解读“同时的相对性”，狭义相对论如此简单（近5000字建议收藏）

相对论诞生一百多年了，早已经被科学界认可。虽然如此，直到一百多年后的今天，仍旧有不少人对相对论抱有怀疑的态度，时刻想质疑相对论。

其实这也很正常，相对论本来就是在两个假设的基础上推导出来的，这两大假设分别是：狭义相对论原理和光速不变原理。不相信以假设为基础推导出来的理论也很正常，但相信了解之后你会发现，其实任何科学理论都是在假设的基础上推导出来的，这里的假设其实可以认为就是公理。

还有一点，那就是“相对论非常违反我们的直觉”，完全颠覆了我们的传统时空观，所以不少人不太愿意接受相对论。虽然明明知道相对论的诞生过程也没什么毛病，但总是本能地不愿意接受。

还有很多人认为相对论很难，网络上一度流传着“全世界理解相对论的人不超过三个”之类的观点。当然，如果想深入了解相对论的点点滴滴，确实有点难度，但也绝不会只有三个人理解相对论。

而作为普通的吃瓜群众，没有必要如此深入地了解相对论，毕竟我们也不是科学家，不是专业人士。作为普通的科普推广者，很忌讳的一点就是堆砌大量的专业术语和高深的数学公式，虽然具有很强的严谨性，但失去了更重要的东西，那就是“通俗”。

对于科普来讲，很多时候通俗比专业更重要，因为科普的目的并不是传授专业知识，而是让普通人在基础层面了解一个理论。

下面我就尽量用通俗的语言来诠释狭义相对论，其实也很简单，只需要明白何为“同时的相对性”就可以了，明白了“同时的相对性”，你就会发现狭义相对原来这么简单啊！

何为“同时的相对性”？简单来讲就是，在一个惯性系里看到同时发生的两件事，在另一个惯性系并不是同时发生的。

何为惯性系？也就是惯性参照系，符合牛顿运动定律的参照系，学过初中物理的应该都明白。通俗来讲就是静止或者匀速直线运动的参照系。

可以通过一个非常著名的思想实验来了解到底何为“同时的相对性”，这个思想实验就是“雷击火车实验”。

在讲述这个思想实验之前，很有必要约定与之有关的其他概念。

第一，光速不变。这个在之前的科普文里强调很多遍了，这里的“光速不变”并不是指“光在真空中的速度为每秒30万公里”，而是指“真空中的光速在所有惯性系都中保持不变”。什么意思呢？

举个例子，假设你驾驶一辆小汽车，以0.8倍光速飞速行驶，我静止在地面上，在我们两人眼里，车灯发出的光的速度都是一样的，都是光速。也就是说，速度通常都是相对的，但光速是绝对的。

第二，何为“同时”？这个看起来很简单的概念，其实并不简单，如果理解不好，很容易对之后的讲解产生误解，甚至走进自己设定的“圈套”里一直走不出来。

“同时性”是用光来定义的，在某个惯性系中，如果不同的两个事件发出的光同时到达两个事件的中点，那么这两个事件就是同时发生的。这就是同时性。

第三，理解了“同时”的概念还不算完，最关键的是明白如何判断同时是不是相对的。其实也很简单，但正因为简单，所以很容易被忽略。其实判断的标准之前已经说了，这里再强调一遍。如果两个事件在某个惯性系里同时发生，而在另一个惯性系里也同时发生，那么同时就是绝对的。如果另一个惯性系不是同时发生的，同时就是相对的。

这里很有必要再强调一下。判断的标准关键在于两个事件的发生时间，而不是你接收到光的时间。即使你接收到两个事件的光的时间不一样，也并不能说明“同时就是相对的”，也有可能这两个事件是同时发生的，但是两个事件发出的光飞行的时间和距离不同，造成了你在两个不同的时间点接收到两个事件的光！

看起来是不是有些绕嘴，像绕口令一样？

确实有点像绕口令，但我还是要强调再强调。这需要我们静下心来仔细品味，才能有所感触。不过暂时不理解不要接，接下来我会详细具体分析，从刚才所说的思想实验开始说起。

你在一列火车的正中央，火车以亚光速匀速行驶，我静止在地面上。在某一个时刻，两道闪电同时击中了车头和车尾，这两棵树与你的距离是相同的，与我的距离也是相同的。当然，这里的“同时”是以地面为参照系的，也就是对于我来讲，“闪电击中一棵树和另一棵树”这两件事是同时发生的。

如今需要证明的是，对于火车里的你来讲，这两件事并不是同时发生的。

首先，如果火车并没有动，处于静止状态，当然你和我看到的会是一样的，都会看到闪电同时击中了两棵树。你肯定会同时收到从车头和车尾飞过来的光，这点应该没有什么疑问。

如今，你乘坐的火车是运动的，但是光速是有限的。这就意味着光传到你那里肯定需要时间，不管这个时间有多短，火车也必定会行驶一段距离。

于是，站在火车正中央的你，肯定会先看到从车头飞来的光，紧接着看到从车尾飞来的光。

现在，仔细想想，上面得出的结论有涉及光速不变原理吗？

并没有！只要光速不是无限的，有限的光速肯定会发生上面的现象，肯定会先看到从车头飞来的光，这与光速不变没有任何关系。

关于这点，无论是相对论还是牛顿经典力学都是一样的，因为两者都承认光速是有限的。

那么，既然如此，既然你先接收到从车头飞来的光，然后才接收到从车尾飞来的光，是不是就意味着同时是相对的呢？从而得出同时的相对性这个结论呢？

当然不是！

之前我反复强调了，判断同时的相对性，并不在于你接收到光的时间先后，而是两个事件的发生时间是否一致。

接收到来自两个事件的光的时间是否一致，与两个事件是否同时发生并没有直接关系。同时接收到两个事件发出的光，并不意味着两件事一定同时发生。

从相对论角度来讲是这样的。

以火车为参照系，无论是光从车头飞向你还是从车尾飞向你，两者的距离是一样的。这时候再根据光速不变原理，光速也是不变的，那么两束光飞到你那里所花费的时间当然也是一样的。

但是你明明是先看到车头飞来的光，后看到车尾飞来的光，这意味着什么？意味着车头和车尾飞来的光根本不是同时发出来的。

也就是说，对于你所在的火车参照系而言，雷电并没有同时击中两棵树。这就是同时的相对性。地面上的我认为闪电同时击中了两棵树，但你并不这样认为。

如果你不仔细思考整个过程，会感觉逻辑上理解起来很困难。所以，需要静下心来细细品味。

以上是用爱因斯坦的相对论来诠释的，那么牛顿经典力学是如何诠释的呢？

由于牛顿经典力学是建立在绝对时空观基础上的，光速并不是绝对的，所以按照牛顿经典力学诠释，火车上的你和地面上的我看到的是一样的，都会认为闪电会同时击中那两棵树。也就是说，牛顿力学体系下，同时是绝对的。

但是，肯定还会有人质疑：你之前不是说即便是在牛顿力学体系下，火车上的人仍然会先看到车头的光，而后看到车尾的光吗？这不正好说明了同时的相对性吗？

如此一来，牛顿力学得出的结论看起来和爱因斯坦的相对论得出的结论，就完全一样了，实验本身就没有意义了。

这里再强调一下，所谓的“同时”，判断的依据是两件事同时发生，而不是两件事发出的光同时到达某个参照系。

在牛顿力学体系下，光速是可变的，与其他速度一样，会与其他速度发生叠加效果。于是，对于火车上的你来讲，车头飞过来的光的速度就不再是光速C，而是光速加上火车的速度，也就是C+V，这里的V代表火车速度。同理，从车尾飞过来的光的速度也不是光速，而是C-V。

这个应该很好理解，实际上这就是我们平时经常用到的速度叠加计算。在牛顿力学体系里，光一点也不特殊，光就像一连串密密麻麻的子弹一样。试想一下，如果一发子弹从车尾飞向你，在你看来，子弹的速度肯定是变慢了。如果子弹的速度正好等于火车速度，在你看来子弹就是静止的，你甚至可以轻松抓住子弹。

也就说，在牛顿力学体系下，光从车头和车尾飞向你的过程中，飞行的距离是相等的，都是半个火车车厢的距离。但是由于车头飞来的光的速度更快，而车尾飞来的光的速度更慢，因此假如这两束光是同时发射出来的，那么你一定会先接收到从车头飞来的光，后接收到从车尾飞来的光。

但是考虑到火车速度与光的速度的叠加效应，正好能得出这样的结论：光是同时发出来的。这与静止在地面上的我看到的是一样的，也恰好说明了同时的绝对性。

总结

无论是牛顿力学体系，还是爱因斯坦的相对论，都会认为地面上的两件事是同时发生的，也都会认为火车上的你会先看到车头飞来的光，后看到车尾飞来的光。

不同的是，牛顿力学体系和相对论对上述现象的解释不同而已。

按照爱因斯坦的狭义相对论，先看到车头飞来的光，后看到车尾飞来的光，这种现象直接就证明了同时的相对性。毕竟光速是一样的，距离也一样，意味着传播时间当然也是一样的。既然接收到光的时间点不一样，那么必然就表明光发出的时间肯定有先后，并不是同时发出来的。

而在牛顿力学体系下，光飞行的距离一样，但是光的速度不一样，当然也会造成火车上的你不会同时接收到车头和车尾的光。牛顿力学体系给出的结论就是：两束光就是同时发出来的。这样的结论当然也没毛病，小学数学水平就能解释。

这也是牛顿经典力学与爱因斯坦相对论的最大区别，前者认为同时是绝对的，无论是地面上的我，还是火车上的你，只要你和我其中一人看到两件事同时发生，那么另外一个也会看到这两件事同时发生。

但是相对论体系下，并不是这样的。某个参照系下同时发生的两件事，在其他参照系就不会同时发生。这就是同时的相对性。

说白了，相对论认为，光速不变才是导致接收到车头和车尾的光有先后的原因，然后推导出车头和车尾的光的发出时间不同。而牛顿经典力学认为，之所以接收的时间不同，是因为光速变大和变小造成的，而车头和车尾飞来的光的发出时间仍旧是一致的。

那么，谁是正确的呢？显然爱因斯坦的相对论是正确的，是更严谨的。牛顿经典力学只是在低速世界下是“正确”的，因为当速度远远小于光速时，同时的相对性根本体现不出来。

但无论如何，牛顿经典力学和爱因斯坦的相对论都是自洽的。自洽，说白了就是自圆其说，不能自相矛盾。从以上能够看出，牛顿经典力学和爱因斯坦的相对论确实能自圆其说。

只是，牛顿经典力学只能在低速世界自圆其说，一旦来到亚光速，就会变得不再自洽。而爱因斯坦的相对论无论在低速还是亚光速世界，都是自洽的。说白了，牛顿经典力学只是爱因斯坦相对论在低速世界的特例和近似值。

长篇大论写了这么多，或许有些小伙伴越看越糊涂，这没关系，看得多了自然就明白了，最主要的是要静下心来仔细思考。其实同时的相对性完全就是以“光速不变原理”为基础推导出来的，而爱因斯坦的狭义相对论也正以是光速不变原理为基础前提推导出来的。

说到底，光速不变才是核心。

但很多人或许并不知道，光速不变其实只是假设，也就是说，爱因斯坦的相对论是在假设的基础上建立起来的。

事实上，不仅仅是相对论，任何科学理论都是在假设的基础上推导出来的，因为科学的本质就是假设！为什么？这又是另一个问题了，这里就不再详述了，以后会有专门的科普文对其进行详细分析！

完！

如果您喜欢作者的创作，请点击下方“喜欢作者”，谢谢您的支持！