通常，牛頓時(shí)空觀的局限性需要在狹義相對論之前介紹，以引出經(jīng)典力學(xué)發(fā)展到狹義相對論的邏輯關(guān)系。本系列將這部分內(nèi)容挪到了最后，是為了讓讀者能快速了解狹義相對論。前面已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)介紹了牛頓時(shí)空觀，只是我們在這里將內(nèi)容最終匯總一下，并順便介紹一下廣義相對論。
新規(guī)律是建立在實(shí)驗(yàn)觀測的基礎(chǔ)上的：經(jīng)典力學(xué)的建立得益于對天體運(yùn)動(dòng)的觀測，量子力學(xué)的建立得益于熱輻射的測量，相對論的建立也是基于對光速的測量。新規(guī)律指導(dǎo)了新技術(shù)的出現(xiàn)：經(jīng)典力學(xué)是工業(yè)時(shí)代的基礎(chǔ)，量子力學(xué)是信息時(shí)代的基礎(chǔ)，相對論的意義，也許到了太空時(shí)代才能體會得更加深刻。當(dāng)代的愛因斯坦也許是許多物理民科對自己的期許，然而，我從來沒有見過一個(gè)物理民科的理論建立于系統(tǒng)嚴(yán)格的新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之上，這也就是民科之所以為民科，民科理論與相對論這種歷史性突破的區(qū)別。同時(shí)，許多人津津樂道于愛因斯坦的專利局職員身份，卻往往忽略了他有一個(gè)物理博士頭銜，他經(jīng)歷過嚴(yán)格而正式的科學(xué)訓(xùn)練。美國2012年博士頭銜的比例是總25歲以上人口的3%，放到一百年前的歐洲，博士可以用鳳毛麟角來形容。
我們繼續(xù)回到之前使用的乘客、螞蟻的例子。假如玩具車上的螞蟻有長度概念，也有時(shí)間概念，當(dāng)玩具車從乘客的腳邊經(jīng)過時(shí)，螞蟻會說，“那人的鞋長30厘米，跟我的車子一樣長?！背丝鸵矔容^，“這玩具車的長度正好等于我的鞋子長度?！币?yàn)槲浵伜腿硕际怯醚劬y量的，也就是通過光來測量的，而光的速度比玩具車的速度大非常多，所以在經(jīng)典力學(xué)里面，他們可以確定在某一個(gè)時(shí)刻，玩具車和鞋正好頭尾都平齊。當(dāng)玩具車駛離幾米之后，假如生物能用眼睛精確測量長度的話，不管對于誰，鞋和玩具車的長度依然保持不變。
以上這些正常人該有的想法就屬于牛頓時(shí)空觀。在螞蟻所在的運(yùn)動(dòng)空間也好，在乘客所在的運(yùn)動(dòng)空間也好，空間跟螞蟻乘客無關(guān)，跟他們是否在運(yùn)動(dòng)無關(guān)。經(jīng)典力學(xué)可以存在于一個(gè)絕對空間中，這個(gè)空間是一個(gè)三維平直框架，延伸到整個(gè)宇宙，它規(guī)定了物體的大小和位置。這個(gè)三維空間框架在日常生活中可以以地面或者地心為基準(zhǔn)，也可以以太陽為基準(zhǔn)，甚至可以一千多個(gè)恒星的平均靜止的位置為基準(zhǔn)。玩具車也好，火車也好，就是這個(gè)大三維框架中里面一個(gè)運(yùn)動(dòng)的小框架，可以借助于大三維框架表示出來。所以，玩具車和火車所感覺到的空間，本質(zhì)上是同一個(gè)空間。所以玩具車處在不同位置時(shí)，乘客不會覺得玩具車的長度有所不同。并且，玩具車對于地面的速度可以由它在車廂內(nèi)的速度和火車的速度簡單疊加。
這樣子的絕對空間觀點(diǎn)隱含著的概念是絕對時(shí)間。經(jīng)典力學(xué)中，時(shí)間是均勻地流逝著，這正是人直觀所感覺到的。假如玩具車上的時(shí)間和車廂的時(shí)間流逝速度不一致，那么螞蟻和人分別記錄下玩具車分別到達(dá)鞋頭和鞋尾的時(shí)間差，再來乘以玩具車的速度，那么他們對玩具車的長度就會有不一樣的答案。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)是相對的，螞蟻和人對于車子速度大小的理解只能是一致的，如果有絕對空間，那么玩具車行駛與否不該改變螞蟻和人對玩具車的長度理解，于是螞蟻和人必須體驗(yàn)到一個(gè)流逝不變的絕對時(shí)間。
這樣子的想法在一百年前是合理的，放在現(xiàn)在就有些不合適了。打破絕對時(shí)空觀的工作就是麥克斯韋方程組。相對論并不是單純拍著腦袋想出來的，也不是沒有愛因斯坦、同時(shí)代的人就一定建立不了它，相對論有其出現(xiàn)的必然性。麥克斯韋方程組指出，光在真空中的速度是一個(gè)常數(shù)。那么如果火車是光速，玩具車對于火車是光速，按照我們之前的理解，玩具車對于地面就該是兩倍的光速。如果玩具車是一個(gè)光子，那么光子也是兩倍光速，這就跟麥克斯韋方程組矛盾了。
這樣的矛盾也許有幾種可能：一、麥克斯韋方程組只在某一特殊空間才成立；二、經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀和速度疊加方式是正確的，但不適用于電磁波；三、有廣義的速度疊加方式，同時(shí)滿足我們的經(jīng)典力學(xué)和麥克斯韋方程組。歷史上人們先傾向于第一個(gè)可能性，最終，相對論解決了這個(gè)矛盾，告訴我們第三項(xiàng)才是正確答案。
除了麥克斯韋方程組之外，根據(jù)牛頓力學(xué)，假如沒有阻力，我們可以無限加速一個(gè)高能粒子，經(jīng)典理論中粒子的速度沒有上限，然而在實(shí)踐上，加速器中高能粒子存在一個(gè)速度上限，也就是光速。前兩年一個(gè)大型加速器報(bào)道觀察到超過光速的粒子引起了極大轟動(dòng)，然而，這個(gè)結(jié)果最后被證明是錯(cuò)誤的。
由于麥克斯韋方程組突出了牛頓時(shí)空觀的局限，狹義相對論必須出現(xiàn)。它早已是牢固建立起來了的理論了，是現(xiàn)代核物理和高能物理的基礎(chǔ)理論。狹義相對論解決了慣性系下的時(shí)空問題，對于更復(fù)雜的參照系，需要通過廣義相對論理解。受限于數(shù)學(xué)工具，我沒法介紹廣義相對論，在我知道的少數(shù)書上，廣義相對論都是從張量分析和黎曼幾何開始，這甚至超過了一個(gè)物理本科生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。廣義相對論的基礎(chǔ)是等效原理：一個(gè)以恒定加速度運(yùn)動(dòng)的參照系與在引力場中靜止的慣性系是完全等價(jià)的。這一個(gè)原理的詳細(xì)說明需要介紹引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的等價(jià)性，這一點(diǎn)，也是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。
之前提到的雙生子佯謬就是一個(gè)應(yīng)該用廣義相對論解決的問題。在弟弟所在的宇宙飛船上，因?yàn)閺某霭l(fā)到回程必須經(jīng)歷加速和減速的過程，不滿足慣性系的要求，所以不能直接套用狹義相對論。宇宙飛船和地球因?yàn)橐粋€(gè)是慣性系，一個(gè)不是慣性系，雙生子的時(shí)間流逝不是對等的。這個(gè)結(jié)論已經(jīng)在繞地球的飛行實(shí)驗(yàn)中證實(shí)。如果假設(shè)加速減速的時(shí)間很短，飛船大部分屬于慣性系，那么可以將飛船停下來的瞬間作為中間的參考狀態(tài)，此時(shí)飛船與地球在同個(gè)慣性系中，所以飛船前后的時(shí)間流逝可以用這個(gè)點(diǎn)來比較，那一瞬間可以用地球上哥哥的時(shí)間來考慮時(shí)間流逝，于是飛船上弟弟會更加年輕。
從狹義相對論和廣義相對論建立以來，其理論一直得到發(fā)展，也不停得到新的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在已知的物理知識體系中，相對論是現(xiàn)代物理最重要的分支之一。。
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