相對論的兩條基本假設

我們現在都知道，愛因斯坦相對論的基石有兩個分別是：

• 光速不變原理
• 相對性原理

其中，相對性原理其實是伽利略提出來的，因此，也被稱為伽利略變換。

後來，牛頓發揚“拿來主義”，把這個原理納入到了自己的力學體系當中，不過稍微做了一些調整。而“光速不變原理”則是愛因斯坦的原創。

其實，愛因斯坦創立相對論是有點復古的。為什麼這麼說呢？

如果我們回想一下初高中學過的平面幾何證明，就會發現，相對論和這個平面幾何很類似。平面幾何也被我們稱為歐幾里得幾何學。

這門學問是基於5條基本的公理，也可以稱為公設。然後，一步步推導出整個理論體系。我們初高中學到的關於歐式幾何的那些結論，其實都是從這五條公設推導而來。

科學家一直對於第五公設耿耿於懷。於是，就有人對這條公設下手了，然後得到了其他的幾何學，比如：黎曼幾何，就是一種曲面上的幾何學，後來也被運用到了廣義相對論當中。

愛因斯坦其實緊跟著歐幾里得的腳步，也是利用兩條基本假設，推導出了狹義相對論。因此，光速不變原理的重要性可見一斑。可是，提出光速不變原理的過程卻是充滿荊棘。

兩大科學巨匠的衝突

光速不變原理的提出並不是一帆風順。其實這來源於兩大理論體系的矛盾。在理論物理學史上，有三位科學家是第一梯隊的存在，這三位分為是牛頓、麥克斯韋和愛因斯坦。他們都憑藉自己一人之力完成了一套理論體系的建構，分別是：

• 牛頓統一了天上和地上的物理學規律，提出了萬有引力定律和牛頓三大定律；

• 麥克斯韋統一了電和磁，預言了電磁波的存在，光是一種電磁波；

• 愛因斯坦統一時間和空間，質量和能量，並提出了全新的引力定律。

其中，牛頓的理論就和麥克斯韋的理論發生了衝突。這個衝突是什麼呢？

具體來說是這樣的，根據牛頓力學，我們知道，如果你在一輛汽車上沿著汽車運動的方向運動行走，這時如果有一個地面觀測者，那他觀測到你的速度就是：車速+你在車上行走的速度。

但是，如果現在條件換一換，你不走，而是拿了一個手電筒沿著車運動的方向照過去，那地面觀測者看到的光的速度就是：

因此，按照牛頓力學，光速大小應該和參考系的選取有關。

可是，我們通過麥克斯韋方程進行推導，就會得到一個光速的表達式：光速c=1/ε0μ0。這裡的兩個符號分別是：

• ε0：真空介電常數。
• μ0：真空磁導率。

它們其實都是常數，這就意味著光速的表達式中沒有變量，光速是一個固定值，不應該隨著座標系的變化而變化。兩者也就出現了矛盾。

當年，牛頓之所以被學術界廣泛認可，其中有一個關鍵的原因就是特別準。牛頓力學已經可以解釋人們肉眼可見的各種物理學現象。甚至一些科學家可以直接利用萬有引力定律，僅僅依靠紙和筆就預言海王星的存在。

同樣的，麥克斯韋的理論同樣是成就巨大，它可以解釋幾乎所有的電磁學現象，而且這個理論直接預言了電磁波的存在。後來，赫茲通過實驗證明了這一點。馬可尼還利用赫茲實驗原理髮明瞭無線電通訊技術。

因此，兩個理論應該不會有什麼錯誤，可是偏偏它們在“光速”上就出現了相互矛盾。

“以太”存在麼？

當時許多科學家就想方設法去調和這個矛盾。當時，由於麥克斯韋方程的地位如日中天，所以當時的科學家認為：光是一種波，而不是粒子。而我們最常見的水波其實傳播過程中是需要介質的，也就是水。

因此，有的科學家就認為光的傳播也需要介質，這個介質被稱為以太，光相對於以太是光速。但是這些純粹只是猜想，而沒有石錘。因此，就需要通過實驗來證明。當時很多實驗物理學家都想方設法證明以太。其中最有名的當屬邁克爾孫莫雷實驗。

可惜的是，無論他們如何努力都沒有辦法證明以太是存在的

物理學的危機和重生

在19世紀的最後一天，當時的著名科學家開爾文勳爵在公開演講就提出，經典物理學上空有兩朵烏雲，一朵是黑體輻射，一朵是以太。也就是說，“以太”引發了物理學的危機。

於是，很多物理學家想了各種不同的辦法，試圖去調和這當中的矛盾，但這些嘗試都不算成功。就在這個時候，有個年僅26歲的小夥叫做愛因斯坦，他提出了他的解決方案，他認為光速在任意的慣性座標下都是不變，也就是光速不變原理。在這個基礎上，加入伽利略變換，在1905年提出了狹義相對論。

也就是說，愛因斯坦其實是結合了麥克斯韋和牛頓理論體系中的一部分，以此為基礎，建立起了相對論。起初，這個理論對於當時的物理學家來說太艱深，並沒有引起太多注意。隨著

隨後，大量的物理學家加入到了驗證廣義相對論的隊伍中，在隨後的100多餘年的發展中，相對論都被實驗和觀測所證實，成為了主流的物理學理論。

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