曾经有人问爱因斯坦，什么是相对论。爱因斯坦答道：当你夏天坐在火炉旁边，感觉1分钟如同2小时之长；而当你坐在美女旁边，则感觉2小时只有1分钟之短，这就是相对论。

虽然这是一则幽默，但却能够形象地帮助我们想象相对论中时间相对性的感觉。

提到相对论，默认是指爱因斯坦的相对论，创立于1905年-1915年，包含狭义相对论和广义相对论两大部分。也许让人不解的是，早在400多年前，伽利略不就提出了运动的相对性吗？

的确，仅从文字上看，此两个“相对性”是同义的，都指物质运动具有相对性。你对我是运动的，那么我对你也必是运动的，二者完全等同，任何一方均无优劣，但伽利略相对性只适用于低速运动，且限于力学运动学范围，而爱因斯坦相对性扩展到整个宏观物理学领域，连时间、空间、质量都是相对的、可变的。

相对论彻底颠覆了人类的思想认知，哲学也因相对论而改变了内容和观点。相对论成功预言了光线弯曲、引力波等重大的宇宙问题，是目前解释宏观宇宙的普适理论，我们日常生活中的卫星时间、核能发电都需要相对论理论的指导。这是爱因斯坦成为迄今最伟大的两位科学家之一的重要原因，另一位是牛顿。

爱因斯坦创立相对论时，还具有一个独到之处：他一直是在头脑中进行思想实验，然后获得理论，而其它的所有科学理论，均是基于已有实验结果或现象，然后通过分析而获得的。

爱因斯坦相对论向下兼容伽利略的相对性，二者不是对立的。在低速情况下，爱因斯坦的运动相对性就简化为伽利略相对性。而在高速情况下，伽利略相对性，包括牛顿力学则不适用。这里的高速、低速，是和光速相比而言。远小于光速的，如日常所见的速度，即为低速；相比光速不能忽略的速度，比如百分之一光速的运动，则可视为高速。

一、相对论主要内容

这里且列狭义相对论的几条主要内容：

1、宇宙中光速不变。不论你处于静止，还是在任意速度的飞船上，你测得的光速都是相等的。光速是宇宙中的绝对不变量。这是迄今所知宇宙中唯一的绝对量。

2、相对性原理。物理规律在所有惯性系中都是相同的，没有特殊的参考系。简要理解为：在地面上和在飞船上分别作同一个物理实验，各自获得的结果是完全相同的。

3、宇宙中光速最大。任何物体速度都不能超过光速，不论用多大能量来加速物体，物体速度都不会达到光速，只能接近光速。

4、长度收缩。高速运动的物体，其长度变短。变短的程度与速度相关。

5、时间膨胀。高速运动的物体，其时间流逝得慢（即膨胀）。变慢的程度与速度相关。

6、质量变大。高速运动的物体，其质量变大。变大的程度与速度相关。

7、同时性的相对性。似乎有点拗口，其意是，同时性也是变化的。举例：你观看跳水运动时，有两个运动员极其精确地同时起跳，但在另一个惯性系参里的人看来，此俩运动员却是一个先跳，一个后跳。

8、质量能量相关。质量和能量存在关系E=mC2 (光速平方)，这表明质量和能量是等同的，并且可以相互转化。该公式被誉为最美的十大科学公式之一，是核能设计利用的理论基础。

上述8点中，第1点是在相对论创立之前已被证实的结论，爱因斯坦以此作为创建相对论的基本公理，第2点是爱因斯坦提出的科学假设，其余几点均是相对论理论导出的结果。这些结果表明，时间、空间和质量并非固定不变，而是和物体自身运动状态紧密相关。这些结论完全颠覆了人类自诞生以来所形成的经验、思想和认知，甚至难以被大多数科学家们接受，据说这是相对论未能获得诺奖的原因。

相对论给出的这些时空结论，特别是孪生佯谬和长度伸缩，是非常有趣的。孪生佯谬是时间膨胀的典型应用，这两种现象均已得到证实。

二、孪生佯谬

佯谬是指一种看起来是错误的，但实际上却不是错误的现象。

话说一对双胞胎甲和乙，在年轻时，甲乘坐高速飞船遨游太空，乙在地球家里宅着。几年后，甲结束太空之旅回到家时，发现胞兄乙成了白发老人，而甲自己不过增长几岁，依旧年轻如故。这种不可思议的结论，是高速运动产生的相对论时间膨胀效应，并不是甲在天上吃了长生不老的丹药，也不是太空生态环境的美好，而是甲的时间比乙的时间跑得慢，这种效应已被大量实验或事实所证实。看似谬误，实非谬误。简言之，运动者的时间跑得慢。

这个结论类似西游记中“天上一日，地上一年”的说法。400多年前的神话竟和现代科学理论相当契合，佩服作者吴承恩天马行空的浪漫想象。根据相对论，只要选择合适的飞船速度，完全可以实现甲在天上度一日、乙在地上过一年的奇幻光景。

但是，细究一下，我们会发现两个问题：

其一，甲在飞行，乙宅家里，因此甲更年轻。但是根据相对性原理，在甲看来，乙在运动，那么乙应该更年轻。各自都认为对方年轻，这就矛盾了。甲乙究竟谁更年轻？或是相对论错了吗？

其二，甲在天上飞一日，乙在地上过一年，那么，甲在飞船上的一天等于365个地球日那么长吗？这么长的一天，他该吃多少顿饭？同样换位思考：在甲看来，地球上乙在运动，那么乙的一天应该等于一年，但宅在家里的乙从来没有感觉到丝毫的变化。为什么？

设想一下，在茫茫宇宙中，很容易能找一个相对地球高速飞行的星球A，那么，在星球A生物看来，我们在高速飞行，时间膨胀明显。同样，我们也不难找到一个低速飞行星球B，在B生物看来，我们也是低速飞行，时间膨胀忽略不计。那么，我们到底是变得更年轻了，还是岁月依旧？其实，我们始终一如既往，一日三餐，一年365天，与别人的观察与否毫无关系，我们的生命进程不会因为别人飞天而被加速或减速。每个人的时间都是自身固有的，不像量子状态那样受到观察而瞬变。

那么，时间膨胀是否客观存在？合理的解释是，如果胞兄甲在天上转360度，回到地球家里，那么，就确实出现甲比乙更年轻的客观事实。也就是说，二者只有处于同一地点、同一时间的节点上进行比较时，时间膨胀效应才能体现出来。这真是没有比较，就没有“伤害”。两个做相对运动的人，各自都可以认为对方时间流逝得更慢，但隔空的比较却不具有客观意义。

三、长度伸缩

物体运动时，它的长度会变短。这同样也会产生佯谬。一个有趣的例子：一列火车和隧道等长，当火车运动进入隧道时，火车变得比隧道短，在火车头刚到隧道出口时，地面一歹徒向火车后端的隧道入口射击，但因为运动的火车比隧道短，因此，火车尾部处于隧道之内，子弹不能击中火车尾部乘客。

但是，在火车上人看来，隧道在运动，其长度比火车短，隧道包不住火车，那么外面的歹徒就击中了火车尾部乘客。

问题来了：歹徒到底有没有击中火车尾部乘客？乘客要么被击中而死，要么没被击中而活。死和活是一个客观事实，不可能出现火车上看到乘客死亡、地面人看到乘客无恙这种矛盾。客观事实不会因视角而变。

上面疑问确实令人迷惑。解答这个疑问的关键是，相对论中的同时性也是相对的。在火车上人看来，地面歹徒开枪时刻比地面时间晚一点，也就是歹徒开枪时，火车尾部已经进入隧道了。所以，相对论推演的结论是唯一的、协同的。

对于爱因斯坦的相对论，当时许多大科学家都不理解，或不被接受，一度被戏称为全世界只有2.5个人懂得的理论。如今，相对论理论早已被实验和事实所验证，是宏观宇宙学的基础理论。

四、关于地心说和日心说

根据爱因斯坦相对性原理，所有运动都是相对的、等同的，那么，地球围绕太阳转、太阳围绕地球转，二者都应该是正确的。是的，二者都对！这不是为地心说翻案。在相对论看来，地心说、日心说不过是选择了不同的参考系。参考系是相对论推演中不可或缺的出发点，但不存在特别的参考系。日心说的先进性，在于解决了地心说所不能解决的问题，优化了理论架构。地心说也好，日心说也罢，它们各自都只适用于一定的时空条件。同样，相对论也有其适用范围，它无法应用于微观量子领域。迄今为止，适用于整个宇宙的大统一理论尚未诞生。