什麼是相對論？

01-05

希望用通俗的語言回答。

和題主交流後發現原問題的描述並不符合其提問的意圖，因此這裡按照修改後的問題重新添加答案，原答案保留在後面。

相對論很難用三言兩語講清楚，因此下面僅做概要介紹，進一步的了解請參考相關科普讀物。

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科學家們曾猜想宇宙中有一種絕對的參照物，沿襲亞里士多德將之命名為以太。光在以太中運行，它相對以太的速度是恆定的，而地球也在以太中運行，那麼根據牛頓力學方程，不同方向的光線應該有著不同的速度。兩位科學家，麥克爾遜和莫雷深信以太的存在，他們想通過精密設計的實驗證明這一點。然而他們的實驗是失敗，無論如何測量，光在各個方向的速度都是相同的。麥克爾遜莫雷實驗是科學史上最偉大的失敗實驗之一，徹底把在此之前所有科學家深信不疑的以太學說送進了墳墓，同時得到了光速不變這樣一個與當時的物理學常識非常相悖的結論。

這就是相對論的基本前提。據此愛因斯坦推斷出，在任何慣性系下物理規律都是不變的。

基於以上結論，愛因斯坦發現時間的概念和我們的直覺有很大不同，在一個參照系下同時發生的兩件事，在另外一個參照系下並不一定是同時發生的。於是愛因斯坦設想了光子鍾實驗，基於光速不變性，通過光子鍾實驗可以得出結論，有相對運動時，物體將發生時慢和尺縮的效應。這種效應也可以通過洛侖茲變換導出，因此洛侖茲變換就成為狹義相對論的基本公式。在狹義相對論中，物體運動的速度不能通過簡單的加減得出，要用洛侖茲的速度公式進行計算，這樣算出來的結果不可能大於光速c，否則會出現沒有意義的複數，因此光速就成了我們這個宇宙的物質移動和信息傳播的速度上限。當速度無限小時，洛侖茲變換可以近似地寫成牛頓力學公式。

至於複數到底有沒有物理學意義現在還不知道，按照計算，如果存在質量為負的物體，則其速度就會超過光速，但是這種物體的速度永遠不可能降到光速以下，因此也就不能被我們觀測到。

同時可推導出，物質的速度增大時，其質量也會增大，因此有了名垂千古的質能公式 $E=mc^2$

但是狹義相對論是不完美的，它能夠圓滿的解釋慣性參考系中的物理現象，但是在非慣性參考系（也就是有引力的情況下）下，它就無能為力了。而且實際上不存在嚴格的慣性參考系，宇宙中處處充滿引力，只是大小的區別。愛因斯坦提出了等效原理，它說的是引力和有加速度的情況是一樣的。在有加速度的情況可，光的運行不是一條直線，而是一條拋物線。按照等效原理，在有引力的情況下，光的運行也不是一條直線，還記得初中物理課上用於描述速度在重力加速度下變化的那條曲線嗎？因此，愛因斯坦斷定，空間是彎曲的，地球沿圓周軌道繞太陽旋轉，正是因為這個彎曲的空間。引力的本質恰恰是空間的彎曲。這就是廣義相對論！

廣義相對論完美的解釋了水星近日點進動現象，並預言了引力透鏡和黑洞等一系列現象。並進一步論證出宇宙是有限無界的。也就是說宇宙有大小，但是沒有邊界。前面說空間是彎曲的，這對整個宇宙也是適用的，在我們這個宇宙，物體始終沿著一個方向前進，它總有一天會從另外一個方向繞回來。雖然這實際上不可能發生，因為宇宙膨脹的速度比光速還快。要想直觀感受這個宇宙是個什麼樣的，可以參閱《三體III》，書中最後描寫了一個微縮宇宙，雖然對其中景象的描寫實際上不準確。另外也可閱讀特德·姜的《巴比倫塔》。

宇宙大爆炸學說也建立在廣義相對論的基礎上，根據計算，宇宙起源於一個奇點，但是這個奇點到底是什麼，目前還沒有人能說的清！白洞的概念也不是空穴來風，它是純數學計算的結果！在計算結果中，蟲洞就是連接黑洞和白洞的通道。

相對論中還有一個顛覆性的概念，那就是時空。在相對論中，時間和空間是一體的，物體要麼在時間上運動，要麼在空間上運動，這兩者綜合起來有個上限，就是光速c。因此當物體的運動速度無限接近光速時，物體的時間就靜止了。不過這是只是對觀察者而言的，如果這個物體是個人，他不會感覺到有什麼異常的，也許我們現在就在和什麼生物之間以接近光速做著相對運動，在這些生物看來，我們是靜止的！

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原答案：

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首先看你介紹相對論的目的是什麼，為了增加談資還是嚴肅的傳播科學知識？

如果是前者，只需要把相對論中那些驚人的結論抖出來就可以了。雙生子佯謬是一個很好的起點，然後列舉時慢、尺縮並描述這些情形下的奇特影像，然後告訴對方引力扭曲時空，引力透鏡效應，並進一步指出黑洞的發現正是廣義相對論的結果。最後再指出我們的宇宙是一個封閉的環，沿著一個方向終有一天會回到原點。

如果是後者，則需要對相對論有較深入的理解。可以從科學史的角度講，歷史上如何發現了水星近日點進動現象，洛侖茲如何導出方程，閔可夫斯基如何描述時空等等。或者也可以對前面提到那些現象做解釋，也可以列舉出一些略微複雜並看似有些矛盾的例子，運用相對論的原理解釋並消除這些矛盾。

知乎上對相對論問題的討論烏央烏央的遍地都是，但正所謂難者不會會者不難，不懂的人想靠知乎搞懂相對論並不容易，因為懂的人認為很簡單，解釋起來要麼語言很簡練，要麼一堆專業術語和公式，並沒有把自己當初學習的過程呈現出來，這對不懂的人並沒有多少幫助。其實單就狹義相對論來講，確實是很簡單的，想要搞懂並不需要多麼高深的知識背景，只要初中數學基礎就夠了，關鍵是要沉下心來，一點一點的琢磨，想不明白的地方要動筆算一算，不要光憑腦袋想。下面兩篇文章，是我自己學習狹義相對論過程的一個總結，看上去有很多公式，其實只要耐心一點就會發現用到的只是初中數學，希望能對題主有所幫助。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25846831

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25893672

目前只有兩篇，我會繼續更新，寫成一個系列，有興趣可以關注一下。

無聊等人的時候看到這個問題回答一下，要是有不對的地方請大家指正

談到相對論，首先要說到慣性系的問題，那麼什麼是慣性系呢。

通俗來說，只要一個參照系中所受到的合力為0，保持勻速直線運動或靜止，那麼我們就可以說這個參照系就是慣性系了

好了，還有一個概念，就是在靜止和勻速直線運動的時候，所有力學規律都是不變的。也就是說你不能用任何力學實驗來證明你到底是靜止還是勻速直線運動，這個也是伽利略提出的。也就是說在任何慣性系下，力學規律是一樣的。然後愛因斯坦把它擴大了，在任何慣性系下，物理規律是一樣的

然後就是以太了，以太也在物理界存在好幾百年，大多數波在宇宙中是需要傳播介質的，那麼就假象宇宙中存在了以太這種物質來作為光的傳播介質。後來人們關於"以太"還有一個著名的MM實驗（邁克爾遜-莫雷實驗），逗的是，MM實驗本來是為了證明有以太，不過結果出來之後恰巧證明了不存在，這是當時籠罩在物理學上空的兩朵烏雲之一。另一朵就催生出了量子力學。稍微介紹一下MM實驗吧，地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，如果存在以太的話，就會吹來一股秒速30公里的以太風（要是真的，那就可以拍一部「秒速30公里」了）而且以太存在也肯定會對光的傳播有影響。當地球穿過以太繞太陽公轉時，在地球通過以太運動的方向測量的光速（當我們對光源運動時）應該大於在與運動垂直方向測量的光速（當我們不對光源運動時）。然後為了驗證啊，這邁克爾遜和莫雷就設想了這個實驗，最後的結果是不論怎麼測，光速都不變。對了，牛頓關於以太還有一個著名的關於"水桶"的思維實驗，有興趣的可以百度一下啊。

光速不變原理理論是由麥克斯韋方程組求解所得到的，而又被MM實驗所證實（所以說這是在當時是多麼令人大跌眼鏡的結果）我再重複一遍，相對論的前提就是光速不變，以及在任何慣性系下，物理規律不變由於前面兩個結論，讓我們來看看基於這兩個前提，是怎麼推出來時間和運動的關係的吧

時間膨脹

怎麼定義時間呢？如果我們用語言給時間做定義，那麼經常會把時間卷進來，從而用時間去證明時間，讓我們實用一點，把時間定義為時鐘所能確定的東西吧

讓我們想像一個光子鍾，這是一個上下兩面鏡子間隔15厘米的測量時間的工具，光子在其中來回10億次是一秒，我們可以根據光子來回運動的次數來測量時間。現在愛因斯坦和玻爾，愛因斯坦在地球上，玻爾在一個速度為0.5C的飛船里，現在他兩都有一個光子鍾，我們來看看這兩個光子鍾裡面光子的運動軌跡

我們再來看，玻爾光子鍾中的光子運動的路程很明顯是大於愛因斯坦光子鍾中的光子的(因為飛船的速度夠快，你要是用火車這個路程改變的就太小忽略不計了了)，那麼！！！注意了！！！！我要變形了！！！

根據光速不變，你會發現，因為路程不同(由圖)，而速度相同(光速不變)那麼在地球上的光子鍾運動10億次次之後，在飛船上的光子鍾必然來回運動不夠10億次，也就是說運動讓時間變慢了！

有人要要問了，照你這麼說，那豈不是運動的越快時間過的越慢？恩，的確可以這麼說。好了，有人高興了，以為找到可以長壽的秘訣。不要怪我不浪漫，就愛戳破你們的幻想。首先，目前為止還沒有這麼快的交通工具。其次，就算你找到了那麼快的飛船，你也的確活的比別人長，但是如果以一個旁人看來，飛船上的一切也被放慢了。怎麼理解呢，比如說你在飛船上看《冰與火之歌》，你以為你一集看了一個小時，我們開啟上帝視角，你花了7,8個小時才看完一集；你平常梳個頭花1分鐘，在我們看來你動作比正常動作慢了7,8倍。當然你最後也會比別人多活7，8倍時間，但你自己只會感覺自己才活了100歲。

尺縮效應

恩，講完了時間，我們來講講空間。看這標題，尺縮尺縮，尺寸收縮。運動是如何使尺寸收縮的呢。

讓我們想像一輛新跑車在試車，當汽車還在展廳的時候，我們可以測量跑車靜止的時候的長度，那麼當汽車在跑動時，我們就不能用尺子量了。怎麼辦呢，只好用一種間接的方法測量了。在車頭經過的時候，我們打開秒錶，在車尾經過的時候按下秒錶，然後用這個時間乘以汽車速度，就能確定汽車的長度。

根據上一節的時間特性，如果你坐在車裡，我相對於你是運動的，那麼你自然而然的推導出我的時間比你走的慢，所以你能確定我的計算結果一定比靜止時刻測量的短了。在理論推導情況下運動物體在運動方向上縮短了，但是在我們的眼中，長度是在「與視線共向的延長線上縮短」的；即是說，物體正向離我們遠去時，才為長度縮短——而於我們身邊呼嘯而過時，應該有另一番景象：其在運動方向靠後部分所發出的光子，與靠前部分所發出的光子，到達我們眼球的時間不同，導致物體的剪影彷彿轉動了

狹義相對論暫時告一段落，廣義相對論有時間再寫。如果哪裡有錯誤，麻煩大家指出，打臉。

1：質量他不是永恆的，你跑得越快，重量就越大，但你達不到光速

2：時間也不是永恆的，你跑得越快，時間流逝越慢，但你達不到光速，所以時間箭頭永不停。

3：空間還不是永恆的，這玩意會被大質量的東西扭曲

4：消失的時候質量會變成能量，遵循某個非常簡單的公式

足夠通俗了……

是一個你不應該在知乎問的學說

比如說你跟一個美女在一起一個小時感覺就像是過了一分鐘，跟一個老太太待在一起一分鐘就像是過了一個小時。

一日不見如隔三秋VS度日如年