我就只談狹義相對論發(fā)現(xiàn)的過程，不談廣義相對論。

可能題主是學(xué)文科的，所以我盡可能用最簡單的自然語言表達(dá)，所用到的數(shù)學(xué)方程只有一個，小學(xué)都學(xué)過的勾股定理。

所以，只要你集中一點(diǎn)精力閱讀，我保證你能懂什么是狹義相對論。以及為什么相對論如此堅實可靠。

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愛因斯坦時代，當(dāng)時最快的東西就是火車，狹義相對論討論的是光速，當(dāng)時的科技手段，怎么做實驗驗證相對論？

正因為當(dāng)時不可能驗證，被認(rèn)為是人類理性智慧最高成就的相對論，是沒有獲得諾貝爾物理學(xué)獎的。

今天是怎么驗證相對論的？

比如：飛機(jī)上放一個精確的原子鐘（動鐘）、發(fā)射衛(wèi)星觀察相對論效應(yīng)（gps）、粒子加速器中加速基本粒子......等等。

愛因斯坦說：想象比知識更重要 。

但對一般人來說是想象是「意淫、白日夢、腦補(bǔ)」，對愛因斯坦來說卻叫「理想實驗」，或者是物理學(xué)家費(fèi)曼說的「規(guī)范想象」。

狹義相對論是純粹思想實驗和邏輯推導(dǎo)，但是，即便當(dāng)時沒有很高的觀測技術(shù)進(jìn)行實驗驗證，也挑不出錯誤。

這是因為狹義相對論這是一個厚積薄發(fā)的過程，這是一個從伽利略、牛頓就開始的馬拉松長跑，愛因斯坦是最后一棒，沖到了終點(diǎn)站。

（狹義相對論不被愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，其他人有可能發(fā)現(xiàn)，但是廣義相對論，如果不是愛因斯坦，可能還過兩百年都不會有人發(fā)現(xiàn)。）

狹義相對論所需要的兩個科學(xué)原理：

• 「相對性原理」
  
• 「光速不變原理」
  

是人類積累了幾百年的認(rèn)知，而且有其他科學(xué)家的實驗驗證（MM實驗），以及電動力學(xué)的理論預(yù)言（麥克斯韋方程組）。

相對論就是在這兩個原理之上的邏輯推導(dǎo)。下面，簡單說一下這兩個【第一原理】。

相對性原理：任何物理學(xué)實驗都無法區(qū)分靜止和勻速直線運(yùn)動的參考系，一切物理學(xué)規(guī)律在慣性系中等價。

你在地球上跳高不需要考慮地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。如同你在勻速行駛的火車打乒乓球不需要考慮火車運(yùn)動。

無論是地球、月亮上、外星球（慣性參考系系），物理規(guī)律是一樣的，這幾乎也是不證自明的。

我們?nèi)祟惾ミ^最遠(yuǎn)的地方是月球，NASA的宇航員還特地驗證鐵錘和羽毛的下落速度一樣。

我們可以推而廣之，自由落體定律全宇宙都成立。所以，我們沒去過火星，依然能將探測器送上火星。

這些都說明慣性系平權(quán)的，不存在一個特殊參考系，這些都是非常符合直覺，幾乎不言自明，

所以，愛因斯坦將其上升全稱判斷：相對性原理（叫『公設(shè)、假設(shè)』都可以）。

「速度合成」和「伽利略變換」也就是說的運(yùn)動的相對性，這很好懂：

比如：在勻速前進(jìn)火車上，你拿一個小鐵球松開，掉到火車地板上，你覺得鐵球的下落是直線，但是相對地面觀察者（地球這個慣性參考系），卻是曲線。

圖很渣，意思明白就行，

火車參考系，球的下落是直線

地球參考系：因為下落的過程中，火車在運(yùn)動，地名觀察者認(rèn)為球的下落軌跡是曲線。（其實人也在動，這里沒辦法描述。）

說簡單一點(diǎn)就是：你在行使的火車上將東西扔給同在火車另一個人，你根本無需考慮火車速度。但是，你要扔給火車外面的都人，就要考慮火車的速度了。

這些都是簡單的常識，幾乎不可能錯。所以，相對性原理錯了，那才是怪！

光速不變原理

光速不變原理不是常識，而且極其違背「速度合成」的直覺。但卻是一個有著精確實驗和電動力學(xué)理論推導(dǎo)作為支撐的的結(jié)論。

【邁克爾&莫雷實驗】簡稱【MM實驗】，是利用光的干涉原理做的實驗，非常之精確，幾厘米的誤差都可以測出來。

這個實驗是來找一種當(dāng)時人們假設(shè)的光的傳播介質(zhì)「以太」的。

地球在公轉(zhuǎn)，如果光的傳播介質(zhì)以太存在，根據(jù)速度合成，地球不同方向上光速是不一樣的，可以通過干涉儀的干涉條紋觀測到。

但是，【MM實驗】顯示無論是那個方向上的光速都一樣。

這個實驗結(jié)果讓當(dāng)時的科學(xué)界極為困惑，被稱為「一朵烏云」，另一朵烏云叫做「紫外災(zāi)難」，催生了量子力學(xué)。

麥克斯韋建立的電磁學(xué)理論，預(yù)言了光是一種電磁波，那么速度就是一個常數(shù)C：

光速竟然是個常數(shù)，當(dāng)時科學(xué)界逗比了，怎么想也想不通。

驅(qū)散烏云，以睹青天

當(dāng)時名不見經(jīng)傳的愛因斯坦，玩了一個「哥白尼反轉(zhuǎn)」。他說：

既然找不到以太，以太可能就是沒有，不需要「以太」這個額外假設(shè)，也可以很好的解釋。

只要愿意拋棄頭腦中根深蒂固的絕對時空觀，這個問題就迎刃而解。

這就是奧卡姆剃刀的典型運(yùn)用:如無必要，勿增實體。

把以太用剃刀割掉，之后，再拋棄絕對時間這個概念，服從事實:光速才是唯一不變的標(biāo)尺。

從數(shù)學(xué)角度很好辦，但從物理學(xué)角度我們的腦子會被千百萬年進(jìn)化得到的常識所禁錮。

而理解相對論的訣竅就是拋棄“絕對時間”這個“常識”。

只要將光速不變當(dāng)做原理和，以常數(shù)c不變量，進(jìn)行邏輯推導(dǎo)，就得到了時空這個變量。

這個方程就是就是洛倫茲變換：

我就還是用渣圖來講解推導(dǎo)過程，前提是只要你懂勾股定理三條邊之間的換算關(guān)系：

• 第一原理：光速為常數(shù)C （「相對性原理」是隱含前提）
  

• 假設(shè)一輛勻速運(yùn)行的火車，速度為V。
• 火車上有一個兩面鏡子組成的光子鐘，長度為1，光信號在鏡子兩面來回反射。
  

火車以V速運(yùn)動，由于光速不變，火車以外的人，看到光在T時間內(nèi)走了一個斜線，：也即：它們的關(guān)系，可以用直角三角形表示，

引用勾股定理，可以推出火車外的測到的時間T：

t=1/C，二者比值：

所以，t和T的比值，永遠(yuǎn)小于1，也即【動鐘慢】。

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造物主的語言:數(shù)學(xué)和邏輯

最簡單的邏輯學(xué)告訴我們：

邏輯推導(dǎo)前提正確，形式正確，結(jié)論一定正確。這幾乎是沒有辦法的駁倒、不言自明的結(jié)論。

比如：平行線不相交是不是正確的？這幾乎是不證自明的正確。

如果「平行線不相交」這個全稱判斷成立，所有三角形內(nèi)角和等于兩直角（180度）必定正確。因為這是「同言反復(fù)」，二者是等價命題。

綜上所述，為什么狹義相對論可靠？

因為狹義相對論這幢大樓，建筑在穩(wěn)固的根基之上。

狹義相對論的的推導(dǎo)前提：光速不變原理和相對性原理，這兩個原理（Principle）非常穩(wěn)固，是人類幾百年來認(rèn)知的沉淀，且從未發(fā)現(xiàn)反例。

相對論都是在這兩個可靠原理之上邏輯推導(dǎo)，構(gòu)建的「公理體系」，相當(dāng)于幾何學(xué)的定理，只要你承認(rèn)公設(shè)（axiom），證明過程正確，結(jié)論就必然正確。

一切何科學(xué)理論都是這樣的公理體系（axiom systems），環(huán)環(huán)相扣，你只有推翻原理公設(shè)，否則，不可能留縫隙給你。

今天的民間科學(xué)家很多連這個簡單的道理都不懂。他們不理解科學(xué)研究范式，不明白如何在第一原理的基礎(chǔ)上構(gòu)建公理體系?？赡苁且驗闆]有受過完整正規(guī)的學(xué)術(shù)訓(xùn)練有關(guān)。

「宇宙之書」的是上帝用數(shù)學(xué)寫就的，科學(xué)確定性、精確性，正是因為應(yīng)用了數(shù)學(xué)和邏輯。