??最近看了相對論假抄，那么說一下我對相對論和相對性原理的一些理解（相對論是一套完備的理論朵栖，相對性原理是推導(dǎo)出相對論的原理）近上。首先說明剔宪，我不是物理專業(yè)的，并沒掌握相對論復(fù)雜的推理和計算過程壹无，本文也只是簡單說明我理解的相對論是怎么回事葱绒，歡迎專業(yè)人士指正。
一斗锭、力學(xué)相對性原理
??牛頓曾用“我看得遠是因為站在巨人的肩膀上”來諷刺胡克是駝背的矮子地淀，不過這句話是挺對的，所有高深的理論都不是憑空創(chuàng)立岖是，而是在無數(shù)前人積累的基礎(chǔ)上發(fā)展來的帮毁，愛因斯坦創(chuàng)立相對論至少依賴于數(shù)學(xué)，經(jīng)典力學(xué)豺撑，電磁學(xué)的發(fā)展烈疚。
??首先來看力學(xué)相對性原理，伽利略提出：力學(xué)定律對任何慣性坐標系都是等效的聪轿。也就是說在靜止或勻速直線運動的坐標系中爷肝，做任何力學(xué)實驗都無法判斷當(dāng)前的運動狀態(tài)。由此可以推出陆错，靜止和勻速直線運動沒有本質(zhì)區(qū)別灯抛，運動是相對的，速度也是相對的音瓷。這是高中物理的內(nèi)容牧愁，還算好理解。
二外莲、俠義相對論
??后來麥克斯韋關(guān)于電磁學(xué)的發(fā)現(xiàn)成為19世紀人類最重大的事件猪半，并直接導(dǎo)致愛因斯坦相對論的創(chuàng)立。根據(jù)麥克斯韋方程組能夠計算出電磁波的速度偷线，結(jié)果跟光速的測量值非常接近磨确，于是麥克斯韋大膽猜測：光的本質(zhì)是電磁波！當(dāng)然后來證明他是對的声邦，于是計算出的電磁波的速度也就是光速乏奥。但問題是速度是相對的，計算出的這個光速是相對于誰的呢亥曹。
??1905年是愛因斯坦的奇跡年邓了，這一年中恨诱，他連續(xù)發(fā)表了6篇論文，引發(fā)了人類對于物理世界基本概念（時間骗炉、空間照宝、能量、光和物質(zhì)）的認知革命句葵。
??在物理學(xué)家無法解釋光速是相對于誰的速度時厕鹃，愛因斯坦終于出手了，他在伽利略相對性原理基礎(chǔ)上提出了進化版的狹義相對性原理：任何定律在慣性坐標系下都是等效的乍丈。也就是將相對性原理從力學(xué)定律拓展到了所有物理學(xué)定律剂碴。
??根據(jù)狹義相對性原理，任何慣性坐標系下物理規(guī)律是等效的轻专，計算出的光速都是一個常數(shù)c忆矛，于是愛因斯坦又提出一個合理的假設(shè)，光速不變原理：任何慣性坐標系下请垛，觀察到的光在真空中的傳播速度都是c洪碳。這是一個理論假設(shè)，是顯然正確的不需要證明的叼屠，類似數(shù)學(xué)中的公理瞳腌。（我自己想了好多天才接受了這個假設(shè)。）
??俠義相對性原理和光速不變原理镜雨，是俠義相對論的基礎(chǔ)嫂侍，如果能對這兩條原理證偽，那么整個相對論就都是錯的荚坞。但是只要認同這兩條原理挑宠，不管推導(dǎo)出什么稀奇古怪，超出認知的結(jié)論颓影，我們都得接受各淀，下邊看幾個推論。（由于高速運動是很難達到的實驗條件诡挂，所以很多理論是通過思想實驗的方式推導(dǎo)出來的碎浇。）
??時間膨脹效應(yīng)：高速運動下時間會變慢×祝看下邊的思想實驗奴璃，正在以速度v勻速直線運動的，高為L的長方形盒子城豁，頂部（B面）有一面鏡子苟穆，底部（A面）可以向上發(fā)射一個光脈沖（事件1），照射到鏡子再反射回底部被接收（事件2），時間是：Δt = 2L/c雳旅。如果以地面視角觀察（下圖）跟磨，因為盒子在運動，光脈沖發(fā)射點與反射點距離攒盈，反射點與光脈沖接受點距離都是D抵拘，D大于L，Δt‘=2D/c沦童，得出Δt‘ > Δt 。所以在地面視角看秕重，盒子在運動纺讲，Δt < Δt‘ 圈盔，盒子內(nèi)的時間變慢了。因為坐標系是相對的氏豌，這個效果只在當(dāng)前坐標系下有效，在盒子的視角看热凹，地面在運動泵喘，地面的時間變慢了。而且不管在哪個坐標系內(nèi)般妙，都不會感受到自己坐標系內(nèi)時間的變化纪铺，一小時能搬一百塊磚還是能搬一百塊磚。
?? 時間膨脹效應(yīng)已經(jīng)被實驗證實碟渺，從宇宙來的射線中有很多速度接近光速鲜锚，靜止時半衰期2.2微秒的μ子，速度為0.994c的μ子從2km高度到達0m高度需要6.7微妙苫拍，如果沒有時間膨脹芜繁，0m高度的μ子密度應(yīng)為2km高度μ子密度的8.5分之一，但是實驗結(jié)果是1.3分之一绒极，證實了高速運動的μ子相對地面時間變慢了骏令。
??長度收縮效應(yīng)：物體的長度在靜止的坐標系中最大，如果有相對運動會覺著比靜止的時候短一些垄提。一起來想榔袋，我們怎么測量很遠處，跟我們視線在同一直線上的兩點間距離呢铡俐，應(yīng)該是遠點到我們的距離減去近點到我們的距離摘昌，遠點距離 = 遠點發(fā)出的光到我們的時間 * c，近點距離 = 近點發(fā)出的光到達我們的時間 * c高蜂，兩點間距離 = （遠點光到時間 - 近點光到時間）* c聪黎。根據(jù)時間膨脹效應(yīng)，高速運動的物體時間會變慢，可以計算出兩點光到時間都變小了稿饰，時間差也變小锦秒，得出高速運動的物體，在沿著我們視線的方向喉镰，尺寸會小一點旅择。經(jīng)過計算，20光年外的星球侣姆，0.8c速度的飛船要25年才能到達生真，根據(jù)時間膨脹效應(yīng)，其實15年就到了捺宗，在飛船視角柱蟀，因為與這段距離有相對運動，這段距離的長度收縮為0.8c*15=12光年蚜厉。
??前邊說的空間和時間都是相對的长已，不能脫離坐標系來談?wù)摚賮砜匆粋€昼牛，質(zhì)量也是相對的：高速運動的物體質(zhì)量會變重术瓮。在思想實驗之前先探討一個問題，如果在速度u的飛船上發(fā)射速度為Vx'的導(dǎo)彈（兩者和大于光速c）贰健，那導(dǎo)彈速度是不是就超過光速了呢胞四？并不是，速度疊加的公式是這樣的：
??記住這個公式伶椿，然后想象一下撬讽，如果有一艘可以無限加速的飛船，在宇航員看來悬垃，一直在提供恒定的動力一直在加速游昼，但是在地面視角看飛船越接近光速加速度越小，于是由動力不變尝蠕、加速度變小可以推出飛船質(zhì)量在不斷增大烘豌，進一步推出一切有質(zhì)量的物體都無法達到光速。光子的靜止質(zhì)量是0看彼，速度是c廊佩，光子不會加速也不會減速，時間也不動靖榕，要么以光速運動要么消失标锄。
??增加的質(zhì)量增加到哪了呢？把動能質(zhì)量方程變化如下圖茁计，得出質(zhì)量差*c^2 = 動能料皇，相差的質(zhì)量是能量，于是愛因斯坦產(chǎn)生一個洞見：mc^2代表了一個物體全部能量，質(zhì)量就是能量践剂。這就是著名的質(zhì)能方程：E=mc^2
狹義相對論效應(yīng)可以總結(jié)為：運動會讓你更年輕（時間膨脹）更瘦（長度收縮）更結(jié)實（質(zhì)量增加）鬼譬。
三、廣義相對論
??哎逊脯，廣義相對論看得我懷疑自己的智商优质，簡單說一下我的理解，有不明白的也不要問我军洼，我也不知道巩螃。
??先說下廣義相對論用到的數(shù)學(xué)知識：星球的表面、宇宙空間都是彎曲的匕争，所以要用到黎曼幾何避乏。地球儀表面只需要用經(jīng)緯度就可以標識出所有位置，所以地球儀表面不是三維是二維的汗捡。在球面上兩點間最小距離是經(jīng)過圓心的大圓上的一段淑际，稱為測地線畏纲。
??開始上正菜扇住，廣義相對論從兩個思想實驗開始，其一盗胀，在一個遠離星球艘蹋、引力忽略的地方，一艘封閉飛船以加速度g向上加速飛行票灰，和在地面上靜止的封閉空間中女阀，做任何實驗都無法區(qū)分兩者。其二屑迂，在墜落電梯（或空間站）中浸策，和在遠離星球、引力忽略的地方勻速直線運動惹盼，都處于失重狀態(tài)庸汗，做任何實驗都無法區(qū)分。按照牛頓力學(xué)定律加速運動和勻速直線運動是有巨大區(qū)別的手报，但是在這里卻無法區(qū)分蚯舱。
??燒腦的來了，之所以無法區(qū)分自由落體和勻速直線運動掩蛤，是因為所有物體的重力加速度一樣枉昏，重力加速度一樣是因為受到的引力跟慣性質(zhì)量成正比。但是引力應(yīng)該只跟引力質(zhì)量成正比揍鸟，跟慣性質(zhì)量不相關(guān)的兄裂。再一次但是，恰好慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量，所以無法區(qū)分兩種狀態(tài)懦窘。（關(guān)于慣性質(zhì)量前翎，引力質(zhì)量，我很蒙圈畅涂，別問我港华。）既然無法區(qū)分勻速直線運動和自由落體，于是愛因斯坦提出了廣義相對性原理：所有坐標系下午衰，物理定律都是一樣的立宜。
??當(dāng)自由落體時，感受不到引力臊岸，那么就相當(dāng)于引力不存在橙数。為什么有的坐標系下存在，有的坐標系下不存在呢帅戒，于是愛因斯坦再次大膽猜測：引力其實是個幻覺灯帮。進而提出了廣義相對論：1）一個有質(zhì)量的物體會彎曲它周圍的時空，這叫“物質(zhì)告訴時空如何彎曲”逻住。2）在不受外力情況下钟哥，一個物體總是沿著時空中的測地線運動，這叫“時空告訴物質(zhì)如何運動”瞎访。
??解釋一下腻贰，時空是四維的（三維加時間），我們以二維來作類比扒秸。一個平的蹦床上播演，放上一個大球，大球所在的地方會形成凹陷伴奥，然后在凹陷周圍扔一個小球写烤，小球會繞著大球的凹陷旋轉(zhuǎn)。時空中也是類似的拾徙，太陽會將時空彎曲形成凹陷洲炊，這個凹陷是四維的，空間和時間都彎曲了锣吼，地球只是感知到了這個凹陷选浑，在這個凹陷中沿著時空測地線運動，跟太陽沒有直接的關(guān)系玄叠。不同速度的物體古徒，遵循的時空測地線不同。所以读恃，從大尺度看隧膘，所謂的引力只是時空的彎曲代态；從局部看，曲面的局部都是平面疹吃，根本不存在引力蹦疑。
??于是對自然運動狀態(tài)的理解也發(fā)生了改變，所謂自然運動狀態(tài)萨驶，就是沒有外力干擾時物體的運動狀態(tài)歉摧，亞里士多德認為物體的自然運動狀態(tài)是靜止，伽利略和牛頓認為是勻速直線運動（包括速度為0）腔呜，愛因斯坦認為一切沿著測地線的運動都是自然運動叁温。在不受力的電梯中墜落，空間站繞著地球轉(zhuǎn)都是自由落體核畴，雖然有加速度膝但，但仍然是自然運動。自然運動跟勻速直線運動沒有本質(zhì)區(qū)別谤草，在封閉實驗室中無法通過實驗區(qū)別當(dāng)前狀態(tài)跟束。
??然后回到剛才第一個思想實驗，在地面靜止的封閉空間中和在加速上升的飛船中丑孩，都是有一個力阻礙沿著測地線運動冀宴，都是不自然的運動，這倆是一回事嚎杨。
??廣義相對論已經(jīng)被證實花鹅，一個是水星進動效應(yīng)（進動就是公轉(zhuǎn)運動軌跡不是完美的橢圓氧腰，而是每個周期存在偏角）枫浙，根據(jù)廣義相對論的計算，水星會存在每一百年43弧秒的水星進動古拴，而觀測計算結(jié)果也是如此箩帚。另一個是光線彎曲，在日全食時觀察到被太陽擋住的其他恒星黄痪，也就是被擋住的恒星發(fā)出的光紧帕，本來不應(yīng)該照射到地球，但是卻意外地到達了地球桅打，由此證實其他恒星發(fā)出的光被太陽彎曲了是嗜，也就證明了廣義相對論是正確的。
廣義相對論的推論最普遍的就是時間膨脹效應(yīng)和黑洞了挺尾。
??在說廣義相對論時間膨脹效應(yīng)（這跟狹義相對論的時間膨脹效應(yīng)是不同的）前需要先了解下多普勒效應(yīng)鹅搪。多普勒效應(yīng):當(dāng)一個波源向你運動，因為每次發(fā)出一個波形離你的距離都近了一點遭铺，也就是波長變短了一點丽柿，頻率會提高恢准，如果離你而去波長增加，頻率降低甫题。光也是波馁筐，如果光源向你靠近，光的頻率就會更高一點坠非，表現(xiàn)出來就是更藍一點敏沉，稱為藍移；如果光源離你而去炎码，光的頻率就會降低赦抖，表現(xiàn)出來就是更紅一點，稱為紅移辅肾。
??回到之前的思想實驗队萤，在宇宙空間中勻速直線運動的飛船里做光學(xué)實驗，測得的光應(yīng)該是沒有紅移和藍移的矫钓。而在自由落體運動的電梯里做光學(xué)實驗要尔，從下向上發(fā)射一束光，頂棚是加速沖向這束光的新娜，測得的光應(yīng)該有藍移赵辕，如果廣義相對論正確，那么引力場必須自帶一個紅移來抵消藍移概龄，這就是引力紅移还惠。假設(shè)引力場自帶引力紅移，從高空觀察星體發(fā)出的光頻率變小了私杜，也就是高處看低處的人動作變慢了蚕键，低處看高處的人動作變快了。也就是說高處時間變快了衰粹，高處的人老的快锣光，這就是廣義相對論的時間膨脹效應(yīng)。
??使用原子鐘放在不同高度铝耻，已經(jīng)證實廣義相對論的時間膨脹效應(yīng)是正確的誊爹，倫敦和巴黎因為海拔不同，時間每天相差1納秒瓢捉。當(dāng)然因為太陽和地球的引力并不大频丘，這個效應(yīng)對人的壽命和生活的影響是完全忽略不計的。
??再說黑洞泡态。星體質(zhì)量越大搂漠，半徑越小，對周圍彎曲程度越大兽赁。當(dāng)彎曲得足夠大導(dǎo)致光都無法逃逸時状答，就成了黑洞冷守。分割黑洞內(nèi)外的一條界限稱為事件視界。事件視界之外惊科，至少光是能夠離開的拍摇，所以能觀察到；一旦進入事件視界任何物質(zhì)都無法逃脫了馆截，也就無法被觀察到充活。想象一下我們從遠處的飛船觀察一個人進入黑洞的過程，因為時間膨脹效應(yīng)蜡娶，越接近黑洞混卵，我們看到這個人的動作就越慢，如果這人在黑洞附近待一會就回來窖张，雖然自己的時間并沒過去多少幕随，但是飛船的時間已經(jīng)過去了很久；如果這人到達事件視界時宿接，時間膨脹無窮大赘淮，我們會看到他的身影永遠停留在事件視界上；如果這人進入事件視界睦霎，他是感覺不到事件視界存在的梢卸，并不存在明顯的被察覺的界限，內(nèi)外并沒有區(qū)別副女，進入也不會有不同感覺蛤高，但是最終會因為時空扭曲過大身體被撕碎。
一句話概括廣義相對論就是：物質(zhì)告訴時空如何彎曲碑幅，時空告訴物質(zhì)如何運動戴陡，引力只是假象。
??從力學(xué)相對性原理到狹義相對論再到廣義相對論枕赵，是越來越遠離我們的日常生活猜欺，越來越抽象位隶，越來越難理解的拷窜，限于智商，研究了好長時間我也只能理解到這種程度涧黄，再寫下來也可能會詞不達意篮昧，大家輕噴。相對論還有很多不好理解又很有意思的推論笋妥，有興趣的可以自己研究下懊昨。
參考資料：萬維鋼講的相對論， https://pan.baidu.com/s/1ia_soy4DNKiXq_YO48V2_w 提取碼: 232h
