怎样用最简单的方法介绍相对论？

可以简单到用一句话来概括：时间的长短与空间的大小及结构，都只具有相对意义；真正客观不变的是数学与物理原理。

我尝试不出现数学公式来讲一讲。

首先，讲讲狭义相对论。狭义相对论建立在两条基本思想的基础上，其一是“光速不变原理”，其二是“相对性原理”。

先讲“相对性原理”，这是牛顿物理学就有的奠基原理，伽利略在《两个世界体系的对话》中就有过描述。怎么理解呢？比如一艘船在河上匀速行驶，密闭船舱中事物的运动状态与在岸上事物的运动状态，都将遵循同一套物理定律，而不会因在船上而有不同。爱因斯坦将之归纳为“任意惯性参考系遵守的数学、物理法则是一致的”。

牛顿力学中的“相对性原理”与爱因斯坦的“狭义相对性原理”有什么不同呢？这两者处理的时空都是平直时空，但是前者认为运动参考系与静止参考系，在坐标刻度上是没有差别的，这等于是认为时空处处是均匀变化的；而后者认为参考系与参考系之间，在坐标刻度上，无论是空间尺度还是时间尺度，会因运动速度不同而不同。所以，牛顿力学里的时空是“绝对时空”，无论是在运动参考系还是静止参考系中，对空间距离与时间间隔的测量是不会有任何差别的。而狭义相对论中不同参考系则会有不同空间与时间尺度，因此运动事物相对静止事物，会出现时间间隔的膨胀与空间距离的尺度收缩问题。如果我们把两个不同参考系比喻为美元和人民币，那么两者之间的“汇率”不是固定的1:1，而是随相对速度的不同有着浮动的“汇率”。计算这“汇率”变动的公式，称为“洛伦兹因子”，要通过乘上或除以这因子，才能算出一个参考系中的距离与时间换算成另外一个参考系后的等价数值。对此，进一步感兴趣的人可以具体去百度一下。理解我所说的上述思想后，其实对于其数学形式是不难掌握的。

为什么爱因斯坦会发展出这种抛弃“绝对时空”观念的狭义相对性原理呢？这是因为牛顿力学体系下，理论上蕴含着一个与相对性原理有矛盾的结论。这个结论即：不同参考系下所观察到的真空中的光速也是不同的。这好比同样一道光，在高速飞行的宇宙飞船中所见，与在太空中漂浮所见，被认为速度不同。这个结论首先会与麦克斯韦尔的电磁学理论有矛盾。其次，必然会导出代表“绝对时空”观念的“以太”的存在。但是为发现“以太”所设计的各种物理实验，无一例外都宣告失败了。

爱因斯坦处理这个问题时，将这一前提改了，认为“真空中的光速不会参考系变化而被观察到不同的速度”，这即是“光速不变原理”。这一原理不需要“以太”的概念，也与麦克斯韦尔的电磁学相容。但是与“相对性原理”有表面矛盾。之所以说矛盾是表面的，是因为通过引入洛伦兹因子，改造牛顿力学中的伽利略协变方程组而为洛伦兹协变方程组，这种矛盾是可以成功克服掉的。有必要指出，最早获得洛伦兹协变的并不是爱因斯坦，而是洛伦兹。但是洛伦兹的物理解释与爱因斯坦有很大不同，他还没有抛弃“以太”观念，没有确立“光速不变原理”。

狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应（相对论效应），比如：时间膨胀 、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等。

然后我们再来谈谈广义相对论。

狭义相对论里假定的时空是平直时空。什么是平直呢？牛顿力学里，事物惯性运动时的路径被认为就是平直的。这一点，狭义相对论并没有作出改变。狭义相对论与牛顿力学都是建立在惯性参考系的基础上的。

什么是惯性参考系？静止的或作匀速直线运动的参考系，被认为是惯性参考系。理想的惯性参考系实际上不存在。我们一般在低速观察的情况下，通常是在以假定地球为这样的惯性系为前提，然后进行物理计算的。但地球事实上并不是一个惯性系，而是一个加速系，速度随时都在变的。

牛顿力学与狭义相对论的相对性原理都指出，静止的惯性参考系与运动的惯性参考系是无法被区分的。但是加速系与惯性系是有区别的。

而广义相对论进一步指出，加速系与惯性系其实也是没有本质区别的。这好比说我们在地球上沿光滑平面抛掷出一球所作出的匀速直线滚动的运动，与地球环绕太阳的运动其实是类似的。又如我们相对地球的所谓“惯性静止”，与从相对太空被认为是随时在跟随着地球运动而改变速度，两者其实是“等效”的。也就是说，我们其实无法在绝对意义上区别加速与惯性，无法绝对断言直线与曲线。加速与惯性，直与曲，全部都是相对性的，都是相对于参考系而成立的。这就是所谓“等效原理”。

想一想：如果你的参考系的坐标轴是曲线，处处与之平行的曲线，相对而言，其实反而就成了直线。如果这个道理想明白，那么对广义相对论的思想，对非欧几何对黎曼几何的思想，就自然不会感到抗拒了。

于是，我们不仅要取消用以衡量或评判一切的绝对时间与绝对空间，而且对“绝对平直”这样的观念也要抛弃的。

总而言之，没有绝对的尺度。所有测量的基础也都是相对性的。但是所有参考系都是平权的，加速系并不比惯性系特殊，这是广义相对论下的相对性原理。本质的意思是任意参考系内的数学物理原理都是一样的，唯有这抽象的法则是绝对与不变的。

也就是说，我们在地球与太阳系中所发现的正确的数学与物理原则，将会同样适用在遥远的宇宙深空中的任何星系与行星上。外星人不会拥有与我们不同的数学与物理原理。

爱因斯坦所努力建立与寻找的不变性立足在这个点上。在广义相对论中，时空的尺度不具有不变性，不同的时空具有不同的曲率。同一时空的曲率也是随时都在发生变化的。地球运动在太阳系的时空中，不仅地球引力场的时空曲率随时在变化，太阳引力场的时空曲率其实也是在随时变化的。时空曲率的传递即是所谓的引力波。

我们由此可确定，时空的真实结构，在几何结构上绝对不是尺度刚性不变，形态平直不变的；反而是可以弯曲，随时会发生变形。我们主观感受的不变的平直时空，真实情况却是像我们平常所接触的任何事物一样，是会发生结构形态的变化的。我们任何一个人的运动，甚至每走一步，其实都在改变着整个地球引力场的时空曲率，因为每个事物运动都会发出引力波，只不过通常是微小到根本不可能测量得出来。但通过双子星或双黑洞合并这样的巨大天文事件，我们人类确实完全证实了引力波的存在。

因此，我们不能指望光线不受阻扰时，真的只能按照直线运动。光线在任何引力场中走的都是测地线。我们的飞机航道大致上就是属于测地线，这才是物理真实的最短路径，而不是我们通常误以为的直线。

也不要指望我们主观感受到的时间长短与空间大小具有绝对意义。事实上，引力场完全影响着我们生命主体主观构建的测量判断，生命感受到的时空形态其实都是相对于引力场而言的，本身不具备绝对的客观性！