0 引言
前一段惊闻霍金先生去世的消息，悲伤遗憾之余突然回想起了那本封藏已久的《时间简史》和中学时代那个因为考试压力戛然而止的物理梦。牛顿、爱因斯坦等等，那些伟大的科学家虽其人与骨皆已朽矣，但其言在耳，老子说过，“死而不亡者寿。”他们才是真正长寿的人。
我们中学时期的物理，其实已经是400年前的旧知识了，而且在100年前就已经被证明有致命缺陷，现在最前沿的物理理论是相对论和量子论，但经典物理符合我们生活中的经验，所以依然被大众所信奉。我相信许多人像我一样并不满足于眼前，希望看到更大的世界，庄子说过，“技近乎道”，意思就是磨炼纯熟的技艺以从中悟道，就像茶道、武道，对于我们，当然是以追寻科学更深层次的真相悟道。
霍金先生说过，多一个公式，少一半读者。我觉得，如果不能感性地理解一个公式，不管数学上推导得再流畅，它也是是死知识，无法真正地掌握；相反如果从感性上理解了它，有兴趣的读者自然会追求数学上的更深刻的理解。本文写给那些没有掌握理论物理的数学工具又希望从一般科学和哲学角度理解相对论的读者，虽然篇幅不长，但是读者仍需付出耐心和毅力去接受一种全新的世界观。作者将会用最简单的推导，为读者带来一个接地气的相对论时空图景。
1 经典物理的绝对时空观
什么是绝对时空观呢？牛顿会告诉你，时间和空间是绝对的，不随物体的运动状态改变而改变。打个比方，我们的世界就像一个大舞台（空间），而我们就在其中随着均匀流逝的时间即兴表演（物体运动）。在牛顿力学中，时空是一个平淡无奇的舞台，因为时间就是均匀的流逝，空间就是均匀的绵延。无论物质有多少、怎么运动，对这个舞台都没有影响。如果我们需要描述天体的运动，比如描述地球的运动速度，就需要以宇宙为参照系，从而得出物体的速度。牛顿的经典物理学认为，宇宙这个舞台就是一个处于最高地位的参照系，可以衡量万物的绝对运动状态，这个处于最高地位的“超级参照系”被“以太”充满着。
1900年开尔文爵士曾经作了一个满怀激情的演讲，全面总结了经典物理学的成就，并对下个世纪的物理学家们表示遗憾，他说：经典物理学的大厦已经耸立起来，下个世纪的物理学家能做的无非是些修修补补的工作，也就是给那些已知的物理学参数多添几位有效数字罢了。接下来开尔文话锋一转，说，经典物理学大厦上空还飘着两朵乌云，如果不赶紧解决怕会对大厦产生影响。开尔文不愧是老马识途，后来这两朵乌云后来果然形成了暴风骤雨，把经典物理学大厦击得粉碎，其中一朵乌云就是迈克逊——莫雷实验的零结果。
当时已经测量出地球上光速为c，人们就想：可以用已知的光速c证实宇宙中绝对空间的存在啊！人们就想到了这样一个方法：如果在地球赤道上测量光速，由于地球的自转，那么沿赤道方向和垂直赤道方向的光速应该是不同的，分别为c和c-v。容易理解，这就是绝对空间中速度的简单叠加，也和人们的经验相符。
于是人们开始寻找赤道附近两个方向上光速的差异，随着精密测量仪器的发展，直到1887年，迈克逊发明了高精度的光干涉仪。这台干涉仪精度非常高，高到什么程度呢？假如一棵树一年生长一米，那么迈克逊干涉仪能分辨出它一秒钟的生长量，可以称为当时世界上精度最高的仪器了。
于是迈克逊和莫雷设计了一个实验，就是著名的迈克逊——莫雷实验。根据光干涉原理，实验预测，两束速度不同的光会引起光程差，会出现干涉条纹，而且如果旋转装置改变两条光路的方向，随着光程差的变化，那么条纹将会发生移动。
有趣的是，设计迈克逊——莫雷实验的初衷是想证明绝对空间的存在，但却产生了完全相反的实验结果，不论怎么测量，尽管排除了一切干扰，屏幕上还是没有任何条纹出现。科学界顿时炸了锅，这怎么可能呢，两侧光速怎么可能没有差别呢？！也有人做出了一些牵强的解释，但都无法完美地站住脚，然后各路学说并起，争论不休，这种混乱将持续18年。
2 爱因斯坦之梦
在开尔文沉醉于经典物理学的成就时，一个思想天马行空的少年也在悄悄长大。爱因斯坦回忆说：“我16岁时候就有一个梦，如果我和光一起朝前跑，会看到什么。”就像一个艺术家在想象一样。我们对科学的印象都是严谨的刻板的，梦这个字几乎不会从一个科学家口中说出来，但是爱因斯坦却可以像艺术家一样去思考，批判不盲从又独具慧眼。当时的时代，不乏懂得高深理论的学者，比如庞加莱，和他们相比爱因斯坦好像一个业余科学家一样，但唯独爱因斯坦能用高中数学为世界展开一幅狭义相对论的图景。一切的一切源于一个梦，那是一个什么样的梦呢？就让我们进入其中看一看。
爱因斯坦在梦中坐上一列火车，驶离一座灯塔，灯塔的钟和爱因斯坦的手表已精准对时，为中午12点。火车以v=5km/s向前走，爱因斯坦看了看自己的手表，秒针滴答滴答时间一秒一秒均匀地流逝着；再看看灯塔的钟，它的秒针也一下一下地转动着，以同样的速度。请注意，灯塔12点这个信号到达爱因斯坦的眼睛是需要时间的，因为光信号的传播速度也是c，根据牛顿的绝对时空原理，这个光信号相对于爱因斯坦的速度为c-v，但是v比c小很多，12点这个光信号传到爱因斯坦眼睛里依然基本不需要时间。
这时，火车以光速向前走，爱因斯坦看看手表，时间依然一分一秒地流逝着；但再抬头看灯塔的时候，惊奇地发现灯塔的钟停在12点整不动了！因为他自己以光速向前跑，根据绝对时空的原理，他们两者间的相对速度c-c=0，12点那个信号将永远追在他身后，也就是说，以爱因斯坦自己为参照系的时候，相对于爱因斯坦以光速后退的那个参照系的时间静止了！有人会说，爱因斯坦仅仅是看不见灯塔的时间而已，怎么能说时间静止了呢？这是一个混淆了参照系的典型误区，我们已经习惯了站在地球上的那个观察角度，对于我们时间当然还是一分一秒均匀地流逝着，而我们去观察爱因斯坦的手表，发现它也永远地停在了12点，相对于我们运动的爱因斯坦的那个时间也凝滞了。
这时候爱因斯坦猛然意识到，时空怎么可能是绝对的呢？由绝对的空间推出了一个对不同观察者不一样的时间，绝对时空根本无法自洽（自圆其说）！仅仅是一个简单的逻辑实验，那个16岁的爱因斯坦已经在怀疑时间的绝对性了。狭义相对论真的不难，只要你敢于想象，敢于跳出固步自封的视角，任由逻辑把你带到一个多么令你惊讶的时空当中去，也许它在你的舒适圈之外，刚开始接受起来比较困难，但是不要排斥，你会发现你在走向一片更广阔的天地，这在生活中同样适用。
2.1 爱因斯坦奇迹年
1905年，后世物理学家称为“爱因斯坦奇迹年”，博士毕业的爱因斯坦没找到工作，于是开始发论文，当时的爱因斯坦还是无名小卒。5篇论文在1905年一块问世，爱因斯坦在论文中详细阐述了狭义相对论的图景，时间不再是绝对的，每个人的时间将不同；空间也不是绝对的，而是可以被扭曲。因为相对论和人们感官感受到的世界大不相同，所以刚提出时不能被大众所接受。说件有意思的事，相对论的拥护者天文学家爱丁顿教授有一次作报告，讲述相对论的时空图景，讲座结束后，一个教授过来问他说：相对论是如此的晦涩难懂，图景是如此的不清楚，听说世界上只有3个人懂相对论，是真的吗？爱丁顿沉默不语。那人又问，教授你在想什么？爱丁顿也是个很幽默的人，他回答说：我在想那第三个人是谁。
并不是相对论真的太难，而是当时的人不愿意去相信，后来随着相对论一次又一次被证实，越来越多的人接受了它。
爱因斯坦在论文中唯一感谢的人是贝索，贝索鼓励他去怀疑时间的绝对性——这是一件从来没有人敢尝试的事。爱因斯坦顿时豁然开朗，一旦破开了这个框框，建立起狭义相对论就是几周的事。
2.2 狭义相对论
2.2.1 时间膨胀
要解释狭义相对论，不能不提它的两条前提假设，虽然假设很简单，但是它将把我们带入一个令人诧异的时空当中去。读者朋友们，相对论的奇妙之旅正式开始。
前提假设之一：光速不变原理。这是迈克逊——莫雷实验告诉我们的事实。前提假设之二：相对性原理。就是说不同的参照系中物理定律都相同，你在运动的火车上测出的重力加速度依然是g。
实验证明光速在任何惯性系中都有相同的速率，但这个定律和我们的日常生活是有尖锐矛盾的，下面我们通过例子来详细体会一下这种矛盾到底尖锐到什么程度。
我们设想一个场景：A和B两个人，A静止在地面上，A用一把枪瞄准B开了一枪，B在子弹出膛的瞬间以一个恒定的速度逃跑。我们知道，如果B逃跑的速度非常快，要是和子弹速度一样的话，子弹是追不上B的。
现在这个例子中，我们假定A开的是激光枪，射出的不是子弹，而是一束激光。再假定B逃跑的速度十分接近光速，那么在地面上的A看来，在一段时间内，激光和B由于速度十分相近，所以激光慢慢地接近B，而追上B则会花大量的时间。
而在B看来会怎么样？B也是一个惯性系，而光速不变原理指出，激光在惯性系B里也是以光速前进的，所以B会惊恐地发现，激光在极短的时间内就击中了他不管他跑得多快。
如果仔细对比A和B这两人对同一个过程（A向B射击激光束，最后B被激光束击中）的观察，会发现俩人的看法具有很大的差异，在这里的巨大差异体现在两人对激光自射出枪膛到击中B所用的时间是完全不同的：A发现激光束击中B发生在激光束被射出后的很长的一段时间后（比如1小时之后），而B却发现激光束自被射出到射中自己，花了连1微秒都不到的时间。这是多么不可思议的事情！对于同一个过程，两个处在不同运动状态的观察者，居然会有截然不同的描述。
在A等待B被射中的这一个小时中，A将惊奇的发现B的动作是如此的缓慢（但是移动速度还是接近光速），每一个动作都像做了几亿倍的慢放一样，手表上的指针也移动的极其缓慢好像凝滞了一样。也就是说A发现B惯性系中的时间，走得比自己的要慢，B系的时间就好像“膨胀”了一样。如果你坐上爱因斯坦的火车，你会惊奇的看到外面的时间好像凝滞了，就像被“定格”的照片一样。
狭义相对论对时间有一个基本洞识：时间不是绝对的，也不是抽象的，是可以被测量的。宇宙中并没有一个“适普时间”，只有被某个观察者测量到的时间。
这在我们日常经验中极为不可思议，然而光速不变原理指出，事情就是这样的。迈克逊——莫雷实验意味着光速不变，意味着牛顿力学中的那一套：时间均匀，空间均匀，不能成立了。也就是说，牛顿的那套时空关系，与光速不变原理是你死我活地彻底对立。
说到时间膨胀的概念，不能不提的是双生子佯谬：一对双胞胎兄弟，A乘飞船遨游太空，B待在地球上，多年以后A回来，发现B已经是一个老头了，而自己只是老了几岁。根据速度的相对性，相对于A，B是高速远离的；相对于B，A也是高速远离的，那么是不是A和B都觉得对方比自己年轻呢？这是郎之万质疑爱因斯坦的一个问题。其实他忽略了一点，如果B要回来，势必要有一个返回的过程。以A的飞船为参照系，在A高速远离时，他觉得B一直很年轻；而在返回时，B却迅速衰老。实际上美国海军天文台1971年做过一个实验，他们把四台铯原子钟装上飞机从华盛顿出发，分别向东和向西作环球飞行。结果发现，向东飞行的铯钟与停放在该天文台的铯钟之间读数相差59纳秒，向西飞行时，这一差值为273纳秒。虽然在这次试验中没有扣除地球引力所造成的影响，但测量结果表明，时间膨胀确实是存在的，双生子佯谬确实不成立。
2.2.2 同时性的相对性
现在你们是否对时间的绝对性产生了怀疑呢？再想象有一列停在铁轨上的很长的火车，车厢的中点处有一个发光脉冲，火车尾和火车头分别有A和B两个接收器，它们收到光信号就会发出“叮”的声音。当火车静止在铁轨上，打开发光器，因为A和B同时接受到了光信号，站在车厢中点的你和窗外同样位置的观察者将只能听到一声“叮”的声音。如果火车是运动中的，由于光速不变原理，对于火车这个参照系，光脉冲传向A和B的速度依然是c，车内的你依然只能听到一声响；对于窗外车厢中点处的观察者，光脉冲也以c向A和B传播过去，但是这里有一个很关键的问题：A和B还是静止的吗？
在窗外的观察者看来，虽然发光器发出的脉冲依然以速度c向两边传播开去，但A和B都在以速度v向前走。那么A处的接收器将先响，B再响，观察者将听到“叮”“叮”的两声，即在地面参照系看来，两事件不再是同时发生。
也有一些有心的朋友会问，c+v岂不是超过光速了？在这里我们只是定性地分析一下同时性的相对性，这个问题之后会详说。
没有参照的时间是没有意义的，宇宙不存在“适普时间”。读者朋友们是否理解这句话的含义呢？
2.2.3 洛伦兹变换
一个新理论，如果没有定量的分析，也只是在讲一个不真实的“梦境”罢了。就像一个16岁少年的梦，看似奇幻但虚无缥缈，拿它来解释现实更好像是玄学一样。已经征伪的牛顿时空还有定量的实验数据来支撑呢，如果说牛顿错了，那么新的时空关系又是什么呢？
新的时空关系就是洛伦兹方程组。
我们看下面这个例子：在一个地面上竖着放着一个手电筒，地面上方有一个水平放置的镜子。在某一时刻打开手电筒，光束从手电筒出发，到达镜子后反射，最后回到手电筒。整个过程中，光束的运动轨迹位于同一直线上。这个过程很清晰，但我们要指出的是，这是一个站在地面上与手电筒相对静止的观察者的观察结果。
如果有一个以一定速度向左边运动的观察者，他会发现什么呢？他会发现，地面、手电筒和镜子全部以一个速度向右边运动，手电筒发射出去的光线也同样有一个向右边的运动分量。最终这束光线的运动轨迹形成一个三角形，如下图①②③④。
仔细观察①②③④这个过程，会很有意思的。在这里还是运用光速不变原理，也就是说，在一个运动观察者眼里，走三角形长边轨迹的光束，其速度还是光速。想一想，在地面静止观察者眼里，垂直上下的光线速度是光速c；在运动观察者眼里，多了一个水平分量后的光的“合速度”，还是光速c，速度分解后垂直的速度，显然比光速c要小一些！产生这个奇怪现象的原因是什么？就是“时间膨胀”：向左运动的观察者发现，地面惯性系的时间走得慢了，观察光线在垂直方面的速度好像也变慢了。
现在来定量地看看，这其中的一系列因素之间的关系是什么。在这里设A系中光线从手电筒到达镜子经过了Δt时间，在B系中光线从手电筒到达镜子经过了Δt’ 时间。
根据勾股定理我们有：
整理后得：
如果我们设手电筒射出光线的时刻为0时刻，则△就可以去掉了：
这就是一个关于两个惯性系中各自时间的变换公式。根据这个求出的变换公式，可以保证光速在两个惯性系中保持同一个恒定的数值c。很显然，这就是一个符合光速不变原理的关于时间的变换公式。
让我们仔细看看这个公式。Δt指的是地面观察者所计量的光束从手电筒到镜子这个过程所花费的时间；Δt’是向左运动观察者所计量的这个过程的时间。等号右边分母的值永远是一个小于1的正数，所以等号右边的数值总比t要来得大。这意味着的相同一个过程，运动观察者对一个静止过程的时间计数，总比地面的观察者对这个过程的时间计数要大，也就是运动观察者的时间膨胀了。
从这个推导过程可以看出，为了满足光速不变这个事实，我们必须抛弃原来的那种时间观念。原来我们总认为，时间与空间距离是没有关系的，对时间的测量都是可以保证统一（这个我们称之为“绝对时间观”）。但现在看来，这个结论无法保证光速不变，只有改变我们对绝对时间的观念，才能保证光速不变。
好，现在我们继续看看空间距离会不会也有这样的变换？
这里我们不能使用米尺测量长度，因为米尺的长度会随着空间变化而变化。我们假设一列火车相对于地面以速度v向前走，那么对于火车上的人来说，火车的速度将会-v（数值相等，方向相反）向前走。我们在火车经过的方向上设立一个地面静止观察者，在物体的前端到达观察者的时候，观察者按下秒表，秒表开始计数。在这个火车的尾端到达观察者的时候，观察者再次按下秒表停止计数。这样我们就得到了火车经过观察者所需要的时间。把这个时间乘以这个火车速度v，就得到了这个物体的长度。这时候，火车上的观察者也可以根据地面观察者到达车头和车尾分别计时，以此来乘以速度来得到火车长度。
按照牛顿时空观，这两种方法测量出来的长度应该完全相同。然而，如果用满足光速不变的新的时空关系来看，地面观察者的时间，和火车上的观察者的时间是不同的，这两个长度一定不同。
我们设以地面为参照系的时候，火车的头、尾相继经过地面观察者的时刻差为Δt。那么地面观察者得到该火车的长度就是l=v×Δt。可是火车上的时间变慢了，这段过程对应的时间间隔，在火车上是Δt’，并满足Δt’=γ×Δt的关系，其中γ=1/√(1-v2/c2)（为洛伦兹因子）。也就是说，火车上的观察者所测量到的该物体的长度l’=v×Δt’=v×γ×Δt，总比地面观察者测量的长度要大一些。也就是说，地面上测量到的运动中的火车长度，总比该火车静止时所测量到的长度要短一些。总结这个结论，就有：测量相对运动物体的长度，总比测量相对静止的该物体的长度要短一些。
如果你的火车加速到接近光速你将看到空间是什么样的呢？因为在运动方向上空间收缩，垂直运动方向上空间不变，所以这势必引起空间的扭曲，由于运动方向上空间收缩，所以远景被拉前了，你可能会看到一个物体被遮挡的其他侧面；如果火车继续加速到光速，整个空间将收缩为一个两维平面，景深将不复存在，你可以看到一个物体的所有侧面。这会是一个多么令人震撼的场景！
比较敏锐的读者可能已经发现，时间的膨胀必然引起空间长度的收缩，空间必定与时间有关，这就是题目所说的“时空观”。
各位读者朋友被相对论震撼了吗？我当时在心里不知感叹过多少句：Unbelievable ! 如果没有上面的论证，时间膨胀，尺度收缩，你会相信吗？科学就是论证过的玄学啊！
2.2.4 “超光速”与斐索实验
物体能超光速吗？根据洛伦兹方程，如果物体超过光速，根号下将变成一个负数，从数学上看超光速后式子将没有意义。在物理上看，如果我在一辆接近光速运动的火车上再以接近光速向前跑，我是不是就超光速了？
物理学家菲索做过一个实验，光以速度w在静止的液体中传播，现在如果液体以速度v流动，对于静止的观察者，光速变成了多少？
我们就需要从洛伦兹变换的角度定量地解释。对于流动的液体：
x丿=wt丿
将洛伦兹方程中的x丿和t丿代入，得到：
U=（v+w）/（1+vw/c2）
有兴趣的朋友可以计算一下，只要v或w中有一个是c，U就一定是c，所以相对论的时空观是不可能超光速的。
既然不可以超光速，那么达到光速可以吗？根据狭义相对论的质速关系，物体速度越高其惯性质量就会越大，物体速度无限接近光速的时候它的质量将会变得无穷大，根据F=ma，加速它将会消耗无穷大的能量，这种推理已经在高能粒子加速器上得到了证实，加速器可以把粒子加速到光速的99.99%，接着不论再加多少能量上去，速度也不会再提高。
前面已经说过如果你站在光速的火车上，你的世界将收缩到二维。那么换个角度考虑，静止的人看你将会看到什么？我有一个大胆地猜想：由于长度收缩效应，你的飞船看起来越来越短，像被挤扁了一样；当你达到光速时，好像就从空中消失了，对于外面世界来说，你的时间将停滞，你可以旅行到任意远的未来，哪怕直到世界尽头。
2.3 广义相对论
狭义相对论并不高深，它重在启发我们的想象力。如果狭义相对论能用高中物理简单证明，那么广义相对论就必须用到一些非常专业的数学知识，从狭义到广义，爱因斯坦在一些非常著名的数学家的帮助下也用了十一年时间。作者在查阅资料时，也是经历了从科普帖到小论文再到专著的过程，越发发现广义相对论是一门极深的学问，它牵扯了太多的数学计算，什么闵可夫斯基的四维空间，非欧空间，场论等等，令人望而却步。看了那么多方程和符号非理论物理专业的作者都快弃疗了……看来方程不光能吓走读者还能吓走作者啊，霍金先生诚不欺我（笑哭脸）。本文的目的是引起业余读者对科学的兴趣，所以打算形象地帮助大家理解一些概念和物理过程，体会一下复杂方程背后物理学家们天才的想象力和创造力。
2.3.1 狭义相对论面临的问题
狭义相对论貌似可以自圆其说，可是很快，爱因斯坦便认识到自己的狭义相对论存在问题，而且是很严重的问题。他的理论面临着两个严重的困难：一个是“惯性系为何如此特殊”：我们上述的推导都依赖一个刚性的铁轨和匀速的特殊环境里，那么对于一个“软体”的铁轨和变速参照系还适用吗？另一个是“万有引力定律不能写成洛伦兹协变的形式”，即狭义相对论不能解释已经有很多实验支撑的万有引力。
2.2节推导狭义相对论时，我们一直假设火车是以接近光速匀速行驶，而且作为参照物的铁轨是刚性的，是独立于火车的一种衡量标准，它不会受火车的运动状态影响而突然变形或随机移动。由此可见，狭义相对论并没有抛弃掉经典力学关于刚性参照物的概念。所以狭义相对论描述的是一种极端情况：“孤立”的质点（相对于刚性参照物）做匀速直线运动。
2.3.2 等效性原理
这种极端的情况显然不完美，于是诞生了广义相对论。本节将用广义相对论的等效性原理解释刚性参照物在引力场中为何会失效。
想象太空中有一个电梯，电梯以加速度g向上加速运动，站在其中的你完全可以认为自己是在地球上，因为你体验到的重力都是一样的。在牛顿力学中，这两种情况截然不同：在太空中加速，你体验到的叫惯性质量；在地球上静止，你体验到的叫引力质量。虽然你感觉并没有什么不同。爱因斯坦思考这种现象，他大胆假设：惯性质量等于引力质量。我们称这个假设为等效性原理。
我们再想象一个飞速转动的大圆盘，一个人坐在圆盘上，如果他手里有一块钟和一个量杆，根据我们在狭义相对论中的推理，运动中的钟将变慢量杆将变短。根据等效性原理，如果他忽视掉视觉上的那种转动感，他就不能分辨出到底是自己所坐的参照物在转动还是外部存在一个恒定的引力场在吸引自己。因为在广义相对论中这两种解释等效，所以我们完全可以认为发生的是第二种情况：钟变慢了，量杆变短了是由于引力场，时间膨胀、尺度收缩等效应也可以在引力场中产生。这也是证实过的，并在现实中应用了，如果GPS不考虑地球引力场效应，定位会和实际相差几公里。
2.3.3 广义相对性原理
因为钟的运转也受到引力场的影响，所以直接借助于钟而作出的物理时间定义根本达不到狭义相对论中的那种合理性。爱因斯坦想，既然引力场里不存在刚性参照物，那么不妨就使用非刚性参照物，它们不仅可以整个做任意运动，甚至可以在运动中发生任意形变；钟来定义时间，哪怕它时快时慢。我们不妨把这种参照物称为“软体不规则参照物”，爱因斯坦假设，即使“软体不规则”参照物的状态复杂无规律，但是现有物理定律在其中依然有相同的数学形式（或者简单理解为相同）。我们称这个假设为广义相对性原理。
广义相对论的威力就表现在它对外界几乎没什么特殊条件限制，不需要匀速，不需要非得刚性，只要你的运动是连续的随你怎么变，这种适普性也可以看出爱因斯坦对自己理论十分自信：任你千变万化，我自岿然不动。
这两节阐述广义相对论的基本原理，不学理科的读者可能会觉得晦涩拗口，作者也是多次修改这两节内容，但是要想严谨就必定会多一些冗长的定义和严格的限定，就像天平的两端各有利弊，以作者目前的能力还不能把它通俗成白话文的形式。其实我们只是从感性角度了解了一下，非常地不严谨；但是如果从数学角度讲，将牵扯大量的数学推导，对于我们更是天书了。好在这部分终于说完了，读者朋友们打起精神来，下面要说些有趣的东西了（滑稽脸）。
2.3.4 引力场的实质——时空弯曲
我们已经知道了等效性原理，并用实验证实了它。那么有人想过为什么惯性质量等于引力质量呢？它的理论解释是什么？卓越的科学家总有一种一问到底的精神，总能注意到常人忽视的问题，正是他们解决了这些“奇怪的问题”，才促成了那些惊人的发现。
物体在高速情况下时空发生扭曲，而大质量天体的引力场中的时空也发生了扭曲，难道让时空扭曲的只是速度和质量吗，还是说它们只是更深层东西的不同表现形式？速度对应动能，质量对应质能，反应快的读者已经发现了，它们的共同点都是“能量”！想象二维时空是一张平坦的“膜”，巨大的能量压在其上造成了时空的弯曲。就像沙发上坐了一个大胖子，沙发一下就陷进去了，周围的人都向他滑过去。扭曲的时空中两点之间依然直线最短吗？我们在二维的“膜”上观察，由于“膜”上各处曲率的不同，有可能凹凸的非常深，所以其中两点间最短的距离就不一定是直线了。可以看出，不平坦的空间中经典几何欧几里得的那一套已经不成立了，你甚至可以在一个球面上画出三个角都是直角的三角形。由于能量扭曲了时空，真正的时空图景是所谓的“非欧空间”，能量改变了时空的几何形式和曲率，使天体间好像相互“吸引”一样。
在之前的叙述中我一直用“引力场”而不是“引力”，牛顿所说的引力是两个物体间点对点的一种“力”，而引力场是每个单个物体在时空中激发的一种“场”，类似于电场、磁场。
接下来我们谈一谈这种场的一个效应：“引力透镜”效应。由于引力场周围时空扭曲，所以光这种没有质量的物质也会发生偏折，它将产生类似于凸透镜的效果：光线被汇聚。
这一预言后来被天文学家观测到，有“5个”星系团光谱分布和谱线红移量完全相同（即特征完全相同），说明这“5个”星团其实是同一团星系，这幅景象被称为“爱因斯坦十字架”，引力场的概念得到了验证。
想必读者们已经清楚了引力场的概念，让我们再想象一张拉平的膜，上面放一个又小又重的小球，床单立刻被压得陷下去了。小球的质量逐渐加大，陷的也越来越深，那么当它的质量非常大的时候会发生什么？对，小球被“兜住”了，它被封闭起来了，它所包裹的物质再也无法逃出，哪怕是光！这就是广义相对论预言的黑洞。根据广义相对论的计算，如果太阳半径被压缩到3km，可以形成黑洞；而地球呢，则需要被压缩至3cm，想象一下，这将是多么高的密度。
2.3.5 时空的涟漪——引力波
引力波是广义相对论的又一个重要预言，它在公众的心中一直都很神秘，直到2016年才被清晰地观测到。我们平时观察到的物质运动，都是发生在时空之中的。我们已经解释过，物质是演员，时空是这些演员表演的舞台。普通的波，例如水波、声波、电磁波，都是演员在运动，舞台不动。而引力波，是舞台本身的运动，是时空在动。所以在许多报道中，把引力波称为“时空的涟漪”。
在牛顿力学中，时空是一个平淡无奇的舞台，因为时间就是均匀的流逝，空间就是均匀的绵延。无论物质有多少、怎么运动，对这个舞台都没有影响，所以不可能有波动。
在广义相对论中，不同地方的时空可以具有不同的曲率，所以说时空有了“结构”。既然有了结构，自然就可以波动了。引力波的实际效果，是使时空在某一个方向压缩，这种压缩在另一个方向上反弹，再引起时空下一处压缩，以此往复引力波就这么传播开去了。就像武侠电影特效一样，挥出的拳头自带波动效果！就像你一拳打在一块巨大的皮冻上，在你击打的一瞬间皮冻因受到冲击而“颤动”，然后这种“颤动”像波一样迅速传播开去。皮冻就好比我们的空间，那个击打的力就像一个加速的引力场。实际上，根据广义相对论，引力波应该是一种极其常见的现象，任何非球对称物体的加速都会产生引力波，只不过一般能量太小太小无法被探测到。
图为两个黑洞旋转着靠近时的照片和产生的引力波的想象图。
2.3.6 广义相对论的三大验证
一套的理论想要站住脚必定是要经过实验检验的，于是广义相对论做出了三大预言，供科学家们去检验。
第一个是太阳附件光线的偏折，类似于“引力透镜”效应。1919年，根据英国皇家天文学会的测量，日食照片与标准照片偏差了一个毫米的百分之几，虽然肉眼不可分辨，但事实证明它确实发生了。
第二个是关于水星轨道近日点的进动。根据牛顿的理论，水星的轨道应该是完美的椭圆形，太阳位于其一个焦点上。但事实上水星轨道的长轴是转动的，这种转动被称为“进动”，根据广义相对论的计算，这个转动对水星来说应该为每世纪43弧秒。对于我们太阳系其他行星而言，这种转动也存在，但是必定太小无法观测。43弧秒是什么概念呢？1弧秒就是3600分之一弧度，按照360度为一周计算，就是0.01592度，那么43弧秒就是0.68456度，广义相对论的计算完美地验证了观测结果。
第三个是光谱线的红移。什么是光谱线呢？光谱线是均匀连续光谱中的暗线或亮线，光谱线通常用于从其特征谱线鉴定原子和分子。因为由于电子云中的电子在环绕原子核时，只能受限拥有特定的能量，所以一旦电子能量有变化，此能量差就会产生该原子特有频率的光子。简单说就是每种物质都有一个类似指纹一样的特征，就是光谱线的分布。由于引力场的作用，当光波向上行进远离地表的时候会损失一部分能量，从而波长变长，频率下降，谱线在引力场中发生红移。考虑多普勒效应，汽笛发出的声波，当汽笛朝着观察者运动时，声波被压缩，但是当汽笛朝着远离观察者的方向行驶，声波表现出红移，同样的现象也会发生在光波身上。广义相对论预言引力场中的光谱的每一条谱线都会朝红端移动一段距离（红移），即波长变长、频率降低，类似于多普勒效应。美国科学家测量了高塔的塔顶和塔底的两个辐射源的相对红移，确切地验证了引力红移的存在。在这个试验中，他们精确测定了光从塔顶传输到塔底过程中能量的微小变化，验证了这个预言。
2.4 永远的伟人
越接触物理学越是发现爱因斯坦是伟人。如果说牛顿是站在巨人肩膀（伽里略之属）上，那么爱因斯坦则是一个人从地基开始一砖一石地建造了高塔。
在漫漫的现代物理学史上，一条银河将其分成两边，爱因斯坦孤独的站在一边，其他人站在另一边。其实还不准确，应该是一堆人那一边，也得让出1/4的地盘给爱因斯坦。因为量子论那边爱因斯坦也是重要奠基人。光量子假说和光电方程这个发现对物理学的震撼程度不亚于整个相对论。普朗克只是假设能量的吸收和释放是不连续的，而爱因斯坦直接说，电磁场不仅在能量上不连续，而且本身就是粒子！普朗克只是提出了一个另类的假说，而爱因斯坦则前进了一大大大大大步，直接颠覆了整个物理学的基本观念！在当时整个物理学界完全没有这种观念（也许普朗克想到过，但他没讲出来）的情况下，爱因斯坦几乎是凭空的开创性的提出了这种看法，简直可怕。说爱因斯坦是量子力学的开创人之一不为过。也可以这么说，是爱因斯坦发明了操作系统，后人都是在这个系统里写程序。
爱因斯坦在科学体系高度发达的近代做出了颠覆性的成就，以一己之力奠定现代物理学一大半的基础，高山仰止不足以彰其尊，他就是近代物理学中的神，仿佛来自未来的人，带来太多黑科技和缥缈预言。他发光的名字将永远刻在科学史中，并列牛顿成为科学之神。
3 时间之谜
说完了相对论，这章让我们谈谈时间吧。其实时间这种话题一直是哲学范畴的讨论：我是谁，我从哪里，我到哪去。随着近代物理的发展，科学的触手已经伸向广袤的宇宙并且渐渐进入了哲学的领域。接下来我们就看一看科学框架下的时间之谜。
3.1 时间的箭头
3.1.1 热力学箭头
时间向着什么方向前进呢？按照我们的经验，判断时间流逝的第一个依据是热力学的箭头，即熵（无序度）增的方向。
什么是熵呢？熵的值代表无序的程度。比如你费尽心思在一个盒子里搭好了一片积木，有房子有小人儿，一切井然有序（熵值低）；突然来了一个熊孩子，拿着这个盒子一通乱摇，你生气地赶走了熊孩子，看见积木又散乱地堆在一块（熵值高），一下午的心血白费了。
那么热力学箭头和时间箭头又是什么联系呢？如果你观看一盘录像带，看见地上一片杯子碎片忽然集中到一起形成一个完整的杯子，然后跳回桌子上，你立刻就能肯定，这盘录像带在倒放。热力学箭头就是这样帮助我们区分过去和将来的，我们的宇宙时间箭头和熵增的方向总是相同。
3.1.2 心理学箭头
什么是心理学箭头？就是记忆的方向，它是我们的主观感觉，人们总是把记忆中的叫做过去。
但是心理学箭头真的可靠吗，事情真的是按照你以为的方式在发生吗？这显然是违背了相对论的基本精神的。你是否有过类似的经历：到了一个陌生的地方却感觉自己好像来过；处于一个场景却感觉面前的一幕似曾相识（就像电影《降临》女主那样）；有时候甚至能预感到事情的走向，我们称之为第六感。根据爱因斯坦的广义相对论，时间仅仅是空间的另一个维度，能够越过任何方向，人类对时间稳定有序地流逝的感知仅仅发生在自己的大脑里。
难道时间是人的主观幻觉吗？时间这个概念本来就是虚拟的，是用来描述一个变化的过程。有一种观点认为，在微观角度，一切都是已有原子的重新排列而已，没有什么是新的，也就没有什么是出乎意料的。这种观点的可能结果是，未来已经被书写，人类最具意义的价值（记忆）便是随着时间所产生的幻觉。
还有一种观点则认为，宇宙是静态的，没有任何东西在演化。对于一个宇宙之外的观察者来说，整个宇宙是静态的；但对于处在其中一处的某人来说，时间在流逝。20世纪80年代，加拿大物理学家将爱因斯坦的相对论方程与量子力学理论结合后，他们都惊呆了，时间因子在数学方程中被完全抵消。虽然两套法则本都独立地将时间视为表征事件的一个变量，但在将二者结合后得到的新方程中，已经没有哪个量可以标志变化或时间流逝了。
这个推演并非哗众取宠的闹剧，它已经得到了实验的部分证实。2013年有人基于量子纠缠现象（量子对间存在某种关联：一个量子状态变化会引起另一个量子同样的变化）设计了一个实验：在一个封闭的空间放入一个光子对，然后对其中的某一个进行观察，发现单个光子的相位是（随时间）变化的；再把两个光子作为整体观察它们的联合偏振，结果发现不论实验经历多长时间，两个光子总是保持完全不变的“抱团”状态。这已经说明了在量子纠缠现象中，时间是观察者主观意识的产物。
如果时间真的是主观的幻觉，一切冥冥中自有安排，那么人是否还有主观意志呢，努力改变的意义还存在吗？这似乎把我们引向了，深挖下去就太哲学了。在作者看来，凡所见闻，皆成性格，而性格又决定命运，不管未来是不是已经决定了，对于我们的主观意识而言未来仍是开放的，未知的，所以请追随你的内心，不要停下追寻一种可能的脚步。
3.2 时间旅行与虫洞
我们已经知道能量可以弯曲时空，那么当能量非常大的时候，时空是否可以弯曲到允许时间旅行呢？
旅行到未来不太难，因为理论已经证实了大质量天体表面或高速运动的物体时间进程缓慢。但是考虑到当你回到地球，发现原来的亲朋好友已经去世几百年了，这种旅行又有什么迷人之处呢？
但是旅行到过去情况就不一样了，通常的物质具有正的能量，赋予时空以正的曲率，正如一个凸出来的球面。但根据广义相对论的内容，正曲率只能让你旅行至未来；为了旅行到过去，和上面相反的，人们需要具有负能量密度的物质，负能量可以产生负的曲率，正如一个凹进去的马鞍面。
从虫洞的形态我们可以知道，一个虫洞必然有负的曲率（虫洞是凹进去的）。维持虫洞就需要大量的负的能量，否则时空就没法维持马鞍面的状态而断裂。
3.2.1 微观尺度
什么鬼，负能量？真的有这种能量吗？是真的有，不是凭空臆想的。在量子论中有一个著名的卡西米尔效应，它是这么描述的：什么都没有的真空其实充满了“虚粒子对”，他们以无中生有的方式出现，很快又重新湮灭，科学家形象地称这种现象为“真空的涟漪”。也许在人们的刻板印象中，真空不就是代表什么都没有吗？但实验证明这种“涟漪”确实存在，瑞典科学家早就在真空中利用这种性质创造了一道“闪电”。能量有点像金钱，根据原先的认识，你存了多少钱你就只能取多少钱；但是量子论慷慨些，它允许你有一张信用卡，可以小额地局部地透支，只要你能立刻还回来。换言之，量子论允许某一时刻某一处的能量为负，只要这种负可马上由其他部分的正补偿过来。
现在假设有一对距离非常近的金属板，因为距离的原因使得只有特定波长的粒子可以存在于两板之间，它有点像风琴管，只对指定音阶共鸣。如果真空真可以无中生有随机创造各种波长的虚粒子对的话，那么在金属板间“共鸣”的虚粒子一定少于外面的。因此人们可以预料，两块金属板将受到向里挤的力，实际也测量到了这种力，并且和预言的值相符。因为真空中总的能量是零，而且金属板间的能量密度低于外面，所以金属板间的能量密度必然是负的，这种效应说明在微观尺度创造负能量可行。
既然负能量确实存在，那么微观尺度的虫洞和向过去旅行很有可能存在。如果粒子回到了过去影响了过去的运动状态，那么它自己将发生怎样的变化？这又是一个科学引发的哲学思考。量子论的学者们给出了一种解释：历史选择假说。当一个粒子回到过去改变了过去的自己，那么它就不能回到自己原来的历史中，而是从分叉处离开进入另一个历史线。这样一来，多种的历史线一定是共存的。这是不是有点平行宇宙的意味呢？
3.2.2 宏观尺度
我们前面已经论述了微观尺度下的可能性，那么能不能把成果拓展到宏观呢？
真空像一片平静的湖水，近看确实有“涟漪”，但稍远一点就根本看不出来。真空为什么会有涟漪？是因为量子态的不确定性，读者可简单理解为量子的一切状态都不能确定，比如能量，速度，位置等等，都会产生随机的波动，比如你可能会观察到它突然消失，然后在另一处出现，像“闪现”一样。但是那些“涟漪”全是普朗克常量那一级别的（普朗克常量为h=6.626×10-34 焦秒，用来描述量子的不确定性），所以量子的不确定性只可以在微观体现，真空能量的波动非常非常小。量子论虽然慷慨些，但是依然是吝啬的本质，或许造物主本来就是吝啬的吧！
如果读者不理解什么是量子，我就做一个类比：现在的货币最低面值是1分钱，这个1分就可以看做量子，量子不可再分，不可能有东西卖1分半，我们可以把它看做微观的最基本粒子。如果设1分钱是量子，我们所能感知的现实世界大概是几万亿以至更高的量级，而量子的“涟漪”允许透支的额度最大不超过1毛钱。
微观中获得负能量的方法看来是无法推广到宏观了，受普朗克常数限制从理论角度就已经不可能，所以很宏观物体旅行到过去是不可能的。
其实想验证明时间旅行的可行性并不难。何夕在《天年》中做过一个思想实验，让全人类尤其是科学家们默默在心里宣誓，如果我实现了时间旅行，那么我一定回到xxxx年xx月xx日xx时刻的xx地，告知当时的人类，哪怕只是一道光这种提示。如果我没有实现，那么我会让我的后代们重复以上的宣誓，如此地继承下去。
然后我们在xxxx年xx月xx日xx时刻的xx地等待“显灵”即可。是不是在逻辑上没有一点漏洞呢？
3.3 由时间旅行说开去
也许造物主本来就不允许旅行到过去，那样会产生太多想想就让人头大的悖论。但是回到过去改变过去的想法太诱人了，我们总是遗憾太多，总有些不满意的地方。人们一直努力地寻找一个又一个的小理论去解决那些悖论，至少显得在理论上可行，它们中有些还真的挺自洽的。但是作者还是倾向于不能，还是那个观点，凡所见闻，皆成性格，你怎么知道你曾经的惨痛经历对未来有没有积极的影响呢？
4 结语
亲爱的读者们，文章就要结束了，能坚持读到这里相信你已经有所收获了。我觉得相对论带给我们普通人最有意义的东西是一种哲学思考：什么是主观，什么是客观？“眼见为实”又是否可靠呢？这种思考会伴随我们的人生助力我们的成长。
参考资料：
《时间简史》——斯蒂芬·霍金
《狭义与广义相对论浅说》——阿尔伯特·爱因斯坦
《物理与艺术》——慕课
《形象理解洛伦兹变换》——贴吧大神“短命郭嘉”