通俗解读狭义相对论，原来如此简单！

相对论，是我科普工作中很重要的一个环节，以前也做过多次科普。今天就换一种科普方式，以讲故事的方式，尽可能通俗地阐述狭义相对论的前世今生。

从电和磁的发现之路开始讲起。

我们都知道，法拉第在近两百年前发现了电磁感应，其实那时候科学家就已经知道了电和磁肯定“有一腿”，但短时间内并没有发现电和磁到底存在着怎样的关系。

后来我们都知道了，伟大的麦克斯韦提出了无与伦比的麦克斯韦方程组，统一了电和磁，从此，电和磁就成了一家人。

麦克斯韦方程组到底有多伟大？说它是人类历史上最美的方程，一点也不夸张。

麦克斯韦方程组完美阐述了电和磁的相互转化规律，如此优美的方程组，当然备受物理学界的青睐，而爱因斯坦就是其中之一，非常钟情于该方程组。

一直以来，爱因斯坦对光也是情有独钟，而光是一种电磁波，而电磁波的事情恰恰归麦克斯韦方程组管，这也是爱因斯坦如此钟情于麦克斯韦方程组的原因所在。

麦克斯韦方程组可以推导出电磁波的传播速度，也就是光速，公式中光速是一个常数，只与真空的磁导率和介电常数有关，竟然没有提到任何参照系！

这无疑激发了爱因斯坦的灵感，在众多物理学界大佬都在寻找光速的参照系“以太”的时候，爱因斯坦大胆提出：光速为什么一定要参照系？如果光速本来就是绝对的，不需要参照系，我们就没有必要苦苦寻找那未知的以太了。

于是爱因斯坦大胆提出了光速不变原理。

这里必须纠正一个错误认知，很多人认为迈克尔逊莫雷实验证明了光速不变，其实不是那样的，这个实验顶多表明以太不存在，甚至面对实验结果，迈克尔逊和莫雷本人都不愿意相信以太真的不存在，他们宁愿相信实验出了差错，因为他们心里明白，如果以太真的不存在，意味着牛顿力学体系就轰然倒塌了，这是他们无论如何都很难接受的。

既然迈克尔逊和莫雷连“以太不存在”的结果都不敢相信，更不可能去想“光速不变”了！

当然，这个实验确实出现在爱因斯坦提出狭义相对论之前，可能在一定程度上又给了爱因斯坦灵感，让他坚信以太的确不存在，加速了提出光速不变原理。

光速不变原理是什么意思呢？

当然不是指“光在真空中的速度是每秒30万公里”，而是指在任何运动状态下，相对任何参照系，光速都保持不变。说白了，光速是绝对的，与其他任何速度叠加之后仍旧是光速。

举个例子就明白了。

我静止在地面上，打开手电筒，发出一束光。在我打开手电筒的瞬间，你以0.9倍光速追赶那束光，在你眼里，那束光的速度是多少呢？

按照我们传统的速度叠加来计算，应该是0.1倍光速。实际上呢？仍旧是光速。也就是说，不管你的速度有多快，那束光在你眼里的速度始终都保持光速不变，就是这么霸道。

这就是光速不变原理。除了这个原理之外，还有一个原理：相对性原理，通俗来讲就是在惯性系中，物理定律保持不变。具体该如何理解呢？

还是举例说明。

我在跑步，速度是每秒5米，而你静止在地面上。假设这时候整个宇宙只剩下你和我了，那么咱们两个人到底谁在运动？

在你眼里我在运动，在我眼里你在运动。为了弄清楚到底谁在运动，我们需要这样表达：我相对你的速度是每秒5米。

这样的表达很好理解，没记错的话初中物理课上就应该有了吧。但是当“以太”的概念出现之后，结果就不一样了。

以太，是绝对时空观下的产物，认为空间是由以太组成的，空间里到处充满了以太，只是我们看不见摸不着，所谓的静止和运动都是相对空间或者说以太而言的，说白了，以太就是绝对静止的参照系，以太这个参照系凌驾于其他所有参照系。

那么，刚才所讲的“我相对你的速度是每秒5米”，就变成了“我相对空间的速度是每秒5米”。

但是问题就在于，以太这个东西是假设的，需要通过实验去验证，但实验做了很多次，都没有发现以太存在的证据，比如说著名的迈克尔逊莫雷实验。

不过由于绝对时空观在当时的物理学界如此根深蒂固，没有人敢否定以太的存在，还是得爱因斯坦大佬出马，直接用“奥卡姆剃刀”把以太“掐死”了。

爱因斯坦认为，任何惯性系都是等价的，平权的，没有任何惯性系是特殊的。在惯性系中，任何物理定律都表现出相同的形式。这就是相对性原理。

实际上，相对性原理在我们身边无处不在。经常坐火车的伙伴们应该有这种感受，如果火车启动时很慢，很平静，你甚至感觉不到火车已经启动了，反而觉得是对面的火车启动了，还是感觉火车静止不动，你此时的感受与静止在地面上的感受没有任何不同。

说白了，在一列匀速直线行驶的火车上，与你静止在地面上的感受完全相同，在这两种惯性系下的所有物理实验都会表现出相同的结果。

而爱因斯坦就是在光速不变原理和相对性原理的基础上，提出的狭义相对论。说白了，这两大原理都是假设，狭义相对论是建立在两大假设的基础上创建的。当然两大假设可不是随便就能想出来的，首先必须自洽，还需要经得起实验的验证。

有了这两大原理，很容易推导出狭义相对论体系下的公式，比如说时间膨胀效应公式，尺缩效应公式等。

其实，我们也可以换一种方式理解为什么时间会膨胀，空间会变短。由于在任何运动状态下观察到的光速都保持不变，意味着某些东西肯定发生了改变，不然光速不可能保持绝对不变。

比如说，你以0.99倍光速运动，我静止在地面上，我们看到同一束光的速度竟然是相同的，如果没有其他东西发生改变，是没有道理出现这种情况的。

到底什么东西发生了改变呢？由于速度只与时间和距离（空间）有关，这些东西当然是时间和空间了。具体来讲就是，虽然你的速度很快，达到了0.99倍光速，但你的时间和空间也发生了变化，时间和空间会根据你的速度不断调整，保证你看到的光的速度始终是光速！

这就是狭义相对论，一点也不难。如果你了解了狭义相对论的前世今生，会发现狭义相对论如此简单。

完！