依據研究的物件不同分為狹義相對論和廣義相對論。相對論的基本假設是相對性原理，即物理定律與參照系的選擇無關。狹義相對論主講的是勻速直線運動的參照系之間的物理定律，廣義相對論則推廣到具有加速度的參照系，應用於引力中。

相對論，源於愛因斯坦本人對於數學的熱愛與鑽研而誕生出來的，關於描述宇宙誕生，宇宙之間能量相互作用，時間與空間，以及多維度宇宙的物理學以及哲學，宇宙學上的比較近似統一理論的一種學說。因為其精確的數學計算，以及超越時代的推理預言，被後世推崇，其中部分推論都得到了科學的論證，但是就科學的嚴謹態度來說，沒有得到實驗驗證的部分，依舊只是理論。

要說相對論先說一下愛因斯坦本人，作為理論的提出與奠基者，他其實是一位虔誠的猶太教徒。他信奉上帝的存在，堅信宇宙萬物的源頭必會有一位造物主的存在。自所以單獨說他的信仰虔誠，是因為那個年代多數的科學家都是有宗教信仰的，這種信仰不僅給予他們堅定的意念，還左右著他們看待宇宙、世界、以及人生的觀點。也許說來很奇怪，他們研究科學的目的之一就是想證明造物主是存在的。

那麼知道理論存在的原因我們就不難發現為什麼大多數科學家都是從數學開始研究宇宙的，在哲學與神學上，尤其是西方，認為數學是能夠揭開萬物原理的鑰匙，事實上數學確實給許多物理學者提供了最有力的理論基礎。所以相對論存在的基本訴求就是對宇宙誕生的探討，而要達到這一目的必須先知道其存在的原理，從而使之研究探討的範圍逐漸地擴大，成為今天的相對論。

其實從其在科學上的重要程度來講，相對論這個名字並不符合這套理論，相對論這個名字只能表現出其中一部分內容，比如，光速行進的人類，和在地球上開車的人類，看到的時間是不一樣的，地球上的是正常時間，光速則是超越正常時間，兩者執行的速度不一樣，相對來講感受的時間不一樣，可是時間卻是沒有變化的。這樣一段描述比較符合相對論的樣子可實際上，相對論能說明的問題不僅如此。

以上基本就是我想表達的意思，相對論不是一句就能說明白的，應為他是一種物理以及哲學都有涵蓋的統一理論，當然太不是那個統一理論的終極版，這就好像我們中國的道生一一樣，越是瞭解，越是感覺到自己的無知，所以再看相對論不要只看他的表層意思，如果你深入瞭解了相對論不僅是增長了知識，還會改變你對人生的看法。

就是物質或者物體之間在不同的自然和空間環境下的相互作用的規律。我們知道絕對獨立的存在是不可能的，每一個個體都有不同的作用在與各個個體相互聯絡著。這些作用有看到的，有看不到的；有可以計算出來的，有的是無法捕獲的；有的作用是路過的，有的感應是一時的，有的竟然是瞬間才有的，，透過相互作用的立體和平面擴充套件我們知道了很多的知識存在，這些知識就是物質相互作用的存在，比如光速，引力，，，等等的有規律的相互聯絡，作用，，我們把這些所有相互作用，用理論和公式圈起來就是相對論。

麥克斯韋方程組可以推匯出光速C是一個不變的基本物理常數 ：

這個公式揭示了光速不變原理：無論相對誰，在何種慣性系（慣性參照系）中觀察，光在真空中的傳播速度都是不變的。

這在牛頓的經典體系中是不可能的，在牛頓的經典體系裡，速度都是相對的，需要參考系，沒有參考系談速度都是耍流氓。 那在真空中不變的光速，是相對什麼而言？

假如在地球上觀測從相當於1/10光速的飛船上發射一束光，那束光相當於地球觀測點的速度不是應該是C+1/10C =1.1C ?

為解決這一矛盾， 短命的“以太假說”就出世了， 相對性原理被扔在一邊，認為麥克斯韋方程組只對一個絕對參考系（以太）成立。

悲慘的“以太假說”還沒好好看這個世界兩眼，就被一朵烏雲殺死了，這就是著名的物理大廈的第一朵烏雲——邁克耳孫-莫雷實驗。

經典物理學在這個著名實驗面前，真是烏雲蓋頂，科學家一籌莫展，已經完全搞不定了，這時候，上帝讓一個走後門託關係才進入瑞士專利局的學渣來救場。

作為學渣，小愛同學沒有什麼歷史包袱，敢想敢幹，作為專利局的小職員，和學術性基本隔絕， 所以那些物理學家嘮嘮叨叨的假說，他基本聽不見，而且這時候，他還很年輕，思維很前衛。

小愛同學認為光速不變沒什麼難以理解的，偉大的麥克斯韋方程推匯出的結論還能有錯？更何況很多實驗都證明了光速不變。

於是小愛同學直接把光速不變當成公設：1.光速不變，與光源和觀察者的運動狀態無關；2.在所有慣性系中，物理定律都一樣 （即慣性系平權原理）。

別看這兩條公設簡單，就在這麼簡單的基礎上，偉大的狹義相對論就誕生了，這是一種全新的時空觀（相對論時空觀），顛覆了19世紀以前所有人類的認知。

所以如果你不懂相對論， 那你的世界觀是很有問題的，懂與不懂，就決定了你是生活在哪個世界中的生物。

（狹義相對論用到的數學，也就基本相當於大學本科的水平，包括洛倫茲變換和簡單的微積分。有興趣的童鞋可以去看看推導過程，其實不會比你們參加過的高考更難。）

在簡單的公設和枯燥的數學推導後，非常精彩的結論就出來了，記住，這些推論不是拍腦袋想出來的，而是精確的數學推匯出來的。只要光速不變沒有被推翻，就算馮諾依曼和希爾伯特來了，也只能承認這些顛覆你世界觀的結論。

一是運動物體在其運動方向會表現出長度收縮，這就是著名的尺縮。也就是說，在我們眼中，奔跑中的尤塞恩·博爾特是變瘦了的，所以根據相對論，要減肥，真的只能靠運動啊。

二是運動物體會經歷時間膨脹，一個運動中的鐘表要比靜止的同樣鐘錶走得慢。這個就是著名的鐘慢。也就是說，奔跑中的博爾特比不跑是變年輕了，所以，要想年輕點，就得動起來。那些大師以千年王八萬年龜為例子宣稱養生要懶靠靜的，肯定沒學過相對論。

根據鐘慢效應，有個很有趣的思想實驗，就是孿生子佯謬：

有一對雙生兄弟，一個登上一艘宇宙飛船作遠端太空旅行，而另一個則留在地球。從相對地球靜止的參考系上看，當旅行者回到地球后，我們發現他比留在地球的兄弟更年輕。但是從相對飛船靜止的參考系上看，我們發現他年紀更大。

這很矛盾是吧？

佯謬產生的原因是狹義相對論的時間膨脹原理僅僅對於慣性參考系成立。 而旅行者要想返回， 必然至少有一次加速過程。 根據廣義相對論，加速過程中的慣性力與引力等同， 而引力恰恰能夠導致時間膨脹。（廣義相對論可以解釋為什麼旅行者必然會有時間膨脹，真正的計算並不必須依賴廣義相對論。）

所以最終的結果就是，旅行者會較之留守者年輕。

鐘慢效應，孿生子效應，已經在1971年由科學家利用原子鐘繞地球一圈證實。

小愛同學認為光速不變沒什麼難以理解的，偉大的麥克斯韋方程推匯出的結論還能有錯？更何況很多實驗都證明了光速不變。

於是小愛同學直接把光速不變當成公設：1.光速不變，與光源和觀察者的運動狀態無關；2.在所有慣性系中，物理定律都一樣 （即慣性系平權原理）。

別看這兩條公設簡單，就在這麼簡單的基礎上，偉大的狹義相對論就誕生了，這是一種全新的時空觀（相對論時空觀），顛覆了19世紀以前所有人類的認知。

所以如果你不懂相對論， 那你的世界觀是很有問題的，懂與不懂，就決定了你是生活在哪個世界中的生物。

（狹義相對論用到的數學，也就基本相當於大學本科的水平，包括洛倫茲變換和簡單的微積分。有興趣的童鞋可以去看看推導過程，其實不會比你們參加過的高考更難。）

在簡單的公設和枯燥的數學推導後，非常精彩的結論就出來了，記住，這些推論不是拍腦袋想出來的，而是精確的數學推匯出來的。只要光速不變沒有被推翻，就算馮諾依曼和希爾伯特來了，也只能承認這些顛覆你世界觀的結論。

一是運動物體在其運動方向會表現出長度收縮，這就是著名的尺縮。也就是說，在我們眼中，奔跑中的尤塞恩·博爾特是變瘦了的，所以根據相對論，要減肥，真的只能靠運動啊。

二是運動物體會經歷時間膨脹，一個運動中的鐘表要比靜止的同樣鐘錶走得慢。這個就是著名的鐘慢。也就是說，奔跑中的博爾特比不跑是變年輕了，所以，要想年輕點，就得動起來。那些大師以千年王八萬年龜為例子宣稱養生要懶靠靜的，肯定沒學過相對論。

根據鐘慢效應，有個很有趣的思想實驗，就是孿生子佯謬：

有一對雙生兄弟，一個登上一艘宇宙飛船作遠端太空旅行，而另一個則留在地球。從相對地球靜止的參考系上看，當旅行者回到地球后，我們發現他比留在地球的兄弟更年輕。但是從相對飛船靜止的參考系上看，我們發現他年紀更大。

這很矛盾是吧？

佯謬產生的原因是狹義相對論的時間膨脹原理僅僅對於慣性參考系成立。 而旅行者要想返回， 必然至少有一次加速過程。 根據廣義相對論，加速過程中的慣性力與引力等同， 而引力恰恰能夠導致時間膨脹。（廣義相對論可以解釋為什麼旅行者必然會有時間膨脹，真正的計算並不必須依賴廣義相對論。）

所以最終的結果就是，旅行者會較之留守者年輕。

鐘慢效應，孿生子效應，已經在1971年由科學家利用原子鐘繞地球一圈證實。

03

老愛的名言是：“把你的手放在滾熱的爐子上一分鐘，感覺起來像一小時。坐在一個漂亮姑娘身邊整整一小時，感覺起來像一分鐘。這就是相對論。”這個是終極相對論，是最容易被地球人理解的相對論。

幾個月後，愛因斯坦從狹義相對論的方程式裡推出質量和能量都是相對的，速度逐漸趨向於光速時，物體的質量會趨向於無窮大。並最終得出這個非常著名的質能方程式E = mc2，依然是純粹數學的推導。

這個方程給出了一個革命性的結論，質量和能量在某種程度上是一回事，可以互相轉化，每個粒子質量的微小變化，都蘊藏著巨大的能量，這些都是驚世駭俗的結論。

儘管質能關係只是一種數學推導結論，但已成為大量實踐所證實，包括後來的原子彈和核反應堆，它為人類開發利用能源提供了一條新途徑。

相對論最最革命的是指出: 時間不是絕對的—速度越快， 時間流逝越慢, 廣義相對論則更一步：時間和空間是一個四維彎曲的時空，引力會扭曲空間和時間。

《晉書》曾記載：“王質入山斫木，見二童圍棋。坐觀之，及起，斧柯已爛矣。”

這位叫做王質的樵夫，看了一盤棋，世上過了幾百年，斧柄也全爛掉了，不知道算是悲劇還是喜劇，但至少，他在中國歷史上留下了大名，叫做「爛柯人」，而圍棋也得了個別名叫做「爛柯」。

“天上方一日，世上已千年”以前只是神話傳說，學渣愛因斯坦居然提出了科學解釋。樵夫爛柯人也許是第一個有記載的經歷蟲洞或者時空隧道的人類。

諾蘭大神的名作《星際穿越》中，英雄為了拯救全人類，駕著飛船著陸到黑洞附近的一個星球上，這個星球上的一個小時，相當於地球上的七年。任務只花了3個多小時，等他返回飛船時， 23年過去了， 他十多歲的女兒轉眼就三十多歲了。

時間是最公平的嗎？相對論把這個公平都搶走了。

其實，這世界從來就不公平……

少年聽雨歌樓上，紅燭昏羅帳。

壯年聽雨客舟中，江闊雲低，斷雁叫西風。

而今聽雨僧廬下，鬢已星星也。

悲歡離合總無情，一任階前，點滴到天明。

蔣捷的《虞美人·聽雨》對歲月光陰的體悟是宋詞的巔峰。

少年是一本太倉促的書，驀然一驚，已是中年。

願你出走半生，歸來仍是少年

原來這不僅僅是祝福…….

主要解決了牛頓沒有解決的問題，牛頓雖然厲害，但是他也不知道下面這幾個問題該如何是好，今天開始我們比牛頓還聰明瞭。

一、引力是如何產生的？

二、為什麼行星會圍繞太陽執行？

三、愛因斯坦的廣義相對論，它最主要的兩個方程

四、引力傳播的時間是怎樣實現？

廣義相對論認為，因為有物質的存在，它會提供一個引力源，有了引力源之後會造成時空彎曲。

並且時空彎曲跟物質的多少有關，如果物質越多，它的引力場就越強，造成時空彎曲的程度就越大。

透過一個彈性非常好的薄膜來看

如果彈性很好的薄膜，在這個二維世界上沒有任何物體，空無一物的時候，顯然，它是一個平直的薄膜。

如果我們在它中心，逐漸給它堆上一些沙子，薄膜它就會逐漸地會彎起來，你堆入的物體越多，它的彎曲程度也就越大，透過這個簡單的事例，薄膜上的世界就彎曲了。

廣義相對論的另外一個核心思想，它用時空彎曲取代了引力場的概念。

在牛頓力學下，認為行星繞著中心天的運轉，是因為受到引力的作用使得它做偏離慣性的運動來解釋的。

而在廣義相對論下他認為，一顆行星繞著中心天體執行，並非受到一個力的作用，而是因為有引力存在，使得時空產生了彎曲，物體在這個彎曲的時空當中，沿著測地線在執行。

對於測地線這個概念，實際上是一個幾何，或者說是一個地質學當中的概念，我們這裡以地球的球面為例。

比方說把紐約和巴黎，這兩個地點拿來說事，那麼這兩點之間，怎麼樣一個距離最短呢？

如果我們可以打隧道的話，顯然是直線最短，但是如果我們給一個約束，只能夠沿著地球的表面走，那麼它的最短距離會怎樣呢？

顯然我們可以透過這兩點，做一個地球最大的圓，它其中短的那段圓弧，就是它的測地線，所以說我們這就有了測地線的概念。

一個是愛因斯坦場方程

另外一個是測地線方程

愛因斯坦場方程，它對應的就是有物質的存在，就存在有能動的張量，就會使得。時空的彎曲就會使愛因斯坦張量產生相應的變化。

測地線方程告訴我們就是，如果有一個實驗粒子在彎曲時空當中執行，那麼它就是由測地線方程所決定的，所以這才是廣義相對論當中，最重要的兩個方程。

我們舉一個例子來看

相對論效應如何影響到我們的生活，我們現在經常會使用到一個定位的系統，比方說我們經常透過手機來進行定位。

而定位系統是GPS全球定位系統，它透過GPS衛星和地面的一些基站來透過精確的時間測量，把使用者的位置測出來。

GPS衛星的軌道很高，速度很快，所以說衛星上的時鐘相對於地面的時鐘，每天會存在7微秒的延緩的效應。

這個效應是來自於狹義相對論的動鍾延緩效應

但是，衛星軌道的引力場相對於地面引力場要弱上很多，這就使得，在衛星軌道上的時鐘，相對於地面上的時鐘，它會跑得快，每天它會快上45微秒左右的時間。

因為在引力勢越深的地方，會存在一個時鐘延緩的效果，所以一天下來對於GPS上衛星實際上是這兩種效應的疊加，產生累積的效果，會比地面上的鐘一天它要快。

所以，必須對它進行校正，我們才能夠得到一個精確的GPS的資料。