如果一個人已經(jīng)基本掌握了經(jīng)典物理學的大部分理論，那么相對論其實是可以比較通俗的。但是如果經(jīng)典物理都沒有掌握，那么想要理解就比較困難了。本文盡量不用任何公式，來解釋相對論是怎么來的。

“相對論”這個名字，已經(jīng)包含了相對論的根本內(nèi)容。

相對論就是討論相對性原理對于哪些情況成立，并基于此給出動力學/時空結(jié)構(gòu)的理論

所以相對論的基礎(chǔ)就是相對性原理。我們討論下相對性原理，然后就可以理解什么是相對論了。

什么是相對性原理呢？其實就是，在某種情況下的物理原理，與另一種情況下完全相同。此時我們就可以說這兩種情況是等效的，而這兩種情況的差別就是“相對的”，沒有哪一種情況高于另一種情況。

上面的話比較抽象，具體一點，我們看狹義相對論的基礎(chǔ)“慣性系”的相對原理：

在某觀察系中，靜止的和勻速運動的坐標系下，物理規(guī)律完全相同。通俗的說法是“你在封閉的絕對平穩(wěn)的勻速運動的車廂里，通過任何物理實驗，都無法判斷自己是否在運動，也無法測得自己得運動速度”?；谶@一點，我們可以說，直觀上的靜止系（地面系）和勻速運動系（例如勻速運動的車廂）并沒有區(qū)別，靜止系并不是特殊的，它們之間的運動是相對的。你可以說車廂靜止地面在動，也可以說地面靜止車廂在動。從物理上講這兩者并沒有區(qū)別。

這就是狹義相對性原理“所有的慣性坐標系滿足完全相同的物理規(guī)律，它們之間都是對等的，沒有哪個是特殊的。它們之間的運動是相對的。”

這打破了古代人的理解。在以前，大家覺得，宇宙中應(yīng)當有一個“絕對靜止系”，它是特殊的，是高于其他參考系的。（例如以太理論）。

知道了這個原理我們怎么得到狹義相對論呢？這就要用到電動力學理論“麥克斯韋方程組”了。電動力學理論預(yù)言了光速，并被證實。在電磁場理論中，無需任何參照即可獲得光速，而且它是常數(shù)。根據(jù)狹義相對性原理，那不就是“所有慣性系中的光速都相同”嗎。

一開始大家覺得，怎么可能？地面坐標系，和相對于地面速度v的坐標系中，同一束光的速度，測出來怎么可能是相同的？不符合速度疊加原理（伽利略變換）??！

此時有數(shù)學大牛（洛倫茲）給出了一種數(shù)學上的可能（洛倫茲變換），如果時空結(jié)構(gòu)不是固定不變的（同一個物體的長度在不同坐標系下可以不同，同一段時間長度在不同坐標系下也可以不同），那么就可以做到“所有慣性系中的光速都相同”。

于是就是著名的選擇題了。選項1：麥克斯韋方程組錯了，光速不是不變的。選項2：絕對時空觀（伽利略變換）錯了，不同參考系下，長度和時間都不是不變的。愛因斯坦選擇了2，給出了狹義相對論（所以狹義相對論幾乎是直接給出的，并沒有花老愛多長時間）。

如果你是一個1900年的物理本科畢業(yè)生，已經(jīng)習得微積分，矢量分析，經(jīng)典力學，電動力學，并且你的數(shù)學思維能力足夠強（當今高考數(shù)學140的水平吧），你完全可以在沒有學過相對論的情況下，僅僅基于“所有慣性系中的光速都相同”和“絕對時空觀（伽利略變換）錯了，不同參考系下，長度和時間都不是不變的?！边@兩句話，推導(dǎo)出包括洛倫茲變換和E=mc^2在內(nèi)的所有狹義相對論結(jié)論。具體推導(dǎo)可見各種課本。

狹義相對論推翻了伽利略變換為基礎(chǔ)的絕對時空觀，維護了相對性原理。從實驗上看，早在相對論提出之前，著名的光速測量實驗，就證實了光速不變原理（在地面上，向各個方向傳輸?shù)墓?，測出光速都是相同的。而地面不是靜止的啊，地球在自轉(zhuǎn)，在公轉(zhuǎn)，怎么可能恰好地面就是那個最特殊的“絕對靜止”系呢？）。

雙生子悖論在狹義相對論框架下可以被解釋，并不需要廣義相對論參與，不過數(shù)學非常復(fù)雜，我沒有能力進行科普。）在狹義相對論完成后，洛倫茲變換構(gòu)成了完美的時空觀，并且我們知道速度是相對的，沒有絕對速度為0的坐標系。從運動學的角度，我們會比較自然地想到一個問題，那就是加速度又如何呢？速度v是相對的，沒有速度絕對為0的坐標系?？墒羌铀俣饶?？是不是具有加速度絕對為0的坐標系呢？

乍一看上去，加速度是有絕對的0的。狹義相對論并不否認這一點，它也符合一些基本的實驗。例如我們手機里的加速度測量器，即可感受加速度，用于記步啊，體感游戲啊，重力感應(yīng)啊啥的。在地面上，完全封閉的勻加速的車廂內(nèi)，我是有辦法測出自己的加速度的。這時候就感覺不太好了，怎么速度就是相對的，加速度就是絕對的？宇宙中還是有絕對的東西嘛。

在狹義相對論發(fā)表后，老愛用了10年才解決了這個問題，那就是加速度也是相對的?。?！

“任意非慣性系中的物理規(guī)律等同于受到等效引力的坐標系中的物理規(guī)律”，通俗一點講，就是“在封閉的車廂內(nèi)，你無法通過任何物理實驗區(qū)分你是在加速，還是在受到大質(zhì)量物體的吸引”，這就是廣義相對性原理。這句話也可以寫成“物體的慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量”。

也就是說，在有質(zhì)量的宇宙里，加速度的效果（非慣性力）和引力的效果是等同的。不存在絕對加速度為0的坐標系。

可是就真么簡單嗎？為了做到這一點，總要犧牲點什么吧（狹義相對論犧牲了絕對時間/絕對長度）。這里就犧牲了時空的平直性。即質(zhì)量會引起時空的扭曲。怎么理解呢？例如空間站圍著地球轉(zhuǎn)，空間站在做非勻速運動（非慣性系，有加速度），同時受到地球引力作用。這二者完美抵消，導(dǎo)致空間站內(nèi)感受不到引力也感受不到非慣性力（空間站明明是非慣性系，其中的物理規(guī)律卻完美滿足慣性系的規(guī)律）。為了解釋這種抵消，老愛認為引力并不是一種力，而是時空的扭曲。你看起來空間站是在走曲線（圓周運動），事實上它是在扭曲的時空中走勻速直線（測地線）。而這種扭曲是地球的質(zhì)量造成的。（注意這里是時空扭曲，不只是空間扭曲。比如你在自由落體的車廂內(nèi)，會完全失重。此時你在被地球扭曲的時空中走的是勻速直線，在現(xiàn)實時空中看起來走的是勻加速直線，時間和空間都扭曲了。）

好了，有了廣義相對性原理，同時加上時空是可以扭曲的，我們就可以推導(dǎo)廣義相對論的方程了，即物質(zhì)（具有一定的質(zhì)量和運動狀態(tài)，包括速度，旋轉(zhuǎn)等）會導(dǎo)致什么樣的空間扭曲才能滿足廣義相對性原理（即愛因斯坦方程）。此時1900年的物理本科+140分的高考數(shù)學能力已經(jīng)不夠用了。因為要用到微分幾何。但是如果你是數(shù)學競賽能得全國一等獎的人，再學過黎曼幾何，那么在沒有學過廣義相對論的情況下，僅通過廣義相對性原理，你還是可以推導(dǎo)出愛因斯坦方程的。由于當年黎曼幾何也不是很成熟，而且真的很難，這個推導(dǎo)就不是幾天就能完成的了。第一次推導(dǎo)用了十年哦，還是老愛這種天才。

以上就是相對論的基本假設(shè)，即狹義/廣義相對性原理，和為了滿足這個原理所犧牲的人們的固有認識（空間和時間長度是絕對的/時空是平直的）。

作為總結(jié)，相對論，就是通過在某些情況下選擇某種相對性原理，（所有的慣性系等價/非慣性系與引力作用等價），修正以往對時空結(jié)構(gòu)的認知（絕對長度，絕對時間，伽利略變換/時空平直性），對已有物理現(xiàn)象進行更精確合理解釋的理論。

至于愛因斯坦選擇的這兩條相對性原理對不對。。。不一定對啊，但是目前的所有實驗都證實它是對的。

老愛搞出相對論，比我這里說的“僅根據(jù)狹義/廣義相對性原理，承認時空觀可以打破，推出主要結(jié)論”要難得多。因為相對論最突破的地方，是定義了狹義/廣義相對性原理，確定了哪些時空觀可以被打破，而不是后續(xù)推導(dǎo)。后續(xù)推導(dǎo)的是數(shù)學，而相對性原理和時空觀才是物理本質(zhì)。

我個人覺得狹義相對論并不需要很好的數(shù)學，需要的是打破思維定勢的時空觀。所以我說，只要確信狹義相對性原理，一個高考數(shù)學140，并且完成了1900年物理本科學習的人（包括經(jīng)典力學，電動力學，微積分，矢量分析）應(yīng)該能夠完成推導(dǎo)。僅做到數(shù)學140+的高中畢業(yè)生應(yīng)該不行，因為他們只是具備數(shù)學潛力而已，并沒有充足的物理知識和幾何知識。我想在國內(nèi)高考數(shù)學140+并完成了物理本科學習的同學們，推導(dǎo)出狹義相對論的主要結(jié)論應(yīng)該不難的。

廣義相對論要難得多了，真的是要數(shù)學能力，空間想象力，物理知識都過硬才能學會。我也只是在課本的指導(dǎo)下推導(dǎo)過一遍，能僅利用廣義相對性原理就獨立推導(dǎo)，肯定是天才級別的了（但老愛做到了，還是邊摸索邊做到的。時至今日，應(yīng)當有很多人能做到了）。