很多人覺得相對(duì)論很神奇，因?yàn)樗坪踹`背了我們的常識(shí)，所以至今還有不少人認(rèn)為它是偽科學(xué)。狹義相對(duì)論最讓人覺得神奇的時(shí)空相對(duì)性，建立在一條基本原則上，即對(duì)于任何慣性參照系來說，真空中的光速保持不變。這一條基本原則與經(jīng)典物理的相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論矛盾。但是，因?yàn)樗蓽y量、可證偽，所以它無疑是真正的科學(xué)。人類用自己的智慧設(shè)計(jì)了一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，最終證明了這一原則是真理，錯(cuò)的是經(jīng)典相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論。那么，這其中究竟是怎么回事呢？讓小編來用最簡單的方式為讀者解釋。

光速究竟是怎么測量的？

我們知道，真空中的光速很快，達(dá)到接近30萬千米，相當(dāng)于一秒鐘環(huán)繞地球7圈半。那么光速如此之快，我們?cè)趺淳_測量它的速度呢？

事實(shí)上人類用了很多巧妙的辦法，這里我們介紹其中一種——旋轉(zhuǎn)齒輪法。

這個(gè)方法用一個(gè)高速轉(zhuǎn)速的齒輪（3）、一面半透明鏡（2）和一面全反射鏡子（4）。人在半透明鏡子后觀察光線。因?yàn)辇X輪有缺口，所以它高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)總能擋住一部分光，而透過另一部分光。問題是，如果齒輪和全反射鏡子（4）的相對(duì)距離不變，那么從齒輪缺口處透過的光被反射再回到齒輪位置時(shí)走過的距離是已知的。此時(shí)如果調(diào)整齒輪的轉(zhuǎn)速，讓光返回時(shí)，齒輪恰好轉(zhuǎn)過整數(shù)個(gè)缺口，那么此時(shí)人眼看到的光線比較亮，因?yàn)榇┻^齒輪缺口的光恰好返回時(shí)又通過缺口。同樣，如果光返回時(shí)，齒輪恰好通過整數(shù)半的缺口，那么此時(shí)光被齒輪擋住，人眼看到的光線最暗。這樣的話，根據(jù)鏡子到齒輪的距離和齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，就可以測出光的速度了。

所有的光相對(duì)于真空的速度相同，與光源的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)

人們發(fā)現(xiàn)光是一種電磁波，是在真空中交替?zhèn)鞑サ碾妶龊痛艌?，它的傳播速度與光源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)。其實(shí)這很容易解釋，光在真空中類似于水波，水波的傳播速度與石頭砸入水中的速度沒什么關(guān)系。

人類能夠測量光速之后，很容易能夠測出這一點(diǎn)。地球處在宇宙空間中，無時(shí)無刻都能夠接收到來自太陽和其他恒星的光線，如果光速與光源相對(duì)速度有關(guān)，那么地球與太陽的相對(duì)速度無時(shí)無刻在發(fā)生變化，而且太陽不同位置發(fā)出的光都可以到達(dá)地球，我們從來沒有測出過來自太陽不同位置和不同時(shí)間的光有著不一樣的傳播速度。

所有的光在真空中的傳播速度與參照系“相對(duì)于真空”的運(yùn)動(dòng)速度也無關(guān)

這是最不可思議的部分！經(jīng)典物理認(rèn)為，真空中充滿靜止的以太物質(zhì)，光在以太中一固定速度傳播。就好像是以太是湖水，光是湖水里的漣漪。但是，這樣的話問題就來了。地球繞著太陽公轉(zhuǎn)，同時(shí)也在自轉(zhuǎn)，也就是說地球是相對(duì)于“湖水”處在運(yùn)動(dòng)中的。所以如果光相對(duì)于“湖水”的速度不變，那么它相對(duì)地球的速度就會(huì)有微小的變化，而且這一變化一定是可測量的。

旋轉(zhuǎn)齒輪實(shí)驗(yàn)很巧妙，但是不足以測量出微小的光速變化，要測量光速微小的變化，就得提到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)了，這就是大名鼎鼎的邁克爾遜-莫雷干涉實(shí)驗(yàn)，當(dāng)年這個(gè)實(shí)驗(yàn)正是為了測試出由于地球大約30千米每秒的自轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致的光在不同方向上相對(duì)于真空（當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)為光在充斥于真空的以太中傳播）速度的細(xì)微差別。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置更簡單，讓光源S的光通過一個(gè)半透膜，再通過兩面鏡子反射回來，進(jìn)入雙縫干涉儀 T。這樣的話，這束光的兩條反射路徑反射回來的光在干涉儀中就會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。如果我們緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)裝置，讓它和地球的相對(duì)方向發(fā)生變化，假如這樣能像在經(jīng)典物理學(xué)中一樣，改變光的相對(duì)速度，那么干涉條紋就會(huì)發(fā)生變化，我們就會(huì)看到干涉條紋緩慢移動(dòng)。然而，見證奇跡的時(shí)候到了，不管怎么轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)裝置，看到的干涉條紋就像是事先雕刻上去的一樣，沒有絲毫的變化！

這是怎么回事呢？光明明在真空中傳播，而地球明明與真空有相對(duì)速度……這不科學(xué)。從經(jīng)典物理學(xué)來講，這確實(shí)不科學(xué)，然而，這卻又是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是無可爭議的事實(shí)……

這會(huì)導(dǎo)致什么問題？我們來看一下：

假設(shè)一艘飛船朝著一個(gè)信號(hào)站以0.5C的速度飛行，當(dāng)飛船與信號(hào)站距離1光秒的時(shí)候，飛船上的人朝信號(hào)站發(fā)出一個(gè)信號(hào)，那是一個(gè)光子?，F(xiàn)在假設(shè)信號(hào)站上有個(gè)觀察者A，飛船上有個(gè)觀察者B，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？

對(duì)于觀察者A來說，飛船距離信號(hào)站1光秒時(shí)發(fā)出的那個(gè)光子以光速前進(jìn)，1秒以后被信號(hào)站接收。但是對(duì)于飛船上的觀察者B來說，她也會(huì)看到發(fā)出的那個(gè)光子以光速前進(jìn)（根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果光速不變），但是對(duì)她來說，信號(hào)站以一個(gè)相對(duì)速度朝她的飛船飛來。因此，不需要1秒，信號(hào)站就會(huì)收到那個(gè)光子。

于是就好玩了，A說信號(hào)站在飛船發(fā)出光子1秒后收到了光子，B說信號(hào)站應(yīng)該不到1秒就收到光子，那么到底誰的說法對(duì)呢？

時(shí)間的bug？

更神奇的是，我們把飛船運(yùn)動(dòng)的方向反一下，這時(shí)，以A的角度看，信號(hào)站仍是1秒后收到光子，但是對(duì)B來說，變成信號(hào)站在遠(yuǎn)離自己，此時(shí)信號(hào)站收到光子的時(shí)間應(yīng)該超過1秒。

那就奇怪了，AB相向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，A說收到光子的時(shí)間比B說收到的時(shí)間要遲，相背運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，A又說收到光子的時(shí)間比B說的要早，這究竟是怎么回事?。?br>

究竟誰在運(yùn)動(dòng)誰靜止？

不管是牛頓物理還是相對(duì)論物理，都承認(rèn)運(yùn)動(dòng)和靜止是相對(duì)的。在慣性系中，如果沒有參照系，人們是沒有辦法判斷出究竟是靜止的還是在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)于飛船和信號(hào)站，我們不能說是飛船在運(yùn)動(dòng)而信號(hào)站靜止，究竟是誰在運(yùn)動(dòng)，取決于我們選擇的參照系。

如果說真的有以太存在，那我們可以用以太作為參照系，根據(jù)光的相對(duì)速度算出各個(gè)參照系相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)速度。然而很遺憾，邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)證明了以太不存在，光在任何參照系中的相對(duì)速度也完全不變。這就尷尬了，就像上面所說的情況，牛頓物理解決不了的bug就產(chǎn)生了。

光子鐘實(shí)驗(yàn)

這是一個(gè)著名的思維實(shí)驗(yàn)。用來解釋光速恒定導(dǎo)致的看似無法解決的矛盾。在一個(gè)慣性系（比如飛船里）水平放置兩面相隔約1.5米的鏡子，鏡面上下相對(duì)，讓光線在其中來回反射。根據(jù)光速可知，來回反射一次的時(shí)間是1億分之一秒。但是，在另一個(gè)慣性系，比如地球上觀察，因?yàn)轱w船在做水平運(yùn)動(dòng)，所以光線反射的路線不是垂直于鏡面的，而是一個(gè)直角三角形的斜邊。也就是說，在另一個(gè)慣性系中觀察，光在反射時(shí)走的路線要比較長，所以來回反射一次的時(shí)間比1億分之一秒要長。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明的問題是，在其他與自己所在慣性系有相對(duì)速度的慣性系看來，自己所在慣性系的時(shí)間變慢了。

得出這個(gè)重要結(jié)論以后，我們發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閮蓚€(gè)慣性系的時(shí)間流速不同，所以不存在絕對(duì)的“同時(shí)性”，也就是說，A和B兩個(gè)觀察者看到的“信號(hào)站收到光子”這一時(shí)間的時(shí)間，都是以自己的參照系的時(shí)間來衡量的。這就是相對(duì)論物理中推到出來的時(shí)間的相對(duì)性。

最終，根據(jù)光子鐘實(shí)驗(yàn)的勾股定理，我們就可以推出：

這就是相對(duì)論里時(shí)間相對(duì)性的經(jīng)典公式。