我们可以想象一下，有两列大小一模一样的火车，它们相向而行，并且相对于地面速度的大小是一样的。

只不过两个火车不是在同一个轨道上，而是双层的平行轨道，一辆火车在上面，另一辆在下面。我们规定，“事件A”是上面火车车头和下面火车车尾相遇；“事件B”是下面火车车头和上面火车车尾相遇。

那么，问题来了，到底是"事件A“先发生，还是“事件B”先发生呢？

当然，如果你是在地面上看，两个事件确实是同时发生的。

但是，如果你是在上面的火车上，那下面的火车相对于你是有运动的。上面我们也讲到了尺缩效应。所以，你看到的是：下面的火车比你所在的火车要短一些。因此，你看到的场景就会是这样：

也就是说，在上面的火车里看到的是："事件A“发生在前，“事件B”发生在后。

如果你是在下面的火车上，那上面的火车相对于你也是有运动的。还是因为尺缩效应。所以，你会发现上面的火车比你所在的火车要短一些。所以，你看到的场景应该是这样：

也就是说，在下面的火车里看到的是："事件B“发生在前，“事件A”发生在后。

不过，这里要注意一点，只有速度非常大的时候，越接近于光速，这种效应才会越明显。低速的情况下，我们肉眼根本看不出任何差别来。

因此，“同时”也是一个相对的概念，都是基于参考系而言的，不同的参考系，情况是不同的。

基于这样的认知，爱因斯坦曾经的数学老师，闵可夫斯基提出了“光锥”的概念。

我们可以基于任意事件建立一个坐标系，横坐标代表空间，纵坐标代表时间，画出关于一个事件在坐标系中的时空位置。

要注意了，这个光锥是专门针对事件而言的，未来光锥指的是：

现在对未来的事件的影响。

比如，下图中此刻的事件A，就很有可能对事件B产生影响。

而过去光锥指的是对现在有影响的过去事件。

意思是说，只有发生在“过去光锥”之内的事件，才会影响现在。在“过去光锥”之外的过去事件，由于光速的限制，还无法对现在产生影响。

比如：我写下这篇文章是事件A，而你看到这篇文章则是事件B。

所以，有一句很有名的话是这么说的：

光锥之内就是命运。

所有现状，都是过去光锥的事件导致的，而过去的事件已经发生，我们根本无能为力去改变。如果更进一步，我们会发现，我们永远无法活在当下，因为我们所谓的“当下”都是过去造成的。

举个例子，你照镜子，你看到的其实是过去的自己，而不是现在的自己，这是因为你的脸反射光到镜子上，镜子再反射光到你的眼睛里，光走过这段路程需要时间，因此，你看到的其实是过去的自己。

也就是说，你看到的所有事件其实都是发生在过去的，过去的事件影响到当下是需要时间的；而当下发生的事件影响的不是当下，而是未来，这就是时间光锥给我们的启示。可以说，爱因斯坦通过狭义相对论只统一了时间和空间，但这还没完。

质量就是能量

1905年9月份，在发表了狭义相对论之后，爱因斯坦又发表了另外一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，爱因斯坦在这篇文章当中统一了质量和能量，并提出了那个著名的质能方程：

那我们该如何理解质能方程呢？

在爱因斯坦之前，拉瓦锡提出了“质量守恒定律”，而牛顿力学中，能量是守恒的。不过，爱因斯坦认为：

能量和质量并非独立保持不变的，它们其实是一回事。

著名科学家大栗博司曾举过这样一个例子：

假如你在中国和美国都有存款账户，两个账户的存款价值不会发生改变。但是由于是分属两个国家，想要把钱从一个账户转移到另一个账户，就需要通过汇率进行换算。这里，我们可以把人民币看成是能量，把美元看成是质量，如果总和保持不变，能量和质量能够进行转化。那么E=mc^2就表示了能量和质量的汇率，其中光速c就是汇率制。

这个公式解释了为什么原子弹的威力如此之大，这是因为原子核爆炸前后的质量有亏损，这些质量都转换成了能量。

关于狭义相对论其实内容还有很多，这次就说这么多。想要深入地了解狭义相对论，其实需要动笔做做数学计算，这是因为相对论是反常识的。为什么会反常识呢？

我们生活在宏观低速的世界里，在这个尺度下，相对论效应实在太小。是人无法感受到的，连仪器都很难测到。在宏观低速的情况下，相对论是和牛顿力学等效的。而相对论效应只有在速度越接近于光速时，才越明显。

这是因为这个原因，我们才会觉得相对论很反常识。这告诉我们一个道理：

不要被眼前的生活所欺骗，多去看看外面的世界，只有跳出自己的生活，才能够更深刻地理解世界。

三、狭义相对论是什么？它能解释什么现象呢？

假设你和你的朋友乘坐两辆汽车在高速公路的同一侧行驶。你的速度是每小时60英里，你的朋友的速度是每小时90英里。从你的角度来看，你的朋友时速是30英里，因为他是相对于你来说的。但是对于站在路边测量车速的警察来说，你的朋友的速度是每小时90英里。在这种情况下，速度是不恒定的。它是相对的。现在让我们对这个场景做一些改变。

让我们把你的朋友和他的车换成一个显然以光速行驶的光子，我们称之为 "C"。让我们把你的速度提高到0.5C，让我们把警察和他的测速枪留在原地。迈克尔逊-莫里实验，是在地球大气层中进行的，光在地球大气层中的状态相同，以其在空气中的传播为参照系，光的传播速度是恒定的，符合波的传播特性。波在同一状态的介质中传播，以介质为参照系时，波的传播速度相同。

空间中有很多带电粒子，光在空间的相同带电粒子中以相同的速度传播。但光在空间中不同状态的带电粒子之间以不同的速度传播。这可以通过引力透镜来证明，当光速发生变化时，会产生折射。波的传播速度以其传播介质为参考系统。当一个波在传播时，其传播介质的速度并不影响波的传播速度，这是波的传播特性。在不知道波的传播特性的情况下，爱因斯坦提出了光速不变原理来解释迈克尔逊-莫利的实验结果，并用光速不变原理来解释波的传播速度的不变性。

如果我们能证明介质中的光速是恒定的，那么介质中的声速也是恒定的，我们可以证明声速是恒定的。声音在同一状态的气体中，声音在同一状态的液体中，声音在同一状态的固体中，以声音传播的介质为参照系，声音的传播速度也是不变的。光速不变的原理，电磁波不需要介质传播，相对论都是毫无根据的谬论。