上一篇中，小編跟小夥伴們一起了解了一下廣義相對論的數學工具之一，黎曼幾何的誕生。我們從本篇開始跟大家一起來回顧一下廣義相對論的物理基礎。今天是這個模塊的第一篇，狹義相對論的成就與困難。

其實這塊内容我在自己的另外一個《五分鐘量子力學》系列裡《五分鐘量子力學（一），量子史話：經典物理學的困境》提到過一個那就是麥克斯韋方程組。這個方程組預言了光速不變原理。

麥克斯韋方程組

這個光速不變性原理後來被實驗所證實，并且在後來幾十年内的13次精度不斷增加的試驗中連續被證實，成為一條真理。

同時我們也知道，相對性原理也是被所有實驗所證實的，就是伽利略變換。這個高中就學過的經典理論我們就不解釋了，完全符合我們的日常生活經驗，太簡單。

這就揭開了一個巨大的矛盾，如何解釋光速參照任何參照系速度都不變與相對性原理矛盾的問題。

愛因斯坦的天才就表現出來了，他看出，伽利略變換并不等價于相對性原理，相對性原理比伽利略原理更為基本。

洛倫茲變換

愛因斯坦在堅持實驗得出的光速不變和相對性原理的基礎上，放棄伽利略變換，引入了洛倫茲變換，一舉建立了狹義相對論。

要知道，提出光速不變原理是非常不容易的事情。如果光速不變原理成立，這就表明光速是絕對的，這将導緻一個人類從來沒有接觸過的概念，“同時”是相對的。

“同時”是相對的意思就是說，在一個慣性系中，同時發生的兩件事，對于另一個相對于這個參照系運動的慣性系來說，這兩件事不是同時發生的。這種情況，跟我們的日常生活經驗嚴重沖突，無法被人理解。

可以這麼說，理解狹義相對論的關鍵就在于理解“同時的相對性“。就連愛因斯坦自己也在這個問題上卡住了一年多的時間。當愛因斯坦突破了對于”同時“的相對性之後，他的頭腦豁然開朗，相對論的大廈呈現在他的眼前。

以c為原點,坐标軸指向恒星的xcy系為慣性系.

可以說，狹義相對論與牛頓的經典物理學的根本區别不在于相對性原理。因為伽利略、牛頓都是支持相對性原理。光速不變原理才是狹義相對論跟經典物理學的本質區别。

光速不變原理和相對性原理告訴我們：

1、一切慣性系都是平權的，不可能測出相對于絕對空間的運動速度；

2、牛頓的絕對空間和絕對時間概念必須放棄；

3、不存在絕對速度，一切勻速直線運動都是相對的；

4、絕對時空和以太不存在。

狹義相對論的困境

盡管愛因斯坦的狹義相對論取得了非常大的成果，但其實狹義相對論也是有兩個難題需要解決的。

1、慣性系無法定義成為狹義相對論的基本困難；

在經典力學中，慣性系是很好理解的，這時候慣性系被定義為相對于絕對空間靜止或做勻速直線運動的參考系。狹義相對論不承認絕對空間，所以牛頓力學的定義在狹義相對論中就無效了。

我們來回憶一下慣性定律：“一個不受外力的物體将保持靜止或勻速直線運動狀态不變”。那麼啥叫不受外力？我們隻能說，不受外力的意思就是物體保持靜止和勻速直線運動的狀态。我去，這種說法你能接受不？反正小編不能。

在經典力學中，地球參照系近似于一個慣性系，太陽參照系比地球參照系更近似于慣性系，銀河參照系比太陽參照系更接近于慣性系......如果這麼看下去，可以有更多一個比一個更近似于慣性系的參照系，如果這麼說下去我們是得不出嚴格的慣性系的，而且最終也無法說明究竟什麼是慣性參照系。

那麼我們是不是能直接定義一個參照系作為慣性系呢？這也是不行的，因為如果空間内啥也沒有，那麼我們怎麼去标記和區别各種運動，任何參照系都建立不起來了。

我們知道狹義相對論的整個理論都是建立在慣性系的基礎上，但是我們突然發現，在狹義相對論中無法定義和找到一個慣性系。

整個狹義相對論體系在此刻猶如一個建立在沙灘上的大廈，根基不穩。

2、無法用洛倫茲變換來描述萬有引力。

狹義相對論遇到的第二個困難跟萬有引力有關。由于狹義相對論把電磁定律和動力學定律都寫成了洛倫茲變換的形式，這是一個四維時空的張量方程。然而，愛因斯坦絞盡腦汁也無法把萬有引力定律寫成洛倫茲變換的形式。也就是說，萬有引力定律是無法納入狹義相對論框架的，兩個理論視乎是矛盾的。

在愛因斯坦那個年代，人們還不知道原子核内的強相互作用。隻知道電磁相互作用和萬有引力，這種情況下兩種力就與狹義相對論不兼容。這就是另外一個巨大的bug了，這是無法讓愛因斯坦那個時代的物理學家接受的。

各位小夥伴，本篇就寫到這裡，敬請期待下一篇《等效原理與廣義相對性原理》。

我是物理學徒，一個緻力于科普相對論、量子力學、計算機、數學，讓深奧的科學理論通俗易懂起來、讓科學更有趣的科普搬運工。耐心看完的小夥伴，留個言、點個贊加個關注再走呗。

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