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“在我们之外有一个更为巨大的世界，它独立存在着，就像一个伟大而永恒的谜，却只有极少部分是我们的观察和思维所能及的。对这个世界的凝视静思，宛若辽阔的自由对我们的吸引。” ——爱因斯坦 北京时间2月11日晚11点30分，引力波被LIGO科学合作组织正式宣布被观测并证实。不管你是不是天文爱好者，听到这句： “Ladies and gentlemen, we have detected gravitational waves. We did it.” （女士们先生们，我们已经发现引力波啦，我们做到啦。） 即便是一个物理小白也会霎那间有红了眼圈的感觉。 距离爱因斯坦第一次在《广义相对论》中预言引力波的存在已经过去100年了，在这一个世纪间，脑洞大开的科学家于无声处听惊雷，终于在这个猴年之交补缺了爱因斯坦遗失的一块最重要的“拼图”。这是物理学史上绝对里程碑式的重大成就，不是相对的！ 由两个黑洞产生的引力波CW150914的3D示意图。图片来源： Henze, NASA 引力波 现在大火的“引力波”是广义相对论的范畴，实际上，广义相对论可以说就是引力理论。《广义相对论》的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。毫无疑问，引力波的证实是一项世纪发现，证实了爱因斯坦引力理论的最后一项预言。 实际上，爱因斯坦曾对于引力波的观测并不看好。因为关于它的强度，爱因斯坦从计算得出——非常微弱。 假设迎面走来一串引力波，你不会变大变小变漂亮??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种方法让你在它旁边活不下去，如果你想试试，黑洞是不介意陪你玩玩的）。否则引力波只会把你的身高拉高（然后压扁）那么一点点——大概就是一个氢原子的100亿分之一吧。 和电磁波相比，引力实在是很弱的力，比起表征电磁力强度的精细结构常数，表征引力强度的引力常数G要小上好几个数量级。而且引力波实在是很“懒”，很少与物质发生任何作用。 引力波经过物体时会使其不断发生拉伸和压缩。图片来源：Markus P?ssel of Einstein Online. 还是没有搞明白什么是引力波？ 那也请别回到“牛顿掉苹果”的年代好么～ 有句话说，在我们这个世界上，95%的人的科学素养停留在伽俐略时代以前，99.9%的人停留在牛顿时代以前。在这个“引力波都被证实存在”的年代，你还好意思老那么具象么？ 由此， “星际明星”爱因斯坦高逼格《相对论》在手＋九妹我神经化的讲解，你一定不无聊！ 友情提示：记住以下5点精华吐血归纳真的让你聊起来像个高能科学怪人！ 优美的质能方程揭示了物质质量与能量的关系，计算公式为E=MC2，其中E代表物质的能量，M为物质的质量，C为光速。 《相对论》——导读（高能继续） 想要把爱因斯坦的《相对论》理解为“人类的语言”你大致需要了解书中以下这几组理论或概念。(引号部分为书摘) 1，区分经典物理和现代物理 2，“相对”的概念 3，麦克斯韦方程组 4，洛伦兹变换 5，时空焕发新生命 区分经典物理和现代物理 爱因斯坦之前的一干物理学家（亚里士多德、哥白尼、伽里略、牛顿、马赫、麦克斯韦、赫兹、洛伦兹、拉摩、彭加勒）都曾经琢磨过“时空到底怎么玩”，然而真正的世纪物理学撕逼大战发生在牛顿和爱因斯坦之间。 1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》推翻了神学千年的根基，建立了完整而严密的经典力学体系。为了为经典力学找个参考系，牛顿引入了绝对空间与绝对时间的概念。他认为： 绝对空间——实质永远是均匀和不动的。 绝对时间——宇宙共用一个钟表，时间处处都一样。 然而，遗憾的是，牛顿并没有能证明这些。 “ 牛顿自己比他以后的许多博学的科学家都更明白他的思想结构中固有的弱点。 ——爱因斯坦 ————经典物理学与现代物理学分水岭——－—— 距牛顿建立力学体系的两个多世纪后，1905年，爱因斯坦提出：物体匀速运动时，质量会随着速度增加而增加，空间和时间都会发生相应变化，也就是，运动的尺子要缩短，运动的钟要变慢，任何物体的运动速度都不能超过光速。 才华横溢的学者约翰·惠勒总结为：时空命令物质如何运动，而物质引导时空如何弯曲。这就是狭义相对论。 “ 是恩斯特·马赫在他的《力学史评》中，冲击了经典力学教条式的信念。在我还是一介书生时，这本书给了我深刻的影响。我真正地感觉到了马赫的伟大在于他坚不可摧的怀疑精神和独立态度。 ——爱因斯坦 1927年第五届索尔维会议参加者合影 第一排坐着的都是当时的科学巨匠。前排居中：爱因斯坦；前排左三：居里夫人；前排左四：洛伦兹 “ 牛顿啊，请原谅我。你所发现的，在你的时代，是具有至高思维能力和创造力的人才能发现的。你所创立的观念，至今仍指导着我们的物理学思想，虽然我们知道，如果要更加深入地理解世界的各种联系，必须用另外的离直接经验领域更远的观念来代替。 ——爱因斯坦 “相对”的概念 意大利科学家伽里略第一次提出了惯性概念，提出了惯性和加速度这个全新的概念，为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。 相对论的核心意思拿脚趾头都能想到是“相对”，然而你真的理解啥是相对么？ 实际上，相对性原理是由爱因斯坦的前辈伽里略提出来的，他认为力学定律在一切惯性参考系中具有相同的形式。 “相对”在日常中很常见，如你在飞机上看见你的同座是静止的，而地面的人看这个乘客是和飞机一同嗖嗖飞的。于是这名乘客到底是动还是不动呢？物理学把这种参照标准称为“参考系”。 而爱因斯坦把伽里略的相对性原理从力学领域推广到包括电磁学在内的整个物理领域，提出不存在“绝对参考系”，在一个参考系中建立起来的物理规律，通过适当的坐标变换，可以适用于任何参考系。 “ 爱因斯坦认为，科学定律应该赋予所有自由运动的观察者相同的形式，无论观察者如何运动，他们都应该测量到同样的光速。（光速不变是相对论重要的理论前提）在这一思想中，爱因斯坦要求人们放弃所有时钟普适的时间概念，确信每个人都应当有他自己的时间值：如果两个人是相对静止的，他们的时间就是一致的；如果他们存在相互的运动，那他们观察到的时间就会有差异。 ——霍金 对所有自由运动的观察者而言，自然定律都是相同的，这个前提是相对论的基础！ 实验证明，爱因斯坦是正确的。一个绕地球旋转的精确时钟与存放在实验室中的精确时钟比，前者与后者会有时间指针上的差别。如果你想延长你的生命，可以乘飞机向东飞行，这样，叠加上地球旋转的速度，你就可以延长零点几秒的生命，也可借此弥补你因食用航空食品带来的损害。 麦克斯韦方程组 麦克斯韦 牛顿和牛顿前的经典物理学我们可以大体理解为是具象的，是建立在经典力学基础之上的，如你可以触摸苹果和铁球，也可以观察物体的匀速直线运动。而从马赫和麦克斯韦开始，物理学更多关注了微观和抽象领域，比如关注波粒二象性的电磁波，光和辐射。 在爱因斯坦的学生时代，最令他着迷的是麦克斯韦理论。 “ 光学被并入电磁理论，连同光速同绝对电磁单位制的关系，以及折射率同介电常数的关系，反射系数与金属体的传导率之间的定性关系……这一切如同一种启示。 ——爱因斯坦 如果要求爱因斯坦说人话。。。大致是这样的： 我们知道，电场和磁场是两个基本物理的概念，关于“场”究竟是什么，每个人初中物理都学过，但是可能很难直观想象。 我们初中物理都学习过，电场和磁场是可以在一定条件下互相转换的，运动的电场可以产生磁场，运动的磁场可以产生电场。 等到了高等物理，我们就不在只局限的说是“运动”的电场或磁场，而是更加广义的去定义为“时变”电场和“时变”磁场。 麦克斯韦方程组分为四个方程（如下图），他们分别说明了四个问题： 1) 电场是怎么产生的（我们都知道电场是电荷产生的，所以也可以说电场是如何由电荷而产生的）。 2) 磁场是什么？（其实就是证明了磁场的两极性，不存在磁单极子） 3) 时变得电场是如何转化为磁场的 4) 时变得磁场是如何转化为电场的 洛伦兹变换
洛伦兹 荷兰物理学家洛伦兹是个数学上很牛很牛的人，他的洛伦兹变换是关于不同惯性系之间物理事件时空坐标变换的基本关系式。 “ 按照洛伦兹的看法，电磁场由那些位于物质粒子的电荷的位置和速度产生，场又以力作用在粒子的电荷上，而且按照牛顿运动定律决定粒子的运动。如果人们把这同牛顿体系做比较，那么其变化在于：超距作用力由场代替，而场同时也描述辐射。引力通常是由于它相对地说来比较小而不予考虑；但是，通过充实场的结构，或者扩充麦克斯韦场定律，总有可能考虑到引力。 ——爱因斯坦 继续要求爱因斯坦说人话。。。 你可以这样理解当我们观测到某个物理现象，一般是怎么表达的呢？我们会把它描述成一个公式或者方程。但是不同的观测者的角度是不同的，你看到这个物理现象的时候你把它用一个方程表达出来，但是如果是我看到的时候，这个方程也许并不适用了，我用来表达这个物理现象用的另一个方程。 为什么你我用来描述这个物理现象的方程不是一样的呢？这是因为你和我之间不在同一个观测角度，物理学上说你和我不在同一个惯性系里。那么在你的惯性系里用来表达这个物理现象的方程，如何能直接转换为在我的惯性系里对这个物理现象的表达方程呢？这个公式就叫做洛伦兹变换。
洛伦兹变换公式 举个例子：如果你站在马路边，看到一辆汽车车以v＝60km／h向东驶去，那么你这个公式就是v＝60km／h，这是你的惯性系下。此时我正在骑着自行车，以v＝20km／h向东驶去，那么我看到的汽车行驶公式就是v＝40km／h，因为这个观测是在我的惯性系里。从你的惯性系里的公式变幻到我的惯性系里，这个就是洛伦兹变换。 前面说到洛伦兹是数学大牛，于是最初的洛伦兹变换被定位为数学上的辅助手段，并不包含相对论的时空观。而爱因斯坦与洛伦兹不同（据说爱因斯坦的数学能力在科学家领域内真的不敢恭维），他着眼于赋予洛伦兹变换以崭新的物理内容，于是他重新修改了运动、时间、空间等基本概念，导出了不一样的洛伦兹变换。 狭义相对论中同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以通过洛伦兹变换公式直接得出——狭义相对论从此走上了顺风顺水的道路。 时空焕发新生命
爱因斯坦发现，现实的物质存在的空间，不是平坦的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间；空间的弯曲程度取决于物质的质量及其分布状况，空间曲率就体现为引力场的强度。 “ 关于弯曲时空的新理论叫做‘广义相对论’，以与原先不包含重力的‘狭义相对论’相区别。1919年，人们以颇为壮观的形式证明了“广义相对论”：一支英国科学考察队远征西非，在日食期间观察到了太阳附近一颗恒星位置的微小移动。这证实了爱因斯坦的论断，恒星发出的光线在经过太阳附近时，由于引力而弯曲了。这此证明是在公元前300年欧几里得《几何原本》之后，人类认识宇宙的最大革新。 ——霍金 所以，你大致了解什么是相对论了么？ 其实，介绍《相对论》对谁来说都是一个极大的挑战，因为爱因斯坦曾经不无自豪地说过：世界上可能只有12个人能够看懂《相对论》。。。 但这丝毫不影响人们对此著作的追捧！不过，也许追捧的不是理论本身（别装了你能看懂《进化论》已经是极限了），而是——它的高逼格（苹果为何从树上掉下来和比萨斜塔上的铁球实验都感觉弱爆了）。 爱因斯坦给自己的偶像卓别林写过一封信，信上说：“你的电影《摩登时代》，世界上每一个人都能看懂。你一定会成为一个伟人。”卓别林在回信中写道：“我更加钦佩你。你的相对论世界上没有人能弄懂，但是你已经成为一个伟人。”
卓别林与爱因斯坦 所以，懂不懂的也许真的不重要。。。。。。 尽管《相对论》中的那些干货（公式和方程的推导）能妥妥地甩我们好几个爱因斯坦的距离，但看过后起码还能让你认识到自己的渺小（无论是相对于宇宙的质量还是相对于爱因斯坦的脑量），让你不再为了屁大点事而抓心挠肝。 Ps: 抓心挠肝看完《相对论》的九妹我几经尝试与爱因斯坦的脑容量无限接近～结果发现： 是不可能的！
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