[综]BUG相对论(bug相对论无防盗章)

在上一篇文章中，边肖和她的朋友们了解了黎曼几何的诞生，这是广义相对论的数学工具之一。我们将从这篇文章中与你一起回顾广义相对论的物理基础。今天是本模块的第一篇文章，狭义相对论的成就与困难。

其实我在我的另一个五分钟量子力学系列，五分钟量子力学(一)，量子历史:经典物理的困境，也就是麦克斯韦方程组里提到过这个内容。这个方程组预言了光速不变的原理。

麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组

这个光速不变的原理后来被实验证实了，在后来的几十年里以越来越精确的精度在13次实验中不断被证实，成为一个真理。

同时我们也知道，相对性原理已经被所有的实验所证实，也就是伽利略变换。高中学过的经典理论就不解释了。完全符合我们的日常生活经验。这太简单了。

这就打开了一个巨大的矛盾，如何解释相对性原理和光速相对于任何参照系都不变的事实之间的矛盾。

爱因斯坦的天才表现出来了。他看到伽利略变换不等同于相对性原理，相对性原理比伽利略原理更基本。

爱因斯坦在坚持实验得到的光速不变和相对性原理的基础上，放弃了伽利略变换，引入了洛伦兹变换，一举建立了狭义相对论。

要知道，光速不变原理的提出并不容易。如果光速不变原理成立，那就意味着光速是绝对的，这就引出了一个人类以前从未接触过的概念，“同时”是相对的。

“同时”是相对的，即在一个惯性系中，两件事同时发生。对于另一个相对于这个参考系运动的惯性系，这两件事不会同时发生。这种情况与我们的日常生活经验严重冲突，无法理解。

可以说，理解狭义相对论的关键在于理解同时性的相对性。就连爱因斯坦自己也在这个问题上纠结了一年多。当爱因斯坦突破“同时性”的相对论时，他的头脑豁然开朗，相对论的大厦出现在眼前。

可以说，狭义相对论和牛顿经典物理学的根本区别不是相对论原理。因为伽利略和牛顿都支持相对论原理。光速不变原理是狭义相对论和经典物理学的本质区别。

光速不变和相对论的原理告诉我们:

1.所有惯性系重量相等，无法测量相对于绝对空的运动速度；

2.牛顿的绝对空和绝对时间的概念必须抛弃；

3.没有绝对的速度，一切匀速直线运动都是相对的；

4.绝对时间空和以太不存在。

狭义相对论的困境

虽然爱因斯坦的狭义相对论取得了巨大的成就，但狭义相对论实际上还有两个难题需要解决。

1.惯性系不能定义为狭义相对论的基本难点；

在经典力学中，惯性系是很好理解的。此时惯性系定义为相对于absolute 空静止或匀速直线运动的参考系。狭义相对论不承认绝对空，所以牛顿力学的定义在狭义相对论中是无效的。

我们来回忆一下惯性定律:“一个不受外力作用的物体，会保持静止或匀速直线运动”。那么你说的不受外力是什么意思？我们只能说，不受外力就是物体保持静止，匀速直线运动。去，你能接受这种说法吗？无论如何，边肖不能。

在经典力学中，地球的参考系类似于一个惯性系，太阳的参考系比地球的更接近惯性系，星系的参考系比太阳的更接近惯性系...如果我们这样看，可以有比一个更接近惯性系的参考系。这样下去，我们得不到一个严格的惯性系，最终无法解释惯性系是什么。

那么我们可以直接定义一个参照系为惯性系吗？这样也不行，因为如果空房间里什么都没有，那我们怎么标记和区分各种动作呢？没有参照系可以建立。

我们知道狭义相对论的整个理论是以惯性系为基础的，但是我们突然发现在狭义相对论中不可能定义和找到一个惯性系。

此刻，狭义相对论的整个体系就像建在沙滩上的建筑，地基不稳。

2.洛伦兹变换不能用来描述引力。

狭义相对论遇到的第二个困难与引力有关。因为狭义相对论把电磁学和动力学的定律写成洛伦兹变换的形式，是四维时间的张量方程空。然而爱因斯坦绞尽脑汁也没能把万有引力定律写成洛伦兹变换的形式。也就是说，万有引力定律不能纳入狭义相对论的框架，两个理论似乎是矛盾的。

在爱因斯坦的时代，人们不知道原子核内的强相互作用。只知道电磁相互作用和引力。在这种情况下，这两种力与狭义相对论是不相容的。这又是一个巨大的bug，爱因斯坦时代的物理学家无法接受。

各位朋友，本文到此为止。请期待下一个，等效原理和广义相对性原理。

我是一名物理学徒，一名科普搬运工，致力于科普相对论、量子力学、计算机、数学，让深奥的科学理论变得通俗易懂，让科学变得更有趣。耐心看完小伙伴，留言，点个赞，关注再走。