写在前面：好久以前答应朋友科普一下相对论，一直拖延着，一方面是因为懒，另一方面也是因为能力不足。我论文都发不出来，写出来的东西在专业人士看来未免贻笑大方。我一向认为科普是费力不讨好的事，公式太多还不如去看教科书，放一些不明所以的图又容易造成误导，因为大部分的数学和物理概念并非那么直观。本文算是闲聊，部分讨论很不严谨，只是吹吹牛表示“我也学过相对论”，大家就当作看个笑话清凉一夏。后续，如果存在的话，会聊一聊宇宙学以及标准模型。
科学的习得在问是“为什么”之前，应该先问“是什么”。那么，相对论是研究什么的呢？
Newton
Einstein
牛顿力学告诉我们时间是绝对的，然后可以研究质点的运动。但爱因斯坦告诉我们，时空应该被看作一个整体，运动的坐标变换不是像牛顿说的那样，对运动的观察也不存在一个绝对的标准。光速不变和光速是速度的极限这种假设是与牛顿力学相违背的，但却是被实验所证实的，因此诞生了狭义相对论。故而，狭义相对论是在光速不变原理的前提下，研究物质运动规律的物理学，它告诉我们牛顿力学只是在远远低于光速下的一种近似。
在观察物质的运动时，没有哪个观察者或者说参考系是绝对的，所有的惯性系都是平权的。时间和空间的分割取决于参考系，不存在绝对的时间和空间，这是与牛顿力学的本质区别。
狭义相对论
不涉及太多数学的情况下，时空图是最好理解工具。在一张二维图里，纵坐标表示时间横坐标表示空间的话，质点的运动就表现成了所谓的世界线，每一个点都是它曾在的时空点。这里需要注意的是，线的长度并不是通常欧几里得空间那样子的直接衡量，因为“尺子”不一样，这就是所谓的度规。
牛顿力学里面的时空坐标变换满足伽利略变换，在不同参考系下时间其实是不变的，尺子也就是我们通常所见那样子的单纯空间上的量度，或者说，度规是欧氏度规。狭义相对论的时空则是所谓的闵可夫斯基度规，在测量时空点间距离的时候，时间坐标其实会起到一个负的作用。因此时空图上看起来更长的线段其实“线长”更短。
双生子佯谬
著名的“双生子佯谬”里，一对双胞胎中甲呆在地球上，乙乘飞船去往太空转一圈回来，谁更年轻？其实就是问谁的世界线更短，因为世界线的线长就是其所经历的固有时间，那么就可以从时空图中得知，乙会更年轻一点，因为在闵氏度规这把尺子下，欧氏度规看起来会长的线段其实比甲更短一点，他经历的时间也就更短。
兄弟二人的时空图
广义相对论
那么，广义相对论呢？爱因斯坦在提出狭义后的十几年间在思考的问题是什么？是引力。大家痛恨的物理书上会告诉我们，自然界有四种基本力或者相互作用：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。其他三种力的理论在二十世纪也逐渐被建立并完善，现在基本上可以用被称为“标准模型”的理论来描述，我们公众号没彻底凉的话或许下期会聊一聊这些。
广相告诉我们，引力的本质是时空的弯曲。弯曲的概念跟通常所理解的不是完全相同的，但没有数学基础的朋友可以按照那个流行的说法想象一下，一个蹦蹦床是平的，放了一个球之后就变弯曲了，球就会动起来。虽然这个讨论不是很严谨，因为在蹦床这个“时空”里球是受重力这个外力的。不过基本图像大致是这样，时空的弯曲是因为物质的存在，物质受到的引力其实是弯曲的表现，也就是说，四维时空整体下考虑，只受引力的物质其实是不受力的，作为自由的粒子其世界线就是该弯曲时空的测地线。当然，考虑二阶以上的效应时，弯曲的时空导致的物质的运动又导致了时空的弯曲，然后又导致了运动又……这是一个你知道我知道你知道我知道的故事。
总之，就有了著名的爱因斯坦场方程，方程两边一边是描述时空弯曲的量，一边是描述物质运动的量。爱因斯坦并不是直接从狭义相对论或者牛顿万有引力跳到这一点的，但很自然地大家所熟知的万有引力公式可以看成是场方程的近似。
太阳质量导致的周围时空弯曲，使得行星围绕其旋转
那么讨论狭义和广义相对论的区别也就顺理成章了：前者的时空背景是平直的时空，没有引力的存在或者引力较小可以忽略；而后者是关于引力的理论，背景时空是弯曲的。或者形象地说，在狭义相对论的平直的芭蕾舞台上，演员的质量比较小，跟舞台之间的“引力”可以忽略，自己跳自己的舞而不会影响舞台。但在广相的情况下，芭蕾舞台和演员是相互影响的，演员的质量会使得舞台弯曲，弯曲的舞台也会影响演员的舞步。
所以总结地说来，广义相对论是描述引力的理论，狭义相对论可以看作是引力可忽略时的物理理论。而宇宙学是广相的一个最重要的应用，当描述的时空是整个宇宙时，是典型的“宏观”世界，我们就得用到广义相对论了。但同时在宇宙早期尺度很小的时候也不可避免要涉及到量子理论，现在物理学家最想解决的问题也与此有关：引力和其他三种相互作用的统一。无论是大统一理论或者弦论或者其他，引力的量子化和超出标准模型的物理一直并将继续是高能物理学最重要的努力方向。如前所述如果下期存在的话我们再聊聊宇宙学和标准模型及其他。
封面配图是北师大校园里的一块石碑，上面刻的那句话我很喜欢，是“天道至临，周行不殆”。世界的运行规律是至高的，是永不停歇的，是值得我们去追寻的。朝闻道，君子共勉。
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