狹義相對論的核心原理只有兩條，狹義相對性原理和光速不變原理，其中光速不變原理非常難以被人理解和接受，主要是不太符合人的直覺。由于我們在小學(xué)數(shù)學(xué)中對行程問題有很多的訓(xùn)練，對速度相加的法則非常熟練，到中學(xué)開始又學(xué)習(xí)了牛頓力學(xué)，這些都是絕對時(shí)空觀的知識，在腦海中已經(jīng)根深蒂固，不知不覺就會跳出來干擾人的思考。所謂直覺，其實(shí)是人習(xí)慣了的思考方式，是可以練習(xí)的。狹義相對論不太符合我們通常的直覺，我們需要建立新的直覺。
看一個(gè)理論是否正確，主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是看這個(gè)理論內(nèi)部有沒有邏輯矛盾，另一個(gè)是看這個(gè)理論的計(jì)算和預(yù)測是否與實(shí)驗(yàn)和觀測的數(shù)據(jù)相符合。每個(gè)人其實(shí)都是在自己的邏輯體系里面進(jìn)行思考，他會很難發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤，而且認(rèn)為與自己體系不符合的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的?？茖W(xué)的方法是假設(shè)對方的觀點(diǎn)或者理論正確，然后在這個(gè)觀點(diǎn)或理論中尋找邏輯矛盾，或者找到與可觀測的現(xiàn)實(shí)結(jié)果不一致的地方。
這里有一個(gè)有意思的故事，在光的波動理論剛建立的時(shí)候，法國數(shù)學(xué)家泊松反對波動光學(xué)，他根據(jù)光的波動理論計(jì)算出，如果用光照射一個(gè)不透明的圓盤，在圓盤背后陰影的中央會出現(xiàn)一個(gè)亮斑。他認(rèn)為這是荒謬的，因而波動光學(xué)是錯(cuò)誤的。波動光學(xué)的支持者們就根據(jù)泊松的計(jì)算做了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓盤背后真的有一個(gè)亮斑，這個(gè)亮斑后來就叫做泊松亮斑。泊松的計(jì)算反而支持了波動光學(xué)。泊松反對波動光學(xué)的方法是科學(xué)的。
因?yàn)橄鄬φ撆c人的直覺不相符合，反對相對論的人很多。前一陣，河北燕山大學(xué)的教授宣稱已經(jīng)推翻愛因斯坦相對論，研究項(xiàng)目被推薦入選2021年河北省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，這個(gè)項(xiàng)目后來被取消。包括“北京相對論研究聯(lián)誼會”這個(gè)反相對論的機(jī)構(gòu)也被北京市民政局取締。按說人有研究的自由，但是他們這些研究誤導(dǎo)了社會，騙取經(jīng)費(fèi)，影響很不好。其實(shí)科學(xué)界研究相對論的科學(xué)家是最希望“推翻”（更恰當(dāng)?shù)恼f法是改進(jìn)）相對論的。他們按照科學(xué)規(guī)范發(fā)表各種論文，進(jìn)行各種極其高精度的實(shí)驗(yàn)，一旦發(fā)現(xiàn)問題，就有可能改進(jìn)相對論。100多年來，這些研究和實(shí)驗(yàn)都是支持了相對論。
再回到狹義相對論，狹義相對論的體系并沒有邏輯矛盾。很多人發(fā)現(xiàn)矛盾，是因?yàn)樗€在牛頓力學(xué)中進(jìn)行思考。重要的話說三遍：不要在牛頓力學(xué)中反對相對論！不要在牛頓力學(xué)中反對相對論！不要在牛頓力學(xué)中反對相對論！
我們來嘗試按照狹義相對論的思路去理解它。首先來看第一條原理，狹義相對性原理。狹義相對性原理是說，在一切慣性系中物理定律都是等價(jià)的，或者說我們不能通過物理實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)不同慣性系的區(qū)別。所謂的慣性系，簡單來說就是勻速直線運(yùn)動的參考系。
我們坐在火車上與另一列火車錯(cuò)車而過的時(shí)候，常常會有一種體驗(yàn)，以為我們所坐的火車是靜止的，而另一列火車在運(yùn)動。等兩列火車錯(cuò)開，才發(fā)現(xiàn)對面的火車停在站臺上根本沒有動，而是自己所在的火車在動。我們乘坐其他勻速直線行駛的交通工具時(shí)，也會有分不清靜止還是運(yùn)動的感覺。有人在勻速直線行駛的高鐵窗臺上面立起硬幣、簽字筆、手機(jī)、倒立的礦泉水瓶等物體，能夠長時(shí)間穩(wěn)定的直立不倒，水面平穩(wěn)不晃。高速運(yùn)動的火車上如同靜止一樣，不觀察窗外的景物，根本不能發(fā)現(xiàn)火車在運(yùn)動。而觀察窗外發(fā)現(xiàn)火車運(yùn)動是因?yàn)槿耸孪燃僭O(shè)了窗外景物是靜止的，如果窗外懸掛一副很長的畫布，并且拉畫布運(yùn)動，那么車內(nèi)并不能區(qū)分出畫布在動還是火車在動。
不僅人的感覺無法區(qū)分火車是否運(yùn)動，人們還做了各種精確的物理實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)任何物理實(shí)驗(yàn)都無法從內(nèi)部區(qū)分靜止和勻速直線運(yùn)動的火車。這就表明在靜止和勻速直線運(yùn)動的火車上具有相同的物理定律。用物理學(xué)的語言表述就是狹義相對性原理，也就是物理定律對一切慣性參考系都是等價(jià)的。這個(gè)原理又叫“舟行不覺原理”，源于東漢時(shí)期的《尚書緯·考靈曜》一書：“人在大舟中，閉牖（yǒu，窗戶）而坐，舟行而人不覺也”。這一原理是由伽利略首先發(fā)現(xiàn)的，所以也叫伽利略相對性原理。一般來說，伽利略相對性原理僅限于力學(xué)。狹義相對性原理，適用于所有的物理學(xué)，包括電磁學(xué)等。
到現(xiàn)在為止，還沒有發(fā)現(xiàn)違反這一原理的物理現(xiàn)象。狹義相對性原理是物理學(xué)最基本的原理之一。這一原理非常重要，它表明了慣性參考系的等價(jià)性。我們可以知道，遙遠(yuǎn)的星系和地面實(shí)驗(yàn)室中具有同樣的物理定律，因而在地面實(shí)驗(yàn)室中就可以對遙遠(yuǎn)的星系中發(fā)生的物理過程進(jìn)行研究，否則這就是不可能的。
狹義相對性原理也表明，絕對靜止的慣性參考系，也就是牛頓所謂的絕對空間是不存在的，因?yàn)樗邢鄬\(yùn)動的慣性系都完全等價(jià)，不存在哪一個(gè)慣性系比其他慣性系更加優(yōu)越。
狹義相對性原理比較容易理解，難以理解的是第二條原理，光速不變原理。
光速不變原理是說，無論在哪一個(gè)慣性參考系中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個(gè)常數(shù)，不隨光源和觀察者的運(yùn)動速度而改變。這個(gè)真空中光速常數(shù)的精確數(shù)值是299792458米/秒，約為30萬公里每秒。
這一原理有兩個(gè)含義，一個(gè)是真空中光速與光源的運(yùn)動速度無關(guān)，另一個(gè)是真空中光速與觀察者的運(yùn)動速度無關(guān)。這個(gè)我們必須分開來看，否則理解會非常困難。真空中光速與光源的運(yùn)動速度無關(guān)，意思是說，在同一個(gè)慣性參考系統(tǒng)觀察，不同運(yùn)動速度的光源發(fā)出的光的速度都完全一樣。
這與人的直覺很不一致，假設(shè)一列火車向前運(yùn)動的同時(shí)向前方發(fā)出一束光，我們知道標(biāo)槍運(yùn)動員投擲前助跑能夠提高標(biāo)槍的投擲速度。通常我們會認(rèn)為靜止觀察者觀察到的光速也會變快，速度為靜止光速與火車運(yùn)動速度的和，也就是速度相加。光相對于光源，也就是運(yùn)動火車的速度為C。運(yùn)動火車相對靜止觀察者的速度為V，光相對于靜止觀察者的速度似乎就應(yīng)該是v加上C。這是一個(gè)錯(cuò)誤的理解，實(shí)際上，不知不覺引入了牛頓的絕對時(shí)空，假設(shè)運(yùn)動火車與靜止觀察者的時(shí)空是完全一樣的，把兩個(gè)不同時(shí)空中的速度進(jìn)行相加，如同把人民幣與美元直接進(jìn)行相加，得到的什么都不是。
1964年在日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心CERN，使用由中性π介子組成的輻射源以99.975%倍光速的速度前進(jìn)，測得沿運(yùn)動方向發(fā)射的光子速度同靜止輻射源測的光速極其一致，實(shí)驗(yàn)誤差為1.3*10^-4左右。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)高速運(yùn)動的光源發(fā)出的光，速度依然不變。我們的直覺很不靠譜。
我們看到的夜空是穩(wěn)定的，恒星是一個(gè)光點(diǎn)，位置常年固定不變。如果星光的速度有差異，那么我們看到的星光將大不一樣。天空所有的恒星都在進(jìn)行著自轉(zhuǎn)和各種公轉(zhuǎn)，恒星在不同時(shí)間以及恒星表面的不同部位，或者靠近或者遠(yuǎn)離地球，相對地球的速度都是不同的。我們知道，馬拉松跑步時(shí)，由于跑步速度的不同，一開始聚集在一起的人們會逐漸拉得很開。如果同一時(shí)刻從恒星表面發(fā)出來的光速度有1米/秒的差異，那么這些光在宇宙中傳播1億年后，距離將會相差三萬億公里。因此，我們將看不到同一時(shí)刻的恒星。我們看到的同一顆恒星的光將來自于不同的歷史。我們看到的恒星可能是一條帶狀或者一個(gè)線段，而不是一個(gè)光點(diǎn)。每一張星空的照片，實(shí)際上都證明了光速是不變的。
其實(shí)，空氣中聲音的速度也與聲源的運(yùn)動速度無關(guān)。靜止不動的人和快速跑步的人發(fā)出的聲音在無風(fēng)的空氣中傳播速度完全一樣，都是340米/秒。超音速飛機(jī)會把它產(chǎn)生的聲波留在后面形成激波。水波的傳播速度也與波源運(yùn)動速度無關(guān)，快速運(yùn)動的游艇可以超過它產(chǎn)生的水波。
麥克斯韋的電磁理論指出，光是一種電磁波，是電磁振蕩在空間的傳播，振蕩的電場在周圍產(chǎn)生振蕩的磁場，振蕩的磁場又在周圍產(chǎn)生振蕩的電場，如此循環(huán)往復(fù)，向遠(yuǎn)處傳播。這個(gè)電磁振蕩在真空中傳播的速度固定不變，可以通過波動方程準(zhǔn)確的計(jì)算出來，它的值就是真空中的光速常數(shù)，為299792458米/秒。
與聲波和水波的傳播速度與波源運(yùn)動速度無關(guān)一樣，光也是一種波--電磁波。在光源發(fā)出光的瞬間，光就以電磁波的形式，按照電磁規(guī)律，以固定的速度向遠(yuǎn)處傳播，傳播的速度與光源運(yùn)動速度無關(guān)。
與標(biāo)槍的例子不一樣，標(biāo)槍在運(yùn)動員投擲出去以前一直是存在的，并且和運(yùn)動員一起運(yùn)動。而在光源發(fā)出光以前，光是不存在的，并不是由光源攜帶一起運(yùn)動，光只是光源在真空中激發(fā)出的電磁場波動，它一產(chǎn)生就只能按照電磁規(guī)律以固定的速度傳播。如同無足鳥的傳說一樣，有一種鳥它沒有腳，一生下來就只能不停的飛，不停的飛。
理論和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了真空中光速與光源的運(yùn)動速度無關(guān)。通過上面的思考，我們可以加深理解，為什么光速與光源運(yùn)動速度無關(guān)，改變我們以前形成的直覺，或者說是錯(cuò)覺。
光速不變原理的第二個(gè)部分是真空中光速與觀察者的運(yùn)動速度無關(guān)。
人們都知道，靜止的飛機(jī)被鳥撞上會毫發(fā)無傷，而飛行中的飛機(jī)被鳥撞上卻會被撞出一個(gè)大洞，甚至機(jī)毀人亡。在高速飛行的飛機(jī)上看來，鳥的速度變快了很多。我們的直覺也會覺得觀察者相對光源運(yùn)動可能會觀察到更快的光速。
這里我們把自己當(dāng)作觀察者了。有一種寒冷叫你媽覺得你冷。媽媽習(xí)慣于代替自己的孩子進(jìn)行思考和感受，鞋子舒服不舒服只有腳知道。觀察者觀察到的光速有沒有變快，一定得問觀察者自己。其他任何人畢竟都不是觀察者，最多只能算是觀察者的觀察者。觀察者觀察到的速度必須要在觀察者所在的參考系中來看。從觀察者的角度，他自己是靜止不動的，是一個(gè)慣性參考系。光源在相對觀察者運(yùn)動。根據(jù)狹義相對性原理，物理定律在一切慣性系中都是等價(jià)的。如果真空中的光速在一個(gè)慣性系中與光源運(yùn)動速度無關(guān)，那么，在一切慣性系中都會觀察到真空中光速與光源運(yùn)動速度無關(guān)，因此這個(gè)觀察者觀察到的光速也是固定不變的，與光源運(yùn)動速度無關(guān)的。
假設(shè)觀察者在火車K中做物理實(shí)驗(yàn)，在他睡覺時(shí)，火車K以速度V運(yùn)動起來，成為了另一個(gè)慣性系K’，觀察者醒來繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。狹義相對性原理表明，他觀測到的真空中光速完全一樣，同樣也與光源的運(yùn)動無關(guān)。他完全沒有發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)換了一個(gè)慣性系。因此，真空中的光速與光源的運(yùn)動速度無關(guān)，也與觀察者的運(yùn)動速度無關(guān)，是一個(gè)固定不變的常數(shù)。這就是完整的光速不變原理。
這里我們沒有在用空氣中的聲速進(jìn)行類比，雖然無風(fēng)的空氣中聲速也與聲源的運(yùn)動速度無關(guān)，但只是相對于靜止的觀察者。運(yùn)動和靜止的觀察者，相對聲速是不對等的。一個(gè)相對空氣運(yùn)動，而另一個(gè)相對空氣靜止，他們觀察的聲速也就不一樣，而真空對于任何慣性系都沒有任何區(qū)別。
在現(xiàn)代國際單位制中，光速只是一個(gè)定義。先給出秒的定義，然后定義一米為光在真空中1/299792458秒內(nèi)行進(jìn)的距離。這樣通過單位制的約定，在任一個(gè)慣性系中，光在真空中的速度都是299792458米/秒。
光速不變原理非常難以理解，但是它經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撚?jì)算和精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過了上百年的考驗(yàn)，已經(jīng)不用質(zhì)疑。上面關(guān)于光速不變原理的內(nèi)容并不是論證，只是試圖去理解它，實(shí)際上還有更復(fù)雜的內(nèi)容。
有了狹義相對性原理和光速不變原理，就可以建立起狹義相對論的整個(gè)理論體系，推導(dǎo)出所有的公式，包括鐘慢效應(yīng)、尺縮效應(yīng)、同時(shí)的相對性、質(zhì)能方程等等。這里就不多介紹了，一下子也介紹不過來。
這些效應(yīng)都不太容易理解，理解的關(guān)鍵就是放棄牛頓絕對時(shí)空觀，接受相對運(yùn)動的不同觀察者具有不同的時(shí)空，也就是換位思考，想知道誰的觀察結(jié)果就問誰，不要代替別人做結(jié)論。放下已經(jīng)形成的直覺和成見非常困難，一旦放下，新的世界就會呈現(xiàn)在眼前。
《時(shí)空之舞——
中學(xué)生能懂的相對論》
