爱因斯坦的相对论是通过他做了大量的实验得出来的，还是通过他的想象得出来的？

我就只谈狭义相对论发现的过程，不谈广义相对论。

可能题主是学文科的，所以我尽可能用最简单的自然语言表达，所用到的数学方程只有一个，小学都学过的勾股定理。

所以，只要你集中一点精力阅读，我保证你能懂什么是狭义相对论。以及为什么相对论如此坚实可靠。

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爱因斯坦时代，当时最快的东西就是火车，狭义相对论讨论的是光速，当时的科技手段，怎么做实验验证相对论？

正因为当时不可能验证，被认为是人类理性智慧最高成就的相对论，是没有获得诺贝尔物理学奖的。

今天是怎么验证相对论的？

比如：飞机上放一个精确的原子钟（动钟）、发射卫星观察相对论效应（gps）、粒子加速器中加速基本粒子......等等。

爱因斯坦说：想象比知识更重要 。

但对一般人来说是想象是「意淫、白日梦、脑补」，对爱因斯坦来说却叫「理想实验」，或者是物理学家费曼说的「规范想象」。

狭义相对论是纯粹思想实验和逻辑推导，但是，即便当时没有很高的观测技术进行实验验证，也挑不出错误。

这是因为狭义相对论这是一个厚积薄发的过程，这是一个从伽利略、牛顿就开始的马拉松长跑，爱因斯坦是最后一棒，冲到了终点站。

（狭义相对论不被爱因斯坦发现，其他人有可能发现，但是广义相对论，如果不是爱因斯坦，可能还过两百年都不会有人发现。）

狭义相对论所需要的两个科学原理：

• 「相对性原理」
  
• 「光速不变原理」
  

是人类积累了几百年的认知，而且有其他科学家的实验验证（MM实验），以及电动力学的理论预言（麦克斯韦方程组）。

相对论就是在这两个原理之上的逻辑推导。下面，简单说一下这两个【第一原理】。

相对性原理：任何物理学实验都无法区分静止和匀速直线运动的参考系，一切物理学规律在惯性系中等价。

你在地球上跳高不需要考虑地球的自转和公转。如同你在匀速行驶的火车打乒乓球不需要考虑火车运动。

无论是地球、月亮上、外星球（惯性参考系系），物理规律是一样的，这几乎也是不证自明的。

我们人类去过最远的地方是月球，NASA的宇航员还特地验证铁锤和羽毛的下落速度一样。

我们可以推而广之，自由落体定律全宇宙都成立。所以，我们没去过火星，依然能将探测器送上火星。

这些都说明惯性系平权的，不存在一个特殊参考系，这些都是非常符合直觉，几乎不言自明，

所以，爱因斯坦将其上升全称判断：相对性原理（叫『公设、假设』都可以）。

「速度合成」和「伽利略变换」也就是说的运动的相对性，这很好懂：

比如：在匀速前进火车上，你拿一个小铁球松开，掉到火车地板上，你觉得铁球的下落是直线，但是相对地面观察者（地球这个惯性参考系），却是曲线。

图很渣，意思明白就行，

火车参考系，球的下落是直线

地球参考系：因为下落的过程中，火车在运动，地名观察者认为球的下落轨迹是曲线。（其实人也在动，这里没办法描述。）

说简单一点就是：你在行使的火车上将东西扔给同在火车另一个人，你根本无需考虑火车速度。但是，你要扔给火车外面的都人，就要考虑火车的速度了。

这些都是简单的常识，几乎不可能错。所以，相对性原理错了，那才是怪！

光速不变原理

光速不变原理不是常识，而且极其违背「速度合成」的直觉。但却是一个有着精确实验和电动力学理论推导作为支撑的的结论。

【迈克尔&莫雷实验】简称【MM实验】，是利用光的干涉原理做的实验，非常之精确，几厘米的误差都可以測出来。

这个实验是来找一种当时人们假设的光的传播介质「以太」的。

地球在公转，如果光的传播介质以太存在，根据速度合成，地球不同方向上光速是不一样的，可以通过干涉仪的干涉条纹观测到。

但是，【MM实验】显示无论是那个方向上的光速都一样。

这个实验结果让当时的科学界极为困惑，被称为「一朵乌云」，另一朵乌云叫做「紫外灾难」，催生了量子力学。

麦克斯韦建立的电磁学理论，预言了光是一种电磁波，那么速度就是一个常数C：

光速竟然是个常数，当时科学界逗比了，怎么想也想不通。

驱散乌云，以睹青天

当时名不见经传的爱因斯坦，玩了一个「哥白尼反转」。他说：

既然找不到以太，以太可能就是没有，不需要「以太」这个额外假设，也可以很好的解释。

只要愿意抛弃头脑中根深蒂固的绝对时空观，这个问题就迎刃而解。

这就是奥卡姆剃刀的典型运用:如无必要，勿增实体。

把以太用剃刀割掉，之后，再抛弃绝对时间这个概念，服从事实:光速才是唯一不变的标尺。

从数学角度很好办，但从物理学角度我们的脑子会被千百万年进化得到的常识所禁锢。

而理解相对论的诀窍就是抛弃“绝对时间”这个“常识”。

只要将光速不变当做原理和，以常数c不变量，进行逻辑推导，就得到了时空这个变量。

这个方程就是就是洛伦兹变换：

我就还是用渣图来讲解推导过程，前提是只要你懂勾股定理三条边之间的换算关系：

• 第一原理：光速为常数C （「相对性原理」是隐含前提）
  

• 假设一辆匀速运行的火车，速度为V。
• 火车上有一个两面镜子组成的光子钟，长度为1，光信号在镜子两面来回反射。
  

那么，火车上的人，看到光走的直线，光走完这段距离，所用时间是：t=1/C

火车以V速运动，由于光速不变，火车以外的人，看到光在T时间内走了一个斜线，：也即：它们的关系，可以用直角三角形表示，

引用勾股定理，可以推出火车外的测到的时间T：

t=1/C，二者比值：

所以，t和T的比值，永远小于1，也即【动钟慢】。

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造物主的语言:数学和逻辑

最简单的逻辑学告诉我们：

逻辑推导前提正确，形式正确，结论一定正确。这几乎是没有办法的驳倒、不言自明的结论。

比如：平行线不相交是不是正确的？这几乎是不证自明的正确。

如果「平行线不相交」这个全称判断成立，所有三角形内角和等于两直角（180度）必定正确。因为这是「同言反复」，二者是等价命题。

综上所述，为什么狭义相对论可靠？

因为狭义相对论这幢大楼，建筑在稳固的根基之上。

狭义相对论的的推导前提：光速不变原理和相对性原理，这两个原理（Principle）非常稳固，是人类几百年来认知的沉淀，且从未发现反例。

相对论都是在这两个可靠原理之上逻辑推导，构建的「公理体系」，相当于几何学的定理，只要你承认公设（axiom），证明过程正确，结论就必然正确。

一切何科学理论都是这样的公理体系（axiom systems），环环相扣，你只有推翻原理公设，否则，不可能留缝隙给你。

今天的民间科学家很多连这个简单的道理都不懂。他们不理解科学研究范式，不明白如何在第一原理的基础上构建公理体系。可能是因为没有受过完整正规的学术训练有关。

「宇宙之书」的是上帝用数学写就的，科学确定性、精确性，正是因为应用了数学和逻辑。