傳說有一次，英國天文學家愛丁頓在做完關於廣義相對論的通俗講演後，有人問他：“尊敬的教授，聽說世界上現今只有三個人懂得相對論，是這樣嗎？”愛丁頓略加思索後回答：“您也許說得不錯。不過，我在想第三個人是誰呢？”

相對論從誕生已經過去百年。現在幾乎所有的科普書都會講解相對論。光速不變、質能方程、尺縮效應、時間膨脹、空間彎曲、雙生子佯謬等等相信大家都耳熟能詳。但如果在前面加上一個為什麼，能說清楚的人會少了很多。也許在看完書的一剎那似乎懂了，但隨後又不記得地面和太空時鐘誰快誰慢，運動的物體為啥會變短。科普里的例子和思想實驗依然不太容易理解，並非所有人都能靜下心去琢磨究竟。現在我們來換個思路幫你理解一下相對論，希望你看完以後能夠豁然開朗。

從真空不空說起

自從亞里士多德提出“以太”開始，人們就沒有停止過對真空的思考。光是波還是粒子，爭論了200多年。如果光是波，自然需要傳播介質，那就是以太，真空中充滿了看不見摸不著的以太。即使牛頓提倡光是一種粒子，也沒有拋棄以太。邁克爾遜和莫雷為了檢驗以太的存在，設計了著名的邁克爾遜莫雷實驗（簡稱MM實驗）。出乎意料，MM實驗並沒有檢測到以太的存在。洛倫茲老爺子不甘心，透過高超的數學技巧推匯出洛倫茲變換，用來解釋MM實驗。雖然無法闡明其中的物理含義，但依然堅稱以太是存在的。愛因斯坦則另闢蹊徑，直接以光速不變為前提，拋棄以太，同樣推匯出了洛倫茲變換公式，這就是狹義相對論。至此似乎已經宣判以太死刑。

真空中真的空無一物嗎？雖然觀測不到，但空間卻實實在在存在。你可以把物質放入真空，而不會消失，光可以在其中傳播，真空中的兩個物體之間依然有引力作用，難道真空中不應該有點什麼嗎？隨著量子力學的發展，狄拉克就猜想真空是量子漲落的海洋，裡面充滿了虛粒子，產生後又瞬間湮滅。卡西米爾提出“在真空中兩塊平行放置的中性導體平板之間，存在微弱的吸引力”。後來卡西米爾效應被實驗檢測到（真空中兩塊靠的很近的中性金屬板會相互吸引，10奈米的間隙能產生1個大氣壓的壓力）。更多關於真空不空的想法，可以參見《物理》2018年第9期《真空不空》。作者為塗濤、郭光燦 (中國科學技術大學物理學院)

空間的形態

人類已經能用0和1組成極其複雜的計算機系統，難道上帝非要65個基本粒子才能構建我們的世界？

空間是由空間量子組成的。空間量子大小在普朗克尺度，按一定的密度不規則的分佈，支撐起我們的宇宙。空間可以被壓縮，且具有彈性，就像一個大海綿。所有的物質和能量都是由空間量子組成。任何由兩個及以上空間量子組成的粒子或物體都會對空間產生壓縮，其內部空間密度變大，產生靜質量。同時也影響周圍的空間密度，空間的密度向外逐漸變小，呈不均勻分佈。物體在空間的運動是透過交換空間量子完成的，在前方壓縮空間，在後方釋放原有空間。光子是由單個空間量子構成，沒有靜質量。

物體從空間A位置移動到空間B位置示意圖，移動的過程中，前面壓縮空間同時後面釋放空間。

解釋相對論

1.引力現象

在廣義相對論中，對引力的解釋是時空彎曲的效果，沒有太多的為什麼。現在我們把時空彎曲理解成空間的密度不均勻分佈。如下圖所示，物體在不均勻空間中，由於空間有彈性，物體在壓縮空間後，也會受到空間的張力作用。透過簡單的力的分解可以看出，空間密度低的方向量子張力大於密度高的一側，而引力正是兩側力差造成的。

2.光速不變

光速不變指的是光速不隨光源的移動而改變，並不是速度值不變。光速不變隱含在優美的麥克斯韋方程組裡。愛因斯坦推導狹義相對論時，把光速不變拿來當定理使用，一腳踢開了以太，同時並沒給出更多解釋。很多相對論的科普都用類似下面例子來描述光速不變：你站在河邊往水面丟一塊石頭，水波往四周散開。然後你嘗試飛快奔跑的同時，往水中再丟一塊石頭，你會發現兩次水波散開的速度是一樣的。波的速度取決於傳輸介質。光是一種波，所以光在真空中的速度也不會隨著光源的速度變化而變化。人們在把光當做波的同時，也迴避了波需要傳輸介質這個事實。現在我們引入了空間量子，光的傳輸介質又回來了。因為波的特性，光的傳播速度自然不會隨著光源的移動而改變。但光速並不是在任何地方都是30萬公里每秒。恰恰相反，光速在不同的空間密度中傳播速度有快有慢。比如在黑洞附近，由於空間密度非常大，光速不但會變慢，還會彎曲，甚至慢到無法逃脫。宇宙中會不會有空間密度小的地方，使光的速度大於30萬千米每秒? 比如兩個星系之間。

3.尺縮效應相對論中的尺縮效應，可以由引力產生，也可以由運動產生。我們先解釋前者。以地球為例，地球周圍空間在地球的拉扯下，越靠近地球的地方密度越大，遠離地球的地方逐漸變小。為了直觀理解，把空間密度畫成格子。從圖上可以看出，組成藍色物體需要4格空間，當物體從A位置移動到B位置後，很明顯長度被壓縮了。這就是引力產生的尺縮效應。

速度引起的尺縮效應可以理解為：物體在運動時，受到的空間張力隨著速度的增大而變大，物體長度被進一步壓縮，導致內部空間密度增大，質量增大。

結論：空間密度大的地方尺短，空間密度小的地方尺長。

4.時間膨脹時間膨脹的本質是光速變慢。光速變慢，意味著你所在空間的一切也都變慢了。看過《三體》的朋友應該記得，人類考慮過把太陽系的光速降到16.7千米/秒，以此達到安全宣告，避免黑暗森林打擊。假定我們以特定頻率光波的運動週期為基本時間單位，考慮下圖的A，B兩個位置，光子同樣前進了兩格空間，週期的跨度是相同的，即時間T。在A處紅線的距離明顯長於B處黃線的距離。A/T > B/T, 即B處的光速比A處慢，也就是說B處的時間流逝的慢。同樣的兩個時鐘，放在B處比A處走的慢。同樣，在高速行駛的飛船裡，也會因為空間密度的變大導致時間變慢。

結論：空間密度大的地方時鐘走的慢，空間密度小的地方時鐘走的快

5.等效性原理等效性原理說的是加速度和引力等效，在密閉空間中，你無法分辨兩者的區別。透過上面分析，我們知道引力是因為空間密度不均勻引起的，那麼在加速過程中是否同樣可以產生密度不均勻的空間呢？想象一下，火箭在加速時，後方的速度會先增大，然後再傳導到前方。由上面推論可知，空間密度和速度成正比。加速過程中後方速度始終大於前方，進而可以推匯出前方空間密度小於後方空間密度。整個火箭內部空間密度處於前低後高的分佈，因而會產生引力效應。可能你會提出疑問，如果我是從前方拉著火箭加速，那不就是前面速度快，後面速度慢，引力就反轉嗎？嘿嘿，這個問題先留給你自己考慮吧：）

6.雙生子佯謬透過上面的時間膨脹，你已經瞭解到，在不同密度的空間，時間流逝是有快有慢。運動和引力都會引發空間密度的變化。比如你和從你面前高速行駛小汽車裡的人，生活在上海和生活在青藏高原的人，都處於不同密度的空間當中。只是密度差異極其微小，以至於我們無法感受到。假設有對雙胞胎兄弟，在他們二十歲的時候，哥哥開著速度為0.9999倍光速的飛船出去兜風，等哥哥回到地球，請問誰變老了？如果有人問你這個問題，你可以毫不猶豫回答他弟弟變老了。誰生活的空間密度小，誰就更容易變老。由於飛船速度極快，致使其內部空間密度遠大於地球表面。如果哥哥只感覺過了1年就回到了地球，在忽略加減速的情況下，可以算出弟弟在地球上又度過了70年，此時哥哥21歲，弟弟已是90歲的老人。在《星際穿越》中，庫珀離開地球時，女兒還是個小姑娘。最後庫珀被四維時空丟擲後回到太陽系，當他再次見到女兒時，墨菲已是百歲以上的老人。每次看到這裡我都很感動。很多人有這樣的困惑，70光年外有個星球，光飛過去都要70年。即使我有光速飛船（0.9999c），等我飛過去，豈不是要老死了？其實不然，你處於飛船中，時間變慢了，你會覺得只飛了一年就到了。結論：誰生活的空間密度小，誰就老的快。

7.引力透鏡這個比較好理解，不做解釋了。考慮一個問題，光在經過星系的時候，不但發生了彎曲，還會導致彎曲那段速度變慢，那麼我們感受到的虛像會不會更遠一些？

寫在最後

空間既然可以壓縮，是否也能膨脹，使得那裡的光速大於30千米每秒？如何做到各向同性？各向同性的物體，分子組成都是隨機排列的。有規則排列的晶體都呈現各向異性。空間是各向同性的，空間量子的排列也必然是無序的，隨機的。和量子力學的不確定性有沒有關係？如果用空間量子的各種運動形態描述電場磁場？如果空間量子可以產生引力，那麼電磁力，強力，弱力是否也可以由空間量子產生？能否統一四種力？