相對論和量子理論是近代物理的兩大理論支柱,同時現代高新技術的理論基礎。相對論是一個關於時間,空間和物質運動的理論,分為廣義相對論和狹義相對論。

在講相對論之前,必須要先了解伽利略變換和經典力學時空觀。眾所周知沒有絕對的靜止,我們之所以認為大地是靜止的,是因為我們將大地作為參考系。而宇宙中是沒有默認的參考系的,我們需要自己建立參考系,這就涉及到不同參考系的變換。假設參考系S1相對S的速度矢量為v(本文中粗體代表矢量),一個物體在S1中運動速度矢量為v1,那麼,這個物體在S中的速度矢量就是v+v1,注意這是矢量和,不是簡單的加法運算。

在19世紀,人們認為這種變換可以應用於世間萬物,包括光,由此有人提出了以太理論,認為宇宙中存在絕對靜止的一種參考系—以太,並且光需要通過以太作為介質傳播(注意以太理論認為以太絕對靜止,如果看到有人說以太是運動的,那麼可以斷定是偽科普)。後來,著名的邁克耳孫—莫雷實驗以極高的精度(精度達到(u/c)級)。按照伽利略變換,由於地球的公轉,所以光在垂直方向和水平方向的速度必然不相等。由於實驗原理複雜,不展開細說,只說結果。在緩慢轉動邁克耳孫幹涉儀,理應產生幹涉條紋移動,然而實驗中幹涉條紋紋絲未動。且根據誤差計算,幹涉條紋需移動▲N≈0.37,而實際不到0.01(其實就是沒有移動,為了準確才說不到0.01)。有人可能會說地球公轉+自轉影響結果,但實驗持續時間很短,可以近似將地球看成慣性系。在後來,大量科學家重複了這個實驗,都未發現幹涉條紋偏移,以太理論不攻自破,而唯一可以解釋的,目前只有相對論。
愛因斯坦認為,所有慣性系都是平權的,不存在所謂的最優(絕對靜止)參考系,並且所有參考系中的物理規律都是一樣的,這就意味著無論你是坐著飛船還是坐在地上,看到的光速都是一樣的,光不符合伽利略變換。他把這些歸納為兩大原理:相對性原理和光速不變原理。這就是狹義相對論的基礎。
其實早在洛倫茲研究電磁場時,就已經提出了洛倫茲變換,這個變換恰好可以解釋光速不變原理。這是否暗示了光和電的本質是相同的呢?目前還說不準。

狹義相對論的時空觀包括:同時的相對性,長度的相對性,時間間隔的相對性以及因果關係。通俗地講:1.你看到同時發生的事情,別人看到可能是先後發生。2.在不同參考系下測量同一個物體長度可能是不同的。3.同時出生,但處於不同參考系的人,可能年齡不同。4.有因果關係的事情發生的時序不會顛倒。當然以上現象都需要在高速運動時才能有所展現。
相對論中最難懂的是動力學。它把力定義為動量對時間的函數的導數,F=dp/dt,如果把這個新定義帶入牛頓力學的功能關係式:d(Ek)=F·ds=F·udt,F=d(mu)/dt,可以得到mc=Ek+m0c,愛因斯坦將m0c定義為靜能,總能量E為動能和靜能之和,就得到了質能方程:E=mc,它說明一定的質量就代表一定的能量,這個原理被應用到原子彈製造中,即原子核放出的能量與元素種類無關,只和損失的質量有關。

雖然相對論還未得到有力的證明,但是它的原理以及被廣泛應用到生活中,它可以堪稱是人類目前為止最偉大的理論。
