最简单的相对论解释 看完立刻明白 人类对宇宙一无所知

爱因斯坦教授，我一直想做一部介绍相对论的影片，为了节目的客观性，我向您保证在这部影片中您说的每一句话都来自您亲笔写的《爱因斯坦自述》这本书，这的确是对我本人的尊重。

你肯定看过我在《我的世界观》这篇文章中的一句话：“我们每个人都是这个世界上短暂的过客，对于生命的目的，其实我们一无所知”，既然如此，就让我们从 “一无所知” 开始说起。

时间来到 1905 年的春天，爱因斯坦 26 岁，他当时的工作是瑞士专利局的一名技术鉴定员。在这座大楼三层的一间办公室里，爱因斯坦总是会陷入一场白日梦：如果人骑在光线上会发生什么事？他被这个有趣的想法深深迷住了。

有一天，爱因斯坦坐公车回家，他无意间回望了一眼伯尔尼市中心著名的钟楼，突然之间，一个惊人的想法闯入他的脑海：如果这辆公车以光速向前行驶，钟楼上的钟表指针就会停止。为什么？因为指针上的光将再也追不上公车，所以指针会永远停留在那一刻。

在公车 “达到光速” 的那一刻，爱因斯坦震惊了，他知道自己发现了宇宙间从未有人知晓的秘密。1905 年 6 月 30 日，他将一篇名为《论动体的电动力学》的论文发表在德国权威科学杂志《物理年鉴》上，这就是名扬天下的狭义相对论。

这是一个跨时代的理论，因为狭义相对论彻底打破了人类对宇宙的固有认知。从牛顿时代开始，人们对宇宙的理解是这样的：宇宙无边无际、无始无终，时间在宇宙的每个角落里均匀流逝 —— 这些观念完全符合人类对宇宙的观测。

但那个时代的人类并不知道，他们所观测的只是一个 “低速的宇宙”。是什么打破了这种固有观念？是电的发现。19 世纪 60 年代，苏格兰物理学家麦克斯韦就预言过，光本质上是一种电磁波，且电磁波的速度有上限，这个上限正好等于真空中的光速。也就是说，光和电其实是一体两面。

1887 年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验发现：光速不会随着地球运动而变化。什么意思？光速为每秒钟 299792 公里，如果我们站在地面上向太空发出一道光，光速并不会叠加地球的运动速度，仍然是每秒钟 299792 公里。

再举一个更直观的例子：假设人能骑在光上飞行，他打开手电筒，手电射出来的光也不会变成 “两倍光速”，而只能是恒定不变的光速。这就产生了矛盾 —— 在低速宇宙中，速度与力都是可以叠加的，但光速不能叠加。

这到底是怎么回事？直到今天，仍然没有人知道光速为什么恒定不变。爱因斯坦只能将这个观测结果定义为一条宇宙的基本原理：光在真空中速度不变，这是狭义相对论中的核心原理之一，它揭示了光在真空状态下的传播速度始终恒定。

要解决 “光速不能叠加” 的矛盾，宇宙就需要被重新定义。首先，时间不再是一个 “定量”，它与参照系有关。假设有一艘无限接近光速的宇宙飞船，越接近光速，从地球的角度看，飞船上的时间就过得越慢。当飞船速度达到 99.993% 光速时，飞船上的 1 秒，就约等于地球上的 4 分半钟。

从地球上看，飞船上的人就像是在做慢动作；飞船上的人相对地球人，似乎 “得到了更多时间”，但这需要付出代价 —— 他们要以高速在宇宙中行驶遥远的距离。这就推出了第二个关键结论：时间与空间原来是一体的。当你以高速在宇宙中行驶时，相当于用 “速度和距离” 换回了 “时间”。

牛顿的 “绝对宇宙观” 就此被打破。狭义相对论告诉我们：时间不是绝对的，空间也不是绝对的，它们会随着速度的不同而改变，而光速是宇宙中不可超越的极限。

狭义相对论是真实的吗？答案是完全肯定的。它已经无数次被科学实验证实，比如欧洲核子中心的大型粒子加速器实验：科学家让带电粒子以接近光速的速度运行，发现粒子衰变的寿命明显变长，且变长的时间与狭义相对论的 “时间膨胀公式” 完全吻合 —— 这就是 “用速度换时间” 的真实例子。

狭义相对论确实是一个非常反常识的理论，它完全颠覆了人类对宇宙的固有看法。但我可以负责任地告诉大家：对于宇宙运行的更深层次原因，我们至今一无所知。这些谜团至少包括：为什么光速不变？为什么光速不能叠加？空间是什么？时空为什么是一体的？狭义相对论无法回答这些问题。

狭义相对论给了我们一系列公式，这些公式的作用在于：在时间、空间与速度之间，只要知道任意两个值，就能计算出第三个值 —— 这就是狭义相对论的基本意义。现在，大家应该能理解爱因斯坦为什么会说 “我们一无所知” 了吧？

古希腊哲学家芝诺提出过一个观点：人的知识就像一个圆圈，你知道的越多，圆圈就越大，接触到的未知范围也就越多，因此越会觉得自己无知。

现在，有关相对论的故事只讲了一半，下半程的故事更精彩，也更烧脑、更让人迷惑。

时间来到 1915 年 11 月，爱因斯坦在普鲁士科学院进行了四次连续演讲，随后提交了 “引力场方程”，将这些思想综合起来，就是震惊天下的广义相对论。

广义相对论同样源于一场思想实验，也是爱因斯坦众多 “白日梦” 中最不可思议的一个。他是这样思考的：一个人从楼上掉下来，在下坠过程中，为什么感觉不到自己的体重？这就是大家都体验过的 “失重现象”，下坠的速度似乎在某个方面抵消了体重。这个 “抵消体重的力” 是什么？

他继续思考：如果人站在电梯里，突然电梯的吊绳断了，人与电梯一同向下坠落，为什么人明明站在电梯里，却还是有失重的感觉？他突然意识到：这是因为电梯的支持力消失了。

问题来了：按照牛顿的说法，地球的引力是无时无刻存在的，为什么没有了支持力，“体重” 就像消失了？爱因斯坦恍然大悟：也许引力只是表象，引力并不存在。人掉落在地上，不是因为自然界中有某种神秘的拉力，而是因为空间发生了弯曲 —— 地球的重力会把周围的空间拉成弯曲的形状，人之所以会落地，是因为 “掉落到了空间的谷底”。这个答案，是不是匪夷所思？

按照这个理论，宇宙中的空间从来就不是平坦的，任何质量都会把周围的空间 “拉弯”，天体质量越大，周围空间被拉弯的程度就越严重。“几何在真实世界中的确存在，我称之为‘实际几何’”—— 我之所以能建立相对论，主要得益于这一认知：光在曲面上也会走 “最近的距离”，这个距离叫做 “测地线”。空间越弯曲，光走的路线就越长；光走的路线越长，耗费的时间就越多。也就是说：天体质量越大，它周围的时间就越慢。

广义相对论是真实的吗？它每天都在被验证。GPS 卫星的高度约为 2 万公里，在这个高度，地球的引力比地面弱得多。根据广义相对论，“引力越弱，时间走得越快”——GPS 配备的电子钟显示，卫星每天都比地面的时钟快 38 微秒，这与广义相对论的理论完全吻合。

要知道，GPS 时间误差 1 微秒，定位误差就能达到几百米；每天积累下来，误差会达到几十公里，根本无法实现定位和导航。所以，每时每刻，GPS 的软件都在消除这种误差 —— 这就是广义相对论在实际生活中的应用。

广义相对论还预测了 “黑洞”：黑洞的质量太大，已经把周围的时空完全拉成了封闭状态，一旦光进入黑洞，就再也无法出来。科学家已经发现了很多黑洞，目前估计，在银河系中就有超过 1 亿个黑洞。

广义相对论最了不起的地方，在于它把 “引力几何化” 了。上一个带给人类这种震撼的，是笛卡尔 —— 他把代数和几何统一起来，也就是中学我们学过的 “解析几何”。爱因斯坦则用几何语言，把引力与时空统一了起来，在空间、时间和速度之外，又引进了 “质量与能量”。

根据广义相对论的方程，我们可以计算宇宙中运动的物质在空间、时间中的变化 —— 这就是广义相对论的基本意义。需要注意的是：时空坐标并非独立存在，必须把时空坐标和引力场结合起来，才能得到一个真实的物理量。

但了解广义相对论之后，我们的迷惑不仅没有减少，反而更多了：

首先，空间变得更奇怪了 —— 空间似乎与质量相关，质量能把空间拉弯，质量越大，空间的曲率就越大，它就像橡皮膜一样，会对质量产生 “反应”。

其次，引力到底是什么？广义相对论把引力解释为 “空间的弯曲”，但这仍然只是引力的表象。这种 “几何化” 虽然实用，能计算物质运动与空间、时间的关系，但引力的本质到底是什么？至今没有人知道。

爱因斯坦的相对论之所以伟大，在于它重塑了人类对时间、空间、引力与宇宙的根本理解。相对论不只是物理学理论，它的格局堪比笛卡尔的解析几何、牛顿的万有引力、达尔文的进化论 —— 这些理论都不只是 “看清楚了一个现象”，而是重塑了整个人类的思维方式。

但相对论也让人感到 “恐惧”：它让人类第一次意识到，我们感知的 “现实”，并非宇宙的底层机制；我们知道的只是皮毛，是宇宙本质在 “几何与运动关系” 上的投影，而对宇宙的深层奥秘，我们依然一无所知。

以上就是有关相对论的最简单科普解释。其实相对论博大精深，自问世一百多年来，人类对宇宙的观测不断印证着它的正确性：原子弹、核能的利用，基于狭义相对论中的质能公式；引力透镜效应、黑洞与引力波，都曾在广义相对论中被预言过。

下一个可能的发现，很可能是 “虫洞”—— 这也是广义相对论场方程的解之一。相对论的故事还远没有结束，它还将继续指导我们对宇宙的探索。

最后，我们还是回到爱因斯坦教授提出的第一个问题：“对于生命的目的，其实我们一无所知”，这是否意味着人生没有意义？所有的追求都是虚幻的泡影？

爱因斯坦曾说：“我所追求的，是对宇宙的神奇和生命的永恒窥探，怀着虔诚之心，努力学习自然界的理性部分，即便我只能领悟一星半点，也足以让我欣慰了。” 原来，爱因斯坦认为生命并非没有目的 —— 探索宇宙的未知、保护人类的理性，就是我们存在于这个世界上的最大意义。