“在我們之外有一個(gè)更為巨大的世界，它獨(dú)立存在著，就像一個(gè)偉大而永恒的謎，卻只有極少部分是我們的觀察和思維所能及的。對(duì)這個(gè)世界的凝視靜思，宛若遼闊的自由對(duì)我們的吸引?！?/p>

——愛(ài)因斯坦

北京時(shí)間2月11日晚11點(diǎn)30分，引力波被LIGO科學(xué)合作組織正式宣布被觀測(cè)并證實(shí)。不管你是不是天文愛(ài)好者，聽(tīng)到這句：

“Ladies and gentlemen, we have detected gravitational waves. We did it.”

（女士們先生們，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)引力波啦，我們做到啦。）

即便是一個(gè)物理小白也會(huì)霎那間有紅了眼圈的感覺(jué)。

距離愛(ài)因斯坦第一次在《廣義相對(duì)論》中預(yù)言引力波的存在已經(jīng)過(guò)去100年了，在這一個(gè)世紀(jì)間，腦洞大開(kāi)的科學(xué)家于無(wú)聲處聽(tīng)驚雷，終于在這個(gè)猴年之交補(bǔ)缺了愛(ài)因斯坦遺失的一塊最重要的“拼圖”。這是物理學(xué)史上絕對(duì)里程碑式的重大成就，不是相對(duì)的！

由兩個(gè)黑洞產(chǎn)生的引力波CW150914的3D示意圖。圖片來(lái)源： Henze, NASA

引力波

現(xiàn)在大火的“引力波”是廣義相對(duì)論的范疇，實(shí)際上，廣義相對(duì)論可以說(shuō)就是引力理論?！稄V義相對(duì)論》的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實(shí)，唯有引力波一直徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。毫無(wú)疑問(wèn)，引力波的證實(shí)是一項(xiàng)世紀(jì)發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了愛(ài)因斯坦引力理論的最后一項(xiàng)預(yù)言。

實(shí)際上，愛(ài)因斯坦曾對(duì)于引力波的觀測(cè)并不看好。因?yàn)殛P(guān)于它的強(qiáng)度，愛(ài)因斯坦從計(jì)算得出——非常微弱。

假設(shè)迎面走來(lái)一串引力波，你不會(huì)變大變小變漂亮??除非你就站在引力波波源附近，譬如黑洞（友情提醒：黑洞有100種方法讓你在它旁邊活不下去，如果你想試試，黑洞是不介意陪你玩玩的）。否則引力波只會(huì)把你的身高拉高（然后壓扁）那么一點(diǎn)點(diǎn)——大概就是一個(gè)氫原子的100億分之一吧。

和電磁波相比，引力實(shí)在是很弱的力，比起表征電磁力強(qiáng)度的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，表征引力強(qiáng)度的引力常數(shù)G要小上好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且引力波實(shí)在是很“懶”，很少與物質(zhì)發(fā)生任何作用。

引力波經(jīng)過(guò)物體時(shí)會(huì)使其不斷發(fā)生拉伸和壓縮。圖片來(lái)源：Markus P?ssel of Einstein Online.

還是沒(méi)有搞明白什么是引力波？

那也請(qǐng)別回到“牛頓掉蘋(píng)果”的年代好么～

有句話說(shuō)，在我們這個(gè)世界上，95%的人的科學(xué)素養(yǎng)停留在伽俐略時(shí)代以前，99.9%的人停留在牛頓時(shí)代以前。在這個(gè)“引力波都被證實(shí)存在”的年代，你還好意思老那么具象么？

由此，

“星際明星”愛(ài)因斯坦高逼格《相對(duì)論》在手＋九妹我神經(jīng)化的講解，你一定不無(wú)聊！

友情提示：記住以下5點(diǎn)精華吐血?dú)w納真的讓你聊起來(lái)像個(gè)高能科學(xué)怪人！

優(yōu)美的質(zhì)能方程揭示了物質(zhì)質(zhì)量與能量的關(guān)系，計(jì)算公式為E=MC2，其中E代表物質(zhì)的能量，M為物質(zhì)的質(zhì)量，C為光速。

《相對(duì)論》——導(dǎo)讀（高能繼續(xù)）

想要把愛(ài)因斯坦的《相對(duì)論》理解為“人類的語(yǔ)言”你大致需要了解書(shū)中以下這幾組理論或概念。(引號(hào)部分為書(shū)摘)

1，區(qū)分經(jīng)典物理和現(xiàn)代物理

2，“相對(duì)”的概念

3，麥克斯韋方程組

4，洛倫茲變換

5，時(shí)空煥發(fā)新生命

區(qū)分經(jīng)典物理和現(xiàn)代物理

愛(ài)因斯坦之前的一干物理學(xué)家（亞里士多德、哥白尼、伽里略、牛頓、馬赫、麥克斯韋、赫茲、洛倫茲、拉摩、彭加勒）都曾經(jīng)琢磨過(guò)“時(shí)空到底怎么玩”，然而真正的世紀(jì)物理學(xué)撕逼大戰(zhàn)發(fā)生在牛頓和愛(ài)因斯坦之間。

1687年，牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》推翻了神學(xué)千年的根基，建立了完整而嚴(yán)密的經(jīng)典力學(xué)體系。為了為經(jīng)典力學(xué)找個(gè)參考系，牛頓引入了絕對(duì)空間與絕對(duì)時(shí)間的概念。他認(rèn)為：

絕對(duì)空間——實(shí)質(zhì)永遠(yuǎn)是均勻和不動(dòng)的。

絕對(duì)時(shí)間——宇宙共用一個(gè)鐘表，時(shí)間處處都一樣。

然而，遺憾的是，牛頓并沒(méi)有能證明這些。

“

牛頓自己比他以后的許多博學(xué)的科學(xué)家都更明白他的思想結(jié)構(gòu)中固有的弱點(diǎn)。

——愛(ài)因斯坦

————經(jīng)典物理學(xué)與現(xiàn)代物理學(xué)分水嶺——－——

距牛頓建立力學(xué)體系的兩個(gè)多世紀(jì)后，1905年，愛(ài)因斯坦提出：物體勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量會(huì)隨著速度增加而增加，空間和時(shí)間都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，也就是，運(yùn)動(dòng)的尺子要縮短，運(yùn)動(dòng)的鐘要變慢，任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都不能超過(guò)光速。

才華橫溢的學(xué)者約翰·惠勒總結(jié)為：時(shí)空命令物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，而物質(zhì)引導(dǎo)時(shí)空如何彎曲。這就是狹義相對(duì)論。

“

是恩斯特·馬赫在他的《力學(xué)史評(píng)》中，沖擊了經(jīng)典力學(xué)教條式的信念。在我還是一介書(shū)生時(shí)，這本書(shū)給了我深刻的影響。我真正地感覺(jué)到了馬赫的偉大在于他堅(jiān)不可摧的懷疑精神和獨(dú)立態(tài)度。

——愛(ài)因斯坦

1927年第五屆索爾維會(huì)議參加者合影 第一排坐著的都是當(dāng)時(shí)的科學(xué)巨匠。前排居中：愛(ài)因斯坦；前排左三：居里夫人；前排左四：洛倫茲

“

牛頓啊，請(qǐng)?jiān)徫?。你所發(fā)現(xiàn)的，在你的時(shí)代，是具有至高思維能力和創(chuàng)造力的人才能發(fā)現(xiàn)的。你所創(chuàng)立的觀念，至今仍指導(dǎo)著我們的物理學(xué)思想，雖然我們知道，如果要更加深入地理解世界的各種聯(lián)系，必須用另外的離直接經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)域更遠(yuǎn)的觀念來(lái)代替。

——愛(ài)因斯坦

“相對(duì)”的概念

意大利科學(xué)家伽里略第一次提出了慣性概念，提出了慣性和加速度這個(gè)全新的概念，為牛頓力學(xué)理論體系的建立奠定了基礎(chǔ)。

相對(duì)論的核心意思拿腳趾頭都能想到是“相對(duì)”，然而你真的理解啥是相對(duì)么？

實(shí)際上，相對(duì)性原理是由愛(ài)因斯坦的前輩伽里略提出來(lái)的，他認(rèn)為力學(xué)定律在一切慣性參考系中具有相同的形式。

“相對(duì)”在日常中很常見(jiàn)，如你在飛機(jī)上看見(jiàn)你的同座是靜止的，而地面的人看這個(gè)乘客是和飛機(jī)一同嗖嗖飛的。于是這名乘客到底是動(dòng)還是不動(dòng)呢？物理學(xué)把這種參照標(biāo)準(zhǔn)稱為“參考系”。

而愛(ài)因斯坦把伽里略的相對(duì)性原理從力學(xué)領(lǐng)域推廣到包括電磁學(xué)在內(nèi)的整個(gè)物理領(lǐng)域，提出不存在“絕對(duì)參考系”，在一個(gè)參考系中建立起來(lái)的物理規(guī)律，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，可以適用于任何參考系。

“

愛(ài)因斯坦認(rèn)為，科學(xué)定律應(yīng)該賦予所有自由運(yùn)動(dòng)的觀察者相同的形式，無(wú)論觀察者如何運(yùn)動(dòng)，他們都應(yīng)該測(cè)量到同樣的光速。（光速不變是相對(duì)論重要的理論前提）在這一思想中，愛(ài)因斯坦要求人們放棄所有時(shí)鐘普適的時(shí)間概念，確信每個(gè)人都應(yīng)當(dāng)有他自己的時(shí)間值：如果兩個(gè)人是相對(duì)靜止的，他們的時(shí)間就是一致的；如果他們存在相互的運(yùn)動(dòng)，那他們觀察到的時(shí)間就會(huì)有差異。

——霍金

對(duì)所有自由運(yùn)動(dòng)的觀察者而言，自然定律都是相同的，這個(gè)前提是相對(duì)論的基礎(chǔ)！

實(shí)驗(yàn)證明，愛(ài)因斯坦是正確的。一個(gè)繞地球旋轉(zhuǎn)的精確時(shí)鐘與存放在實(shí)驗(yàn)室中的精確時(shí)鐘比，前者與后者會(huì)有時(shí)間指針上的差別。如果你想延長(zhǎng)你的生命，可以乘飛機(jī)向東飛行，這樣，疊加上地球旋轉(zhuǎn)的速度，你就可以延長(zhǎng)零點(diǎn)幾秒的生命，也可借此彌補(bǔ)你因食用航空食品帶來(lái)的損害。

麥克斯韋方程組

麥克斯韋

牛頓和牛頓前的經(jīng)典物理學(xué)我們可以大體理解為是具象的，是建立在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)之上的，如你可以觸摸蘋(píng)果和鐵球，也可以觀察物體的勻速直線運(yùn)動(dòng)。而從馬赫和麥克斯韋開(kāi)始，物理學(xué)更多關(guān)注了微觀和抽象領(lǐng)域，比如關(guān)注波粒二象性的電磁波，光和輻射。

在愛(ài)因斯坦的學(xué)生時(shí)代，最令他著迷的是麥克斯韋理論。

“

光學(xué)被并入電磁理論，連同光速同絕對(duì)電磁單位制的關(guān)系，以及折射率同介電常數(shù)的關(guān)系，反射系數(shù)與金屬體的傳導(dǎo)率之間的定性關(guān)系……這一切如同一種啟示。

——愛(ài)因斯坦

如果要求愛(ài)因斯坦說(shuō)人話。。。大致是這樣的：

我們知道，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是兩個(gè)基本物理的概念，關(guān)于“場(chǎng)”究竟是什么，每個(gè)人初中物理都學(xué)過(guò)，但是可能很難直觀想象。

我們初中物理都學(xué)習(xí)過(guò)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是可以在一定條件下互相轉(zhuǎn)換的，運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)。

等到了高等物理，我們就不在只局限的說(shuō)是“運(yùn)動(dòng)”的電場(chǎng)或磁場(chǎng)，而是更加廣義的去定義為“時(shí)變”電場(chǎng)和“時(shí)變”磁場(chǎng)。

麥克斯韋方程組分為四個(gè)方程（如下圖），他們分別說(shuō)明了四個(gè)問(wèn)題：

1) 電場(chǎng)是怎么產(chǎn)生的（我們都知道電場(chǎng)是電荷產(chǎn)生的，所以也可以說(shuō)電場(chǎng)是如何由電荷而產(chǎn)生的）。

2) 磁場(chǎng)是什么？（其實(shí)就是證明了磁場(chǎng)的兩極性，不存在磁單極子）

3) 時(shí)變得電場(chǎng)是如何轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)的

4) 時(shí)變得磁場(chǎng)是如何轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)的

洛倫茲變換

洛倫茲

荷蘭物理學(xué)家洛倫茲是個(gè)數(shù)學(xué)上很牛很牛的人，他的洛倫茲變換是關(guān)于不同慣性系之間物理事件時(shí)空坐標(biāo)變換的基本關(guān)系式。

“

按照洛倫茲的看法，電磁場(chǎng)由那些位于物質(zhì)粒子的電荷的位置和速度產(chǎn)生，場(chǎng)又以力作用在粒子的電荷上，而且按照牛頓運(yùn)動(dòng)定律決定粒子的運(yùn)動(dòng)。如果人們把這同牛頓體系做比較，那么其變化在于：超距作用力由場(chǎng)代替，而場(chǎng)同時(shí)也描述輻射。引力通常是由于它相對(duì)地說(shuō)來(lái)比較小而不予考慮；但是，通過(guò)充實(shí)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，或者擴(kuò)充麥克斯韋場(chǎng)定律，總有可能考慮到引力。

——愛(ài)因斯坦

繼續(xù)要求愛(ài)因斯坦說(shuō)人話。。。

你可以這樣理解當(dāng)我們觀測(cè)到某個(gè)物理現(xiàn)象，一般是怎么表達(dá)的呢？我們會(huì)把它描述成一個(gè)公式或者方程。但是不同的觀測(cè)者的角度是不同的，你看到這個(gè)物理現(xiàn)象的時(shí)候你把它用一個(gè)方程表達(dá)出來(lái)，但是如果是我看到的時(shí)候，這個(gè)方程也許并不適用了，我用來(lái)表達(dá)這個(gè)物理現(xiàn)象用的另一個(gè)方程。

為什么你我用來(lái)描述這個(gè)物理現(xiàn)象的方程不是一樣的呢？這是因?yàn)槟愫臀抑g不在同一個(gè)觀測(cè)角度，物理學(xué)上說(shuō)你和我不在同一個(gè)慣性系里。那么在你的慣性系里用來(lái)表達(dá)這個(gè)物理現(xiàn)象的方程，如何能直接轉(zhuǎn)換為在我的慣性系里對(duì)這個(gè)物理現(xiàn)象的表達(dá)方程呢？這個(gè)公式就叫做洛倫茲變換。

洛倫茲變換公式

舉個(gè)例子：如果你站在馬路邊，看到一輛汽車車以v＝60km／h向東駛?cè)?，那么你這個(gè)公式就是v＝60km／h，這是你的慣性系下。此時(shí)我正在騎著自行車，以v＝20km／h向東駛?cè)?，那么我看到的汽車行駛公式就是v＝40km／h，因?yàn)檫@個(gè)觀測(cè)是在我的慣性系里。從你的慣性系里的公式變幻到我的慣性系里，這個(gè)就是洛倫茲變換。

前面說(shuō)到洛倫茲是數(shù)學(xué)大牛，于是最初的洛倫茲變換被定位為數(shù)學(xué)上的輔助手段，并不包含相對(duì)論的時(shí)空觀。而愛(ài)因斯坦與洛倫茲不同（據(jù)說(shuō)愛(ài)因斯坦的數(shù)學(xué)能力在科學(xué)家領(lǐng)域內(nèi)真的不敢恭維），他著眼于賦予洛倫茲變換以嶄新的物理內(nèi)容，于是他重新修改了運(yùn)動(dòng)、時(shí)間、空間等基本概念，導(dǎo)出了不一樣的洛倫茲變換。

狹義相對(duì)論中同時(shí)性的相對(duì)性、長(zhǎng)度收縮、時(shí)間延緩、速度變換公式、相對(duì)論多普勒效應(yīng)等都可以通過(guò)洛倫茲變換公式直接得出——狹義相對(duì)論從此走上了順風(fēng)順?biāo)牡缆贰?/p>

時(shí)空煥發(fā)新生命

愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)存在的空間，不是平坦的歐幾里得空間，而是彎曲的黎曼空間；空間的彎曲程度取決于物質(zhì)的質(zhì)量及其分布狀況，空間曲率就體現(xiàn)為引力場(chǎng)的強(qiáng)度。

“

關(guān)于彎曲時(shí)空的新理論叫做‘廣義相對(duì)論’，以與原先不包含重力的‘狹義相對(duì)論’相區(qū)別。1919年，人們以頗為壯觀的形式證明了“廣義相對(duì)論”：一支英國(guó)科學(xué)考察隊(duì)遠(yuǎn)征西非，在日食期間觀察到了太陽(yáng)附近一顆恒星位置的微小移動(dòng)。這證實(shí)了愛(ài)因斯坦的論斷，恒星發(fā)出的光線在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，由于引力而彎曲了。這此證明是在公元前300年歐幾里得《幾何原本》之后，人類認(rèn)識(shí)宇宙的最大革新。

——霍金

所以，你大致了解什么是相對(duì)論了么？

其實(shí)，介紹《相對(duì)論》對(duì)誰(shuí)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閻?ài)因斯坦曾經(jīng)不無(wú)自豪地說(shuō)過(guò)：世界上可能只有12個(gè)人能夠看懂《相對(duì)論》。。。

但這絲毫不影響人們對(duì)此著作的追捧！不過(guò)，也許追捧的不是理論本身（別裝了你能看懂《進(jìn)化論》已經(jīng)是極限了），而是——它的高逼格（蘋(píng)果為何從樹(shù)上掉下來(lái)和比薩斜塔上的鐵球?qū)嶒?yàn)都感覺(jué)弱爆了）。

愛(ài)因斯坦給自己的偶像卓別林寫(xiě)過(guò)一封信，信上說(shuō)：“你的電影《摩登時(shí)代》，世界上每一個(gè)人都能看懂。你一定會(huì)成為一個(gè)偉人。”卓別林在回信中寫(xiě)道：“我更加欽佩你。你的相對(duì)論世界上沒(méi)有人能弄懂，但是你已經(jīng)成為一個(gè)偉人?！?/p>

卓別林與愛(ài)因斯坦

所以，懂不懂的也許真的不重要。。。。。。

盡管《相對(duì)論》中的那些干貨（公式和方程的推導(dǎo)）能妥妥地甩我們好幾個(gè)愛(ài)因斯坦的距離，但看過(guò)后起碼還能讓你認(rèn)識(shí)到自己的渺?。o(wú)論是相對(duì)于宇宙的質(zhì)量還是相對(duì)于愛(ài)因斯坦的腦量），讓你不再為了屁大點(diǎn)事而抓心撓肝。

Ps: 抓心撓肝看完《相對(duì)論》的九妹我?guī)捉?jīng)嘗試與愛(ài)因斯坦的腦容量無(wú)限接近～結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

是不可能的！