■王烨凡/文
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谁先发生？
两件事情是不是同时发生，以及谁先发生，在狭义相对论里需要被小心对待。
假设有一列运动的车厢，A站在车厢的中间，携带一个光信号发射器，向前后两端同时发射光信号，对车厢上的人来说，前后两端到中间的距离是相等的，于是光同时到底车厢的前后两端。对地面上的B来说，就是另外一个过程。光向前和向后的速度都是c，而由于车厢正在向前行驶，向前的光程要明显长于向后的光程，于是对地面上的B来说，光先到达了车厢的后端，后到达了车厢的前端。
在这段叙述中，两人唯一能达成共识的是光到达了车厢前面的墙和后面的墙。光到达前面的墙，这个事件（记为事件1）在A的参考系里，有一个确定的位置和一个确定的时间，光到达后端的墙，这个事件（记为事件2）在A的参考系里也有一个确定的位置和确定的时间。只不过1和2的时间在A的参考系中相等。
对B来说，事件1和事件2在B的参考系里具有不同的时间。
A的参考系中12事件同时发生
B的参考系中12事件不同时发生
在上述过程中，我们选择光作为信号的传播载体来记录时间，似乎显得过于特殊。事实上，无论发射光信号或者其他信号比如声波或者两只飞的一样快的鸽子，上述关于事件先后的结论都不会改变，只是鸽子的速度在不同参考系中的速度不一样，计算过程复杂一些，如果选取匀速飞行的鸽子作为信号，鸽子相对于B的速度也不是简单车速+鸽子在车厢中飞行的速度，在狭义相对论中，必须时刻注意抛弃旧有的速度叠加原理和时空观。选取光信号的方便之处就在于光速在所有参考系中的速度都一样。在旧有的速度叠加原理中，似乎只有光不伦不类，不遵循这条规则，在新的相对论体系中，实际上所有物质都不遵循这条规则。
利用光信号，我们可以推出很多奇特的现象，因为我们必须认为利用光信号和利用匀速飞行的鸽子做信号会得到相同的结论，所以利用光信号得到的结论，是适用于所有情况的。
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钟慢尺缩
还是运动的车厢，如果从车厢顶端发射一束光照到车厢的地板，对A来说，光飞过的距离是车厢的高度h，光飞行的这段时间是h/c，为了容易辨认，A特地把车厢地板光到达的位置用粉笔标记为x点。对B来说，由于车厢向前行驶，光飞行的路程其实是一段斜线，为什么一定是一段斜线而不是直线？我们注意事件的具体行为在所有参考系中是相同的，光从车顶到达了地板上的x点，并且这点还被粉笔标记了，所以对B来说，光仍然必须到达x点，而由于车厢向前行驶，在光飞下来的这段时间，地板向前移动了一些，所以在光信号要到达的地点不在它的正下方，而是它的斜下方！这样，光走过的光程就变长了，而这段时间也长于A观测得到的t。这就是著名的钟慢效应！运动的时钟会变慢！
在B看来，光走了斜线
再次注意虽然我们只通过光信号来导出这一结果，但这是个普适结论。钟慢效应是个有趣的现象，并且非常容易引起误解，坐在高速行驶的飞船里会拥有更长的寿命？真的是这样么，那这是不是一种长寿的方法？回顾之前说过的，首先选取一个参考系，才能描述一个事件。
对于B来说，他会觉得A，即车厢上的时钟变慢了，但是在A的参考系里，一切如常。换句话说，如果A坐在高速行驶的飞船上，站在地球上的B觉得飞船上的所有画面都变慢了，飞船上所有人的动作都变得异常迟缓，好像利用慢放功能在播放电影一样，按照这个趋势，当B变老的时候，A还只不过是个青年人啊。但是刚才这段描述都是站在B的角度上，即以地球为参考系来说的。对于A来说，他丝毫不能感觉到这种钟慢效应，对他来说，飞船上的生活和地球上别无二致（如果不考虑重力效应），在A的参考系里一切如故，他根本无法利用所谓“时间延长”的效应来完成更多的事，A像从前一样用2秒深呼吸了一次，而在B看来，A用了10秒完成了一次深呼吸，这简直是在耽误时间啊！对B来说，飞船上的时钟变慢了，所有一切动作都同时变慢了，包括说话，呼吸，分子运动，血液流动，这听上去不可思议，是谁让它们变慢的呢？与其说是有人让它们变慢，更合理的解释是每个参考系（惯性）拥有一个自己的时间，这正是相对论时间观念和旧有时间观念的不同，我们不再有一个统一固定的时间，而除了对其他参考系的物体进行观察，你根本就不能知道自己参考系的时间究竟是快还是慢。如此说来，上帝仍然是公平的，他还是给了每个人一天24小时，无论你是贫穷还是富有，无论你是运动还是静止，你的24小时只属于你自己。
钟慢效应是相对论最坚实的证据。有一种叫μ子的粒子，寿命非常的短，这里寿命指的是μ子静止的参考系，换句话说如果一个人和μ子跑的一样快，这时候他用表计时，发现μ子的寿命只有一刹那（2×10-6 秒）。μ子在宇宙中产生，我们却能在地球表面探测到它，这是因为对地球上的人来说，μ子以接近光速的高速运动，它的寿命变得很长很长，长到足够从宇宙中飞到地球，因此科学家可以在地球表面探测到它。
“时间延长”效应和速度有关，速度越快，对静止的人来说，时间就变得越慢。在相对论中，最快的速度是光速，物体的运动速度和信息的有效传播速度不能超过光速，对于光子（光的粒子，以光速运动）来说，它的时间被延长到无穷慢。一个太阳上产生的光子经过8分钟（相对于地球上的人）到达地球表面，这段时间对光子自身来说几乎为0，它从太阳上一出生，就意味着死亡。可怜的光子，因为它飞的太快了，它根本感觉不到一点点时间的流逝，就立即湮灭，对光子来说，他的出生和死亡之间，几乎没有任何时间间隔，而对地球上的人来说，光子完成了一趟8分钟的宇宙旅行。
同样通过光信号的假想实验，我们可以推出第三个结论，运动的物体长度变短，即尺缩效应，对尺缩效应的理解和钟慢效应类似，即这是相对论时空观所导致的，地球上的B看到飞船上的A变的很瘦很瘦，就像一张纸一样。而A丝毫不能感觉到这个变化。
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什么是相对？
通过相对论的第二个假设，即光速不变原理，我们可以看到高速运动的世界变得异常神奇，现在我们再回到第一个假设，相对性原理，如果对钟慢效应多做一些思考的话，会有这样的问题，A会觉得飞船上的B时间变慢，B会更年轻，而B相对于A做匀速运动，对B来说，不就是飞船不动，地球在以高速远离飞船么！这样对B来说，地球上的人也会时间变慢，A会更年轻，那么当B回到地球时，究竟是A更年轻还是B更年轻？这个问题就是著名的双生子佯谬。
事实上，B根本无法一直做匀速运动回到地球，对狭义相对论来说，相对性指的是不同惯性参考系之间是相对的，如果B试图匀速运动后再回到地球，那么他必然会经历转弯，减速，加速等过程，这时，B已经不是惯性系了。
惯性系之间是相对的，就好像我们坐在匀速运动的大巴车上，假设大巴车足够平稳，不向外看的时候，我们根本不知道我们在运动，即使向外看，我们也不知道究竟是道路两旁的树在向后跑，还是我们的车在向前跑（假设不依赖常识判断），因为这两种说法是完全等价的，只是不同的惯性系罢了。但是当大巴车急刹车时，由于惯性乘客猛地向前撞到前排的座椅，这时大巴车就是非惯性系，这种向前冲的体验，使车上的乘客即便不向外看，也知道现在是车在动，不是树在动。因此，惯性系和非惯性系的差别是“绝对的”。
由此A和B有着本质的差别，事实上无论B怎样转弯减速再加速，加速再减速，当B回到地球上时，都是B比A年轻。
相对性原理意味着我们抛弃了旧有的绝对静止宇宙，在旧有观念中，在上帝视角下一定有一个绝对静止的参考系，这个参考系中充满了静止的以太，这个参考系不同于其他参考系。而在相对论体系中，这个图景被无穷多等价的惯性系代替了。没有哪个惯性系比其他惯性系优越，相对性原理对物理的各个领域都有着深刻的影响。
我们知道变化的电场会产生磁场，变化的磁场会产生电场，电和磁相辅相成，如果有一个匀速运动的电荷，因为电荷在运动，它所发出的电场是变化的，按照之前所说，变化的电场会产生磁场，那么这时候应该有磁现象。但是，如果我们和运动的电荷跑的一样快，那在这个参考系里，电荷应该是静止的，只有电现象没有磁现象！根据相对论，不同的惯性系应该有相同的物理规律，这标志着电和磁就是一类物理现象！由此电和磁得到了彻底的统一，三维的电场矢量和三维的磁场矢量被统一到了一个4×4的电磁场张量中。
对于动力学，我们也能得到类似的结论，静止的物体具有能量，匀速运动的物理除了能量还具有动量，由此，能量和动量也得到了统一，三维的动量矢量和能量被统一到具有4个分量的4动量中。
由相对论动力学进一步推导，我们还能得到最著名的物理学公式E=mc2 ，能量和质量得到了统一！
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狭义相对论的发展
狭义相对论也并非一帆风顺，整个科学界花了很长时间才接受这革命性的理论，1921年，爱因斯坦获得了当年的诺贝尔物理学奖，理由是对光电效应做出的贡献，而非最伟大的相对论，这也是因为相对论在当时仍有争议，不少人仍对相对论表示怀疑。
时至今日，狭义相对论已经获得了巨大的成功，所有物理现象都被它精确符合，狭义相对论的应用已经深入到我们生活的各个角落，不论是宇宙中的星辰还是电器中的电子，高速运动的物理就需要相对论。而人们在生活中之所以不能感受到那些稀奇古代的现象，是因为我们的速度太慢了，相对论的效应只有在物体运动速度达到光速量级时，才能有所体现，对于低速运动的世界，伽利略变换和牛顿力学已经足够，日常世界并不会因为相对论的出现而不再安全。
在相对论框架下，物体的运动速度和信息的有效传播速度，都不会超过光速。一个问题是，假如有一段长3×108 千米的铁棒，触碰了一端，另一端立马感受到振动，这个速度不就超过光速了么？用经典力学的语言来说，机械波的传播也是有速度的，不可能有这种瞬时效应，用微观的量子语言来说，力的传播在是由微观粒子充当媒介粒子传播，没有粒子的运动速度能超过光速，所以整个过程也不可能超过光速。
对于相对论带来的稀奇古怪的问题，只要遵循相对论的两条假设，利用洛伦兹变换，都能很好的解决。
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光波
再次回到我们开始的地方，波既然是一种运动形式，那么没有以太，光波的介质是什么？
事实上光波并不是传统意义上的机械波，它根本不需要介质，这就好像光既是跳舞的人，又是那抽象意义上的舞蹈。事实上，光波是物质波，物质波不同于机械波，任何物质都有波粒二象性，这是一种全新的波（相对于旧的机械波），所有粒子都有波动性的一面，而这，正是另一朵乌云——量子力学，所研究的问题。
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伟大的历程
相对论也不只是爱因斯坦独自的研究成果。历史上，洛伦兹，拉莫尔，庞加莱等人都在爱因斯坦之前对时空问题进行过研究和思考，但他们或有些保守，或不够敏锐，洛伦兹已经推导出洛伦兹变换，这是狭义相对论使用的数学变换，却没有更进一步，反而想用洛伦兹变换来解释旧有的以太理论。只有爱因斯坦，这位当时还在专利局工作的年轻人，凭借对物理长久的思考和特别的勇气，推翻了旧有的物理大厦，手持利剑，划破乌云。
从这也可以看出，数学公式不是物理的全部，即使有了洛伦兹变换公式，如果不对它进行正确的解释，如果不对新的时空观进行更深一步的思考和描述，就不会诞生相对论这样伟大的思想。
据说卓别林曾对爱因斯坦开玩笑说：“大家欢迎我是因为他们都能理解我，大家欢迎你是因为他们都不理解你。”今天，狭义相对论已经成为了现代物理学的基础，所有物理专业的本科生都必须学习狭义相对论，而爱因斯坦的那篇著名论文，也已经发表了112年。相对论对人类有着深远的影响，回顾十九世纪末二十世纪初那段历史，迷惘与自信，保守与变革，遮天蔽日的乌云，划破天际的利剑，人类追求自然和真理的过程，注定曲折而又美丽。
参考资料：
1.《爱因斯坦传》，商务印书馆2015年
2.《物理学史》，清华大学出版社1993年版
3.《费曼物理学讲义》，上海科学技术出版社2013年版
4.《电动力学导论》，机械工业出版社2013年版