摘要： 本文首先将探讨狭义相对论的基本原理及其起源。接着，我们将深入分析狭义相对论的世界观给我们的认知带来了哪些本质的改变。最后，我们将探讨狭义相对论为何无法解决引力的矛盾性问题，以及广义相对论是如何有效解决此类问题的。
1. 引言
你是否曾有过这样的困扰？课本中对相对论的阐述虽然饱含深度，却总使人感到难以捉摸。 在这篇文章中，我们将借助第一性原理去解读爱因斯坦的相对论，而非陷入繁复的物理公式和推导的迷宫中。让我们一起回归理论的发源地，以便更加深入、更加透彻地洞悉其真谛。
2. 从牛顿到爱因斯坦的时空观演进概要
从牛顿到爱因斯坦时空观的演进顺序：
第一次时空变换，为了坚守光速恒定的原则，爱因斯坦采用了洛伦兹变换，使得在惯性参考系内达到了完美的一致性。
第二次时空变换，爱因斯坦为了保证在各种参考系下引力的恒定性，引入了时空弯曲的概念，进而在非惯性参考系以及引力场中也实现了内在的自洽。
对于牛顿来说，时空是绝对的，不论参考系如何变化，时间和空间的本质始终恒定不变。但在相对论的光辉下，时空被揭示为相对的，不同参考系下的时空度规会呈现微妙的差异。
狭义相对论着重强调：为了维持光速恒定以及因果律不变的原则，需要在不同的参考系下引入独立的时空。尽管不同参考系下的物理现象会有微小的差异（如时间的膨胀、长度的收缩），但物理定律始终是不变的。
而广义相对论注重的是：为了保证引力在任何参考系下的一致性，需要将时空视为具备几何性质的弯曲时空。这样，不论在哪个参考系下，时空的几何结构都能保持恒定，从而使得引力间的相互作用能符合物理定律的不变原则。
总的来说，经过两次时空观的修正，相对论成功地攻克了光速不变与引力不变这两大难关，实现了理论的自洽与一致。关于相对论效应：时间膨胀、长度收缩等现象，从某一参考系看，都是另一参考系的效应。相对论效应并非相对于谁，而是在不同参考系下观察到的现象。
狭义相对论之所以无法解决引力问题，是因为依照洛伦兹变换，在同一个参考系下物体长度恒定，而在不同参考系下长度会有所变化。而牛顿的引力定律与参考系下的距离有关。因此，需要采用广义相对论，将引力解释为时空几何的弯曲。
爱因斯坦通过在时空理论上的两次创新性突破，成功解决了一系列挑战，使得宏观物理学更加完整和自洽。
下面，我们将详细解析这两次时空观演变的深层含义。
3. 狭义相对论起源
狭义相对论要研究的本质问题是在惯性运动的参考系1、参考系2中，从物理的角度看什么会发生变化，而什么又是不变的？
先回到牛顿的世界观
在牛顿世界观中，相对于参考系1、参考系2来说，时间、空间、速度、物理定律哪些是绝对不变的？哪些是变化的？
**牛顿世界观是绝对空间和时间观：**牛顿认为空间和时间是绝对的、独立存在的，即它们不会因为观察者的运动状态而改变。时间无论在何处何时，都以均匀的速度流逝，而空间是一个无穷无尽的容器，内含所有物体。
在牛顿的物理理论中，速度是相对的，这是在牛顿的绝对空间和绝对时间的理论框架下理解的。根据牛顿的理论，一个物体的速度是相对于特定的参照系的。例如，对于在火车上向前行驶的人来说，他可能觉得自己是静止的，而对于站在站台上的观察者来说，他是在移动的。这种速度的相对性是基于每个观察者所处的参照系。
在牛顿的物理观念中，物理定律在所有的惯性参照系中都是相同的。说物理定律在所有的惯性参照系中都相同，意味着不管你处在哪个惯性参照系（也就是静止或者匀速直线运动的参照系），你观察和测量到的物理现象都会服从同样的物理规律。这些规律包括牛顿的三大运动定律，万有引力定律等等。它们不会因为你所在的参照系的不同而改变。
至于速度，确实是相对的。但这并不违反“物理定律在所有的惯性参照系中都相同”的原理。这个原理并不要求所有参照系中的所有测量结果都必须相同，而是要求所有参照系都服从同样的物理规律。例如，对于一个在运动中的火车上的乘客来说，火车是静止的，而对于站在站台上的人来说，火车是在运动的。这是两个不同参照系下的速度测量结果，它们是不同的，这就是速度的相对性。然而，无论在火车上还是在站台上，都适用同样的物理定律（比如牛顿的第二运动定律 F=ma），这就体现了物理定律的不变性。所以，速度的相对性并不违反物理定律的不变性，它们描述的是物理世界的两个不同方面。
爱因斯坦发现了牛顿世界观的什么问题，他基于的第一性原理是什么？
爱因斯坦继续研究参考系1、参考系2的物理规律，并基于以下两个假设进行理论推导：
- 物理定律不变
与牛顿世界观的物理定律不变含义一致。
- 因果律不变
如果要维持因果律不变，就必须让光速保持不变。
光速不变的含义是，在任何惯性参考系中，从任何物体发出的光的速度都保持不变。为了使这一结论成立，我们需要在时空上进行调整，引入洛伦兹变换，使得不同惯性坐标系下都存在独立的时空。
这个结论可能听起来很简单，但仔细思考会发现光速不变实际上与我们的常识相违背。想象一下，如果物体1和物体2以相向运动，物体1以0.7倍光速运动，物体2以0.5倍光速运动，根据我们从小学数学中学到的相对运动公式，它们之间的相对速度应该是0.7+0.5=1.2倍光速。然而，为了维持光速不变的原理，爱因斯坦引入了洛伦兹变换，即在高速运动的物体中，相对速度必须符合洛伦兹变换公式，而不是我们从小学数学中学到的相对运动公式。
爱因斯坦之所以想到光速不变这一原理，部分原因是受到了米歇尔森-莫雷实验对光速恒定性的启发。这个实验无法探测到地球运动对光速的影响，结果却始终显示出光速不随观测者的运动而改变。这引发了爱因斯坦的好奇心，他想知道为什么光速在所有惯性参考系中都保持不变。
基于这个启发，爱因斯坦突发奇想：为什么不将光速不变作为一个基本原理，并探索由此可以得出什么样的推论呢？正是这个思考过程，引发了狭义相对论的基本思想的诞生。爱因斯坦将光速不变视为一个基本定律，并通过对时空的重新解释，发展出了一种新的理论框架，用以描述高速运动下的物体和光的行为。
那么，为什么光速一定要保持不变呢？
因为如果光速被超越，会产生很多矛盾和悖论。举几个例子：
- 如果有一个信号能超越光速，那么它可以在不同的参考系中同时到达或者先后到达同一个地点。这就导致了因果律的破坏，也就是说先发生的事情可能是后发生的事情的结果。
- 如果有一个观测者能超越光速，那么他可以看到一些本不应该看到的现象，比如自己过去的样子或者未来的事件。这就违反了信息传播速度极限和观测者之间的相对性。
爱因斯坦基于光速不变原理，引入了洛伦兹变换，从而推导出了一系列结论：钟慢、尺缩效应。具体推导过程可参考教科书。
总之，爱因斯坦的光速不变原理和狭义相对论不仅推翻了牛顿的绝对空间和时间观，而且对我们理解宇宙的方式产生了深远影响。
4. 相对论世界观到底带来了什么本质改变？
在爱因斯坦的相对论中，由于存在钟慢和尺缩效应，所以不同的参照系下观察到的时间和空间是不同的。
如果以参照系1为观察者，那么相对于它以速度v运动的参照系2中的物体，就会出现钟慢、尺缩的现象。同样，如果我们站在参照系2中，将参照系1视为以速度-v运动，那么在我们眼中，参照系1中的物体也会出现钟慢、尺缩的现象。这意味着，不论是参照系1还是参照系2的观察者，他们都会觉得对方的时间变慢，空间变短。这是因为，在爱因斯坦的世界观中，并不存在绝对的时间和空间。
因此，与牛顿的绝对时空观相对，爱因斯坦的观点是，不同的参照系下都存在着各自的时间和空间，且这些时间和空间都是客观存在的，合理的，并无优劣之分。也就是说，不同的参照系下观察到的世界是不同的，这与牛顿的观点存在着巨大的差异。
然而，尽管不同的参照系下观察到的时间和空间是不同的，但物理定律、因果律以及光速都是恒定不变的。这些不同的时间和空间通过光速的恒定性和洛伦兹变换建立起联系。
这可以被看作是爱因斯坦第一次利用时空的变化来解决由光速恒定引发的自洽问题。同样的，他第二次利用时空的变化（即时空弯曲）来解决引力的自洽问题，从而提出了广义相对论。
5. 为什么狭义相对论解决不了引力问题？
因为相对论存在尺缩现象，也就是选择不同的参考系看到的距离是不同的，而牛顿引力公式与距离有关，所以在不同参考系引力会发生变化，而且使用洛伦兹变换也无法解决这个问题。但引力作为一种本质作用，其结果本应该在任意惯性系下都是相同的。这就是考虑不同参照系下引力在狭义相对论中的自相矛盾结果。
要解决这个矛盾，就必须采用广义相对论。广义相对论中，引力产生于时空的几何性质：时空曲率。在任意参照系下，时空几何和曲率性质都保持不变，所以观察到的引力结果也保持相同，此矛盾得以解决。
6. 广义相对论如何解决引力问题？
在爱因斯坦的广义相对论中，他为了解决在不同参考系下引力变化的问题，首先假设引力是一个只与质量有关、与距离无关的恒定力（即恒定的加速度）。这样，不同参考系下的引力就能符合物理定律不变的假设。但是，这样做会导致与万有引力定律计算出的数值有显著的不符。
为了解决这个矛盾，爱因斯坦进一步推动了他的时空观念。他提出了一个创新的想法，即通过时空的弯曲来解决这个问题。具体来说，拥有质量的物体会导致其周围的时空发生弯曲，而沿惯性运动的物体则会沿着这个弯曲的时空的测地线运动。通过这种“恒定加速度+时空弯曲”的等效，他实现了引力与参考系无关，同时使得计算结果与观测结果相一致。
广义相对论的效应可以概括为“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”。因此，通过将引力视为恒定力，并且添加了时空弯曲的概念，广义相对论成功地解决了引力问题，使得宏观物理学再次实现了自洽性。
广义相对论时空弯曲的图解
这里要特别说明一下，以下常见图解是错误的。
7. 总结
总的来说，为了维护因果律的不变性，为了遵循物理定律不变与光速恒定这样的原始法则，爱因斯坦历经两次在时空理论上的革新性突破，分别提出了狭义相对论和广义相对论。这两次创新，让宏观物理学的框架得以保持其内在的完整性和一致性，再次证明了科学的自洽性和优雅。
8. 附录
什么是第一性原理？
“第一性原理”（First Principles）是一种解决问题和理解复杂系统的方法。这种方法的核心理念是回溯到最基础的真理或者假设，也就是那些被广泛认为是自明的、无法被拆解的基础元素。然后，在这些基础原理的基础上，逐步构建出对问题或系统的理解。
在物理学中，"第一性原理"通常是指基于量子力学来描述物质的行为。这种描述并不依赖于经验参数或者半经验的方法，而是直接从基本的物理定律出发，例如薛定谔方程、泡利不相容原理等等。
在哲学中，“第一性原理”（也被称为 “基本原理” 或者 “基础原理”）通常指的是无需证明，被视为自明的真理。例如，数学中的公理，或者逻辑中的基本规则，都可以被看作是 “第一性原理”。
在决策制定和问题解决过程中，"第一性原理思考"是一种拆解问题到最基本元素并从头开始解决问题的策略，而不是依赖于类比或者传统的方法。
爱因斯坦相对论简介
狭义相对论
狭义相对论是由阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出的物理理论。该理论的核心观点有两个：
相对性原理：所有的惯性参照系都是等效的，物理定律在所有的惯性参照系中形式都是相同的。也就是说，没有一个特殊的或者"绝对的"惯性参照系。
光速不变原理：在任何惯性参照系中，光在真空中的速度都是常数，大约是每秒299,792公里。这个速度不依赖于光源或者观察者的运动状态。
狭义相对论对我们对时空、能量和物质的理解产生了深远的影响。它引入了如时间膨胀、长度收缩、质能等价（E=mc^2）等概念。
广义相对论
广义相对论是爱因斯坦在1915年提出的理论，是狭义相对论的自然延伸和广义化。它将重力解释为由物质和能量引起的时空曲率。
在广义相对论中，没有全局的惯性参照系，物体的运动是由其所在的时空的几何形状决定的。在存在大质量或者大能量的地方，时空会被曲率，这就是我们所说的"引力"。
广义相对论预测了许多非常重要的现象，包括光的引力弯曲，引力红移，黑洞的存在，以及宇宙的膨胀等等。这些预测都得到了实验证实，使得广义相对论成为现代物理的重要组成部分。
米歇尔森-莫雷实验（Michelson-Morley Experiment）。
这是一个由美国物理学家阿尔伯特·A·米歇尔森和爱德华·W·莫雷在1887年进行的实验，旨在测量光在不同方向上的速度是否有差异。这个实验的背景是19世纪晚期物理学家普遍接受的"以太"理论，这个理论假设存在一个被称为"以太"的介质，光就是在这个介质中传播的，而且光的速度相对于这个介质是恒定的。
根据以太理论，地球在公转的过程中应该有时候与以太的流动方向一致，有时候与以太的流动方向相反。所以，我们期待光在与地球运动方向平行的方向上的速度与在垂直于地球运动方向的方向上的速度是不同的。米歇尔森和莫雷设计了一个巧妙的干涉仪，可以同时测量光在两个垂直方向上的速度，并寻找这种预期的速度差异。
然而，他们的实验结果是，无论光在哪个方向上传播，它的速度都是相同的，没有观察到预期的速度差异。这个结果在当时引起了巨大的震动，因为它与以太理论的预测完全不符。后来，这个实验结果被爱因斯坦的特殊相对论所解释，特殊相对论的一个基本假设就是光的速度在任何惯性参照系中都是恒定的，无关观察者的运动状态。这就是说，无论观察者如何运动，他们都会测量到光的速度是恒定的，这与米歇尔森-莫雷实验的结果完全一致。
所以，米歇尔森-莫雷实验是测定光速恒定的一个重要实验。尽管这个实验的结果在当时被认为是一个负结果（因为没有观察到预期的效应），但它对物理学的发展产生了深远影响，为相对论的诞生打下了基础。