引力波大火！在這個猴兒年，愛因斯坦帥呆了！（內容高能慎入）

「在我們之外有一個更為巨大的世界，它獨立存在著，就像一個偉大而永恆的謎，卻只有極少部分是我們的觀察和思維所能及的。對這個世界的凝視靜思，宛若遼闊的自由對我們的吸引。」

——愛因斯坦

北京時間2月11日晚11點30分，引力波被LIGO科學合作組織正式宣布被觀測並證實。不管你是不是天文愛好者，聽到這句：

「Ladies and gentlemen, we have detected gravitational waves. We did it.」

（女士們先生們，我們已經發現引力波啦，我們做到啦。）

即便是一個物理小白也會霎那間有紅了眼圈的感覺。

距離愛因斯坦第一次在《廣義相對論》中預言引力波的存在已經過去100年了，在這一個世紀間，腦洞大開的科學家於無聲處聽驚雷，終於在這個猴年之交補缺了愛因斯坦遺失的一塊最重要的「拼圖」。這是物理學史上絕對里程碑式的重大成就，不是相對的！

由兩個黑洞產生的引力波CW150914的3D示意圖。圖片來源： Henze, NASA

引力波

現在大火的「引力波」是廣義相對論的範疇，實際上，廣義相對論可以說就是引力理論。《廣義相對論》的其他預言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實，唯有引力波一直徘徊在科學家的「視線」之外。毫無疑問，引力波的證實是一項世紀發現，證實了愛因斯坦引力理論的最後一項預言。

實際上，愛因斯坦曾對於引力波的觀測並不看好。因為關於它的強度，愛因斯坦從計算得出——非常微弱。

假設迎面走來一串引力波，你不會變大變小變漂亮??除非你就站在引力波波源附近，譬如黑洞（友情提醒：黑洞有100種方法讓你在它旁邊活不下去，如果你想試試，黑洞是不介意陪你玩玩的）。否則引力波只會把你的身高拉高（然後壓扁）那麼一點點——大概就是一個氫原子的100億分之一吧。

和電磁波相比，引力實在是很弱的力，比起表徵電磁力強度的精細結構常數，表徵引力強度的引力常數G要小上好幾個數量級。而且引力波實在是很「懶」，很少與物質發生任何作用。

引力波經過物體時會使其不斷發生拉伸和壓縮。圖片來源：Markus P?ssel of Einstein Online.

還是沒有搞明白什麼是引力波？

那也請別回到「牛頓掉蘋果」的年代好么～

有句話說，在我們這個世界上，95%的人的科學素養停留在伽俐略時代以前，99.9%的人停留在牛頓時代以前。在這個「引力波都被證實存在」的年代，你還好意思老那麼具象么？

由此，

「星際明星」愛因斯坦高逼格《相對論》在手＋九妹我神經化的講解，你一定不無聊！

友情提示：記住以下5點精華吐血歸納真的讓你聊起來像個高能科學怪人！

優美的質能方程揭示了物質質量與能量的關係，計算公式為E=MC2，其中E代表物質的能量，M為物質的質量，C為光速。

《相對論》——導讀（高能繼續）

想要把愛因斯坦的《相對論》理解為「人類的語言」你大致需要了解書中以下這幾組理論或概念。(引號部分為書摘)

1，區分經典物理和現代物理

2，「相對」的概念

3，麥克斯韋方程組

4，洛倫茲變換

5，時空煥發新生命

區分經典物理和現代物理

愛因斯坦之前的一干物理學家（亞里士多德、哥白尼、伽里略、牛頓、馬赫、麥克斯韋、赫茲、洛倫茲、拉摩、彭加勒）都曾經琢磨過「時空到底怎麼玩」，然而真正的世紀物理學撕逼大戰發生在牛頓和愛因斯坦之間。

1687年，牛頓的《自然哲學的數學原理》推翻了神學千年的根基，建立了完整而嚴密的經典力學體系。為了為經典力學找個參考系，牛頓引入了絕對空間與絕對時間的概念。他認為：

絕對空間——實質永遠是均勻和不動的。

絕對時間——宇宙共用一個鐘錶，時間處處都一樣。

然而，遺憾的是，牛頓並沒有能證明這些。

「

牛頓自己比他以後的許多博學的科學家都更明白他的思想結構中固有的弱點。

——愛因斯坦

————經典物理學與現代物理學分水嶺——－——

距牛頓建立力學體系的兩個多世紀後，1905年，愛因斯坦提出：物體勻速運動時，質量會隨著速度增加而增加，空間和時間都會發生相應變化，也就是，運動的尺子要縮短，運動的鐘要變慢，任何物體的運動速度都不能超過光速。

才華橫溢的學者約翰·惠勒總結為：時空命令物質如何運動，而物質引導時空如何彎曲。這就是狹義相對論。

「

是恩斯特·馬赫在他的《力學史評》中，衝擊了經典力學教條式的信念。在我還是一介書生時，這本書給了我深刻的影響。我真正地感覺到了馬赫的偉大在於他堅不可摧的懷疑精神和獨立態度。

——愛因斯坦

1927年第五屆索爾維會議參加者合影 第一排坐著的都是當時的科學巨匠。前排居中：愛因斯坦；前排左三：居里夫人；前排左四：洛倫茲

「

牛頓啊，請原諒我。你所發現的，在你的時代，是具有至高思維能力和創造力的人才能發現的。你所創立的觀念，至今仍指導著我們的物理學思想，雖然我們知道，如果要更加深入地理解世界的各種聯繫，必須用另外的離直接經驗領域更遠的觀念來代替。

——愛因斯坦

「相對」的概念

義大利科學家伽里略第一次提出了慣性概念，提出了慣性和加速度這個全新的概念，為牛頓力學理論體系的建立奠定了基礎。

相對論的核心意思拿腳趾頭都能想到是「相對」，然而你真的理解啥是相對么？

實際上，相對性原理是由愛因斯坦的前輩伽里略提出來的，他認為力學定律在一切慣性參考系中具有相同的形式。

「相對」在日常中很常見，如你在飛機上看見你的同座是靜止的，而地面的人看這個乘客是和飛機一同嗖嗖飛的。於是這名乘客到底是動還是不動呢？物理學把這種參照標準稱為「參考系」。

而愛因斯坦把伽里略的相對性原理從力學領域推廣到包括電磁學在內的整個物理領域，提出不存在「絕對參考系」，在一個參考系中建立起來的物理規律，通過適當的坐標變換，可以適用於任何參考系。

「

愛因斯坦認為，科學定律應該賦予所有自由運動的觀察者相同的形式，無論觀察者如何運動，他們都應該測量到同樣的光速。（光速不變是相對論重要的理論前提）在這一思想中，愛因斯坦要求人們放棄所有時鐘普適的時間概念，確信每個人都應當有他自己的時間值：如果兩個人是相對靜止的，他們的時間就是一致的；如果他們存在相互的運動，那他們觀察到的時間就會有差異。

——霍金

對所有自由運動的觀察者而言，自然定律都是相同的，這個前提是相對論的基礎！

實驗證明，愛因斯坦是正確的。一個繞地球旋轉的精確時鐘與存放在實驗室中的精確時鐘比，前者與後者會有時間指針上的差別。如果你想延長你的生命，可以乘飛機向東飛行，這樣，疊加上地球旋轉的速度，你就可以延長零點幾秒的生命，也可藉此彌補你因食用航空食品帶來的損害。

麥克斯韋方程組

麥克斯韋

牛頓和牛頓前的經典物理學我們可以大體理解為是具象的，是建立在經典力學基礎之上的，如你可以觸摸蘋果和鐵球，也可以觀察物體的勻速直線運動。而從馬赫和麥克斯韋開始，物理學更多關注了微觀和抽象領域，比如關注波粒二象性的電磁波，光和輻射。

在愛因斯坦的學生時代，最令他著迷的是麥克斯韋理論。

「

光學被併入電磁理論，連同光速同絕對電磁單位制的關係，以及折射率同介電常數的關係，反射係數與金屬體的傳導率之間的定性關係……這一切如同一種啟示。

——愛因斯坦

如果要求愛因斯坦說人話。。。大致是這樣的：

我們知道，電場和磁場是兩個基本物理的概念，關於「場」究竟是什麼，每個人初中物理都學過，但是可能很難直觀想像。

我們初中物理都學習過，電場和磁場是可以在一定條件下互相轉換的，運動的電場可以產生磁場，運動的磁場可以產生電場。

等到了高等物理，我們就不在只局限的說是「運動」的電場或磁場，而是更加廣義的去定義為「時變」電場和「時變」磁場。

麥克斯韋方程組分為四個方程（如下圖），他們分別說明了四個問題：

1) 電場是怎麼產生的（我們都知道電場是電荷產生的，所以也可以說電場是如何由電荷而產生的）。

2) 磁場是什麼？（其實就是證明了磁場的兩極性，不存在磁單極子）

3) 時變得電場是如何轉化為磁場的

4) 時變得磁場是如何轉化為電場的

洛倫茲變換

洛倫茲

荷蘭物理學家洛倫茲是個數學上很牛很牛的人，他的洛倫茲變換是關於不同慣性系之間物理事件時空坐標變換的基本關係式。

「

按照洛倫茲的看法，電磁場由那些位於物質粒子的電荷的位置和速度產生，場又以力作用在粒子的電荷上，而且按照牛頓運動定律決定粒子的運動。如果人們把這同牛頓體系做比較，那麼其變化在於：超距作用力由場代替，而場同時也描述輻射。引力通常是由於它相對地說來比較小而不予考慮；但是，通過充實場的結構，或者擴充麥克斯韋場定律，總有可能考慮到引力。

——愛因斯坦

繼續要求愛因斯坦說人話。。。

你可以這樣理解當我們觀測到某個物理現象，一般是怎麼表達的呢？我們會把它描述成一個公式或者方程。但是不同的觀測者的角度是不同的，你看到這個物理現象的時候你把它用一個方程表達出來，但是如果是我看到的時候，這個方程也許並不適用了，我用來表達這個物理現象用的另一個方程。

為什麼你我用來描述這個物理現象的方程不是一樣的呢？這是因為你和我之間不在同一個觀測角度，物理學上說你和我不在同一個慣性系裡。那麼在你的慣性系裡用來表達這個物理現象的方程，如何能直接轉換為在我的慣性系裡對這個物理現象的表達方程呢？這個公式就叫做洛倫茲變換。

洛倫茲變換公式

舉個例子：如果你站在馬路邊，看到一輛汽車車以v＝60km／h向東駛去，那麼你這個公式就是v＝60km／h，這是你的慣性系下。此時我正在騎著自行車，以v＝20km／h向東駛去，那麼我看到的汽車行駛公式就是v＝40km／h，因為這個觀測是在我的慣性系裡。從你的慣性系裡的公式變幻到我的慣性系裡，這個就是洛倫茲變換。

前面說到洛倫茲是數學大牛，於是最初的洛倫茲變換被定位為數學上的輔助手段，並不包含相對論的時空觀。而愛因斯坦與洛倫茲不同（據說愛因斯坦的數學能力在科學家領域內真的不敢恭維），他著眼於賦予洛倫茲變換以嶄新的物理內容，於是他重新修改了運動、時間、空間等基本概念，導出了不一樣的洛倫茲變換。

狹義相對論中同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論多普勒效應等都可以通過洛倫茲變換公式直接得出——狹義相對論從此走上了順風順水的道路。

時空煥發新生命

愛因斯坦發現，現實的物質存在的空間，不是平坦的歐幾里得空間，而是彎曲的黎曼空間；空間的彎曲程度取決於物質的質量及其分布狀況，空間曲率就體現為引力場的強度。

「

關於彎曲時空的新理論叫做『廣義相對論』，以與原先不包含重力的『狹義相對論』相區別。1919年，人們以頗為壯觀的形式證明了「廣義相對論」：一支英國科學考察隊遠征西非，在日食期間觀察到了太陽附近一顆恆星位置的微小移動。這證實了愛因斯坦的論斷，恆星發出的光線在經過太陽附近時，由於引力而彎曲了。這此證明是在公元前300年歐幾里得《幾何原本》之後，人類認識宇宙的最大革新。

——霍金

所以，你大致了解什麼是相對論了么？

其實，介紹《相對論》對誰來說都是一個極大的挑戰，因為愛因斯坦曾經不無自豪地說過：世界上可能只有12個人能夠看懂《相對論》。。。

但這絲毫不影響人們對此著作的追捧！不過，也許追捧的不是理論本身（別裝了你能看懂《進化論》已經是極限了），而是——它的高逼格（蘋果為何從樹上掉下來和比薩斜塔上的鐵球實驗都感覺弱爆了）。

愛因斯坦給自己的偶像卓別林寫過一封信，信上說：「你的電影《摩登時代》，世界上每一個人都能看懂。你一定會成為一個偉人。」卓別林在回信中寫道：「我更加欽佩你。你的相對論世界上沒有人能弄懂，但是你已經成為一個偉人。」

卓別林與愛因斯坦

所以，懂不懂的也許真的不重要。。。。。。

儘管《相對論》中的那些乾貨（公式和方程的推導）能妥妥地甩我們好幾個愛因斯坦的距離，但看過後起碼還能讓你認識到自己的渺小（無論是相對於宇宙的質量還是相對於愛因斯坦的腦量），讓你不再為了屁大點事而抓心撓肝。

Ps: 抓心撓肝看完《相對論》的九妹我幾經嘗試與愛因斯坦的腦容量無限接近～結果發現：

是不可能的！

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