爱因斯坦的相对论为什么那么难懂？

马海飞

爱因斯坦的相对论问世已经有100多年了。但至今为止几乎没有人能够完全理解它。至少，这个理论不像牛顿的理论那么简单易懂。为什么它那么难懂？难道相对论真的深奥到如此神奇，以至于到了让人无法理解的地步？我想就此问题给出一个答案。

我们知道，伽利略也有个相对论。根据伽利略相对论，我们可以这样来描述物体之间的相对运动：张三坐在一辆行驶中的车上。李四站立在地上。张三和李四都认为自己静止不动。因为张三坐着不动。李四站立不动。他们的确都不动。从能量消耗上看，两个人都不消耗体力。所以，说他们静止不动也没有错。但是，张三与李四之间却存在一个相对距离的改变，也就是“运动”。于是，张三说“是李四在运动”，而李四说“是张三在运动”。到底是谁在运动呢？这就是伽利略说的相对运动。

但是，在这种情况，如果不规定一个绝对空间参照物的话，张三与李四之间的争论是不可能有结果的。也就是说，只要在不存在“绝对”的前提下，仅仅以“相对”为前提来观察物理现象和讨论问题的话，永远也不可能说出谁对谁错来。

事实上，在这个场景中，明摆着是张三随着他坐的车在运动，而李四才是静止的。那么，是什么原因把这么简单的问题给复杂化了？就是“相对性原理”。相对性原理其实本质上是一种数学原理，也就是说，它是一种描述物体之间在数量上的相互关系的原理，而不是物理学原理。物理学原理一定要有物理机制为基础才可以。从物理机制上解释的话，张三就是运动的。因为张三坐的车在运动。运动就有能量，有能量就有可能撞到人。如果张三坐的车撞到了站在地上的李四，可能除了一些物理学家以外，绝对不会有人用相对性原理来把这个事故解释成是因为李四做“相对运动”而撞到了“相对静止”的车上的。因为李四站立在那里，没有任何动量，根本就不可能撞到任何东西。所以，物理学原理与数学原理是不同的。一旦无视物理机制，仅仅依靠数学，就有可能把简单的事情给复杂化了。

那么，爱因斯坦的相对论与上面的例子有什么关系呢？其实很有关系。爱因斯坦就好比是那个坐在车上的张三。而牛顿就好比是站在地上的李四。只不过，爱因斯坦乘坐的不是普通的车，而是一个“光速火箭”。因此，爱因斯坦与光速之间是相对静止的。所以，在爱因斯坦的眼里，除了光速不变以外，其他的所有一切都是可以变化的。在这个前提下，他使用以数学为基础的“相对性原理”来解释所有的物理现象就形成了他独特的相对论。结果，这个理论就得出了包括“物体的质量”，“时间”和“尺子的长短”都可以改变的结论。于是，让那些与牛顿一起站在地上的人感到无论如何都无法理解。因为牛顿使用的是绝对的时间和空间，质量和时间与尺子都是不能改变的。

现实中张三与李四之间的相对关系比较容易搞清楚，那是因为张三坐的车速相对光速而言要慢得多。因此，除了数学计算之外，也可以进行实地测量。然而，光速是无法实地测量的，所以，只能靠运算。而运算的结果可以是“相对正确”的。所以，崇拜数学人就相信数学结果了，也就相信相对论了。关于“相对正确”的问题可以从自由落体速度的计算公式中得到清楚的解释：v=gt（自由落体速度＝重力加速度x时间）。 如果我们像爱因斯坦规定光速不变那样规定g是一个不变的常数，就会得到：t=v/g。因为g不变，所以，时间t就会随着v在地球与月球上的不同而变化。于是就会得出“时间是可以膨胀或收缩的”结论。这种做法并不影响数学运算结果。而这样得出来的结果是数学“相对正确”的，而不是物理学正确的。

在科学史上有过一段“地心说”的时期，人们以地球为中心参照物来描述太阳系。其实，这种做法并非不可行。今天，借助于计算机，人们完全可以以地球为“相对中心”计算出太阳系中其他星体的运行轨道。也可以得到数学上的相对正确结果。但是，这样绕大圈子得到的“相对正确”结果一定比直接以太阳为中心所得到的结果复杂多得多。爱因斯坦相对论的道理是一样的。相对论之所以那么难懂，就是因为它选择了光速为参照物，结果就把原本简单的自然现象通过数学给复杂化了。

现代物理学建立在爱因斯坦的理论基础之上。物理学家们就好像乘坐在爱因斯坦的光速火箭上一样。他们根据在火箭上看到的现象（错觉）和相对正确的运算结果来建立新的物理学理论。结果，表面看上去那些理论似乎有些道理，而且计算结果也“正确”，但却让站在地上的人难以理解。所以，爱因斯坦的相对论不是因为理论的深奥而难懂，而是因为在“绕圈子”或“本末倒置”的原因让人难以理解。

有朝一日，当物理学家们从爱因斯坦的光速火箭上下来，站到地上的时候就会发现，原来自然现象竟然是如此简单。物理学理论竟然绕了那么大的一个圈子。