老规矩，本人镇楼。

声明几点：
1.去年这个时候我在本吧发过相对论科普，然而吧里的状况是科普一批又来一批，故由此一帖。
2.本帖为基础科普向，切不可以为本帖内容就是狭相推导过程，有能力的还是要看原论文。
3.本帖不接受辩论，民科大神请绕道。
4.本帖将不定时更新。
5.本文篇幅可能较大，相对论有很多反直觉的东西，希望真正对相对论好奇的朋友们能坚持读下去。整个过程有一个词可以形容：虐脑。是滴，很费脑袋，要用心思考才能理解的。当你真的把握住了相对论的精髓思想后，回看这一切，就会认识到这是非常美妙的一件事。

献给小爱

首先从结构上说一下，狭义相对论（简称SR，S是特殊的意思，R是相对论的意思）是怎么组成的吧。SR有两个最根本的前提假设，A：光速不变原理，B：相对性原理。

从这两个假设可以推导出一个叫做“洛伦兹变换”的东西。为啥叫洛伦兹，因为是一个名叫“洛伦兹”的人首先写下这个东西的，爱因斯坦是后来才写出来的。但很可惜，洛伦兹没有搞出相对论，却搞出了个有类似内容的理论，结果被抛弃了。

好，得到了这个洛伦兹变换，就能直接得到尺缩时涨，也就是运动的尺子收缩，运动的钟表时间膨胀这两个结论。

可是。。。这些都只是数学推导的结论，我要写的不是这些，而是这些结论背后的物理。所以我们就绕开这条道，走旁门左道吧。

自古以来，人类积累了一大堆生活经验。比如，一根木头只要不腐烂，放在这儿或者放在哪儿，木头的长度看起来是一样的。这很显然嘛。再比如同样这根木头，昨天的长度跟今天的长度也是一样的。三体里的那个六分仪用台球的例子说明过这个问题，当然他说得更高级一点。

这意味着，物体的长度是一个可以在很多地方、很多时候被反复测量的量。当然，这个结论是否正确，最好还是多做一些实验。但是从直觉上来看，这个结论没错。

那应该怎么测量木头的长度呢？用尺子嘛。为啥尺子可以测量长度？就因为上面说的：尺子本身的长度，任何地点任何时候都应该是恒定不变的，所以可以拿来做测量物体长度的标准。

这里推想一下：如果尺子长度在不同地点，不同时候，会变化，那么会怎样？

如果尺子在不同地方，不同时候的长度会变，或许我们还可以用尺子来测长度！为啥？因为我们可以相信，物体的长度也会在不同的地方、不同的时候，发生跟尺子同样的变化！尺子的本身长度，跟物体的长度，同比例地同步变化，所以测出来的结果，跟不发生变化时测出的结果是一致的！

这里隐藏着一个很有趣的现象，那就是物体的长度，反映的是物体所占据空间的长度，是空间的长度！两把尺子A和B，如果在一个地方它们长度相同，那么我们应该可以推算出，这两把尺子在任何地点的长度也是一样的！不可能换了一个地点，尺子B的会比A的更长了。换一种高级点的说法就是，空间应该使物体存在的“舞台”，对所有物体的长度都一视同仁！

哈，关于物体长度，貌似讲完了。。no，没完呢。有一个情况我们貌似直接忽略了：运动着的物体的长度，该怎么用尺子去测量呀？

要说下这个运动着的物体是什么意思。我们说，物体运动，都是相对于一个参考物体的。比如说，开动着的汽车，是相对于马路在运动，马路就是参考的物体，站在马路上的人会给这个说法一个好评。。那么马路是否也在相对着谁运动？是啊，马路在相对着汽车运动嘛，坐在汽车里的人看到马路向后跑，就是这感觉。那么，到底谁在运动啊？这个问题提得很错误。。运动只能说是相对于谁的，比如说到汽车在运动，应该说汽车在相对于什么运动。那么马路不是看起来不动的嘛？谁说马路也在动啊？汽车上的人说的，马路跟马路边的车站、建筑、植物神马的一起在运动，相对于汽车运动。。

好吧，不知道初中生学过这个没，运动的相对性。

好，接着问运动的物体该怎么量长度。现在知道了，运动的物体肯定是说相对于谁在运动的物体对吧，一般来说，谁去测量，就是相对于谁。比如说@龙野游新要去测量，那么就必须说，他去测量一个相对于他运动的物体的长度。。物理一点的说法就是，以龙野游新为静止参考物，测量运动物体的长度。

怎么测？

大伙儿或许会想到，让龙野游新跑起来吧，追上那个物体，然后跟那个物体保持相互静止，然后用尺子去测！

这只能给差评了。。。

好吧，我这里要问的是，规定龙野游新不许动，他该怎么去测量跑动的汽车的长度？换做你，你会怎么去测？

我有一个简单的办法。。拍个照不就行了。反正照片里有汽车，还有马路和马路上的各个附着物（垃圾箱神马的）。我对着照片，用尺子量好汽车的长度（这长度肯定不是真实的对吧），然后再去量照片里马路边两个东西的长度（也不是真实的对吧）。。。明白了吧，我再去量一下实际情况下马路边那俩货的真实长度，最后按比例算一下就知道汽车的真实长度了。

这个方法是个好方法，简单又实用。

没人吗？不更了。

继续

再仔细想一下，如果我事先在马路上，等距离地放好一个个垃圾箱，不就更方便了嘛？最好每两个垃圾箱的间距都是1米。到时候拍照后，我只要数一数照片里，汽车两端之间有几个垃圾箱就能大概知道汽车的长度了。

这个等距离堆满了垃圾箱的马路，可以说是一把更大的尺子。我们都看到过，尺子上有一个个刻度。这些刻度就相当于上面我说的那一个个垃圾箱。

这样的马路，抽象一下，想象成一根笔直的长长的杆子横放在地上，杆子上有等距离的刻度（一把很长的尺子）。好吧，这就是一根坐标轴。坐标轴，就是一根长杆子（轴），上面等距离地刻着一个个刻度（坐标）。

要注意的是，这根长杆（轴）必须是笔直的啊，弯曲了的话就没用了。而且必须保证轴上的刻度是等距离分布的，否则也没用了。现实世界里很难做出这样的一根轴，只能想象了。

还有其他方法测量运动物体的长度吗？有！

我们在汽车前末两端各放一个反射镜，稍微上下有点落差。我们在手里拿着两个发射激光的发射器，再拿两个接收激光的接收器，接收器连着电子表。

看到汽车跑过去了，我同时打开两个激光发射器，向汽车发射激光。其中一道光遇到车尾反射镜后，反射回来。另一道要遇到车头反射镜后再反射回来。于是最后我手里的两个接收器会一先一后接收到这两道反射回来的光对吧，连接到接收器的电子表自动记录下接收时间。

于是我就有了一个时间差值，意味着两道反射回来的光，先后回到我这儿的时间差。当然，光的速度是已知的，汽车的速度也必须是已知的（可以看汽车里的速度仪表）。这样就能算出汽车的长度（两个反射镜之间的距离）了。

这两个办法，看，有一个共性，那就是都用到了“光”！注意，拍照，拍的是从物体上散射出来的光。

这就是为啥，相对论那么在意光了。或者说，如果光有一种特殊的性质，那么在测量运动物体的长度时，会发生很特殊的情况了。

很明显，光的这个特殊性质就是“光速不变”。这个待会再说。现在看看怎么测量时间吧。

用表呗。秒表、机械表、电子表、原子钟都行，只要是有固定周期的重复性运动的装置都可以。比如高中学过的单摆也可以。

什么叫时间？这个问题难。我可以这么说，时间跟长度一样，也是用“尺子”去测量的，跟测量长度的原理一样。测量长度，最终的结果就是“相当于几个标准尺子长度”，比如3米，就是相当于3个标准米尺的长度。。测量的时间也一样，结果就是“相当于几个标准周期”。比如说5秒，相当于“秒表指针跑了5圈”。

这里有个概念是“时刻”，对应着上面说的尺子上的刻度。但是钟表不是一根长杆子，没法画刻度的。这怎么办？

回想一下前面说到的那条马路，或者说是坐标轴。我们看这个刻度，总能找到一个“0刻度”吧。一般，我们总是把测量者放在这个0刻度的位置上，这个0刻度的位置称为“原点”。比如龙野游新在测量开动汽车的长度时，就是以自己为0刻度来建立一根坐标轴的。可以看到，这个0刻度是可以随便放置的。但一旦放好了0刻度，相当于放好了坐标轴，那就不能改动0刻度和坐标轴的方向了。

时间也一样，有个0刻度，也是随意设置的。比如我可以设定时间的0刻度是公元元年，也可以设置为2016年1月1日0点，更可以设置为给汽车拍照的那个瞬间。但一旦设定了一个0刻度，就不能轻易改变它了。时间的0刻度，一般称作“0时刻”。

接着就说得通了，所谓的某个时刻，就是离开0时刻的“时间长度”，这个时间长度一般称作“时间间隔”，就像物体的长度一般称作“空间间隔”一样。时间间隔用秒表的读数来指出，表示从0时刻开始（那时候按下了秒表，秒表指针开始画圈），秒表的指针走了几圈。

好，接下来看，怎么测量一段时间。假设啊，有一个家伙叫@上帝保佑女皇c，他在抽烟。我们怎么测量他抽一根烟的时间间隔呢？

在他点燃香烟的时候（时刻），我们设定这时是0时刻，同时按下手里的秒表。女皇呼呼地抽啊抽，秒表指针刷刷地走啊走，我看着秒表滴滴滴地统计着秒表走了的圈数（秒表读数）。

哈，女皇抽完了烟，刷的一下扔掉了烟蒂。我看到他扔掉烟蒂的同时，手忙脚乱地停下秒表，脑袋里残留着最后的读数。这个读数就是他女皇抽烟所花的时间间隔。

这很好理解对吧，对的。但是如果女皇开着汽车在抽烟，肿么办？？也就是该如何测量运动物体的时间间隔？

我的办法是，在马路上各个位置我都安排一个人，每个人手里都拿着一个秒表。马路上好多人，挤满了整条马路哈。其实就是，马路上放了好多秒表和记录秒表读数的自动装置，可以说，在马路的任意一个位置，都有一个秒表。

注意哈，这么多秒表，必须都要校准的哦，而且必须要相同的哦，不能是一个表走得快，另一个表走得慢，这可不行。

校准的意思是，在一个表按下的同时，其他所有的表都必须一起按下。也就是说，所有的表，都有相同的0时刻。

校准那么多表，看起来很容易，其实做起来很麻烦很麻烦。不管了，无视这些麻烦，就这么假定都校准了。以后有机会我会详细说说怎么校准。

好了，汽车开过来了，女皇还没开始抽烟。我一声令下，所有的表都开始跑起来。接着女皇点燃了香烟，离开女皇最近的那个秒表，记下读数。抽啊抽，抽完了，另一个离开女皇最近的秒表记下另一个读数。于是，两个读数的差，就是开着汽车的女皇抽完一支烟的时间间隔。

就这么回事。要注意啊，要获得“女皇开始抽烟”和“女皇抽完了烟”，我们必须用眼睛去看的，意味着要用到“光”。又来了，又跟光有关系了，木有办法。

还有没有其他办法？？应该是有的，不过我现在一下子没想出来。我这里只是想说一个另类的东西。一个很奇葩的计时装置。

这个奇葩计时装置这么搞：把两面镜子水平地平行放置，俩镜子之间隔开一小段距离，固定好。开始计时的同时，让下方的镜子魔幻般地垂直向上发射一小段光。哈，光就会在这两面镜子之间来回反射了对吧，这就是一个往复运动了。往复运动都可以计时的。

把这个奇葩装置放到女皇的汽车上，跟着女皇汽车一起跑。马路边上的龙野会发现神马？神马？嘿嘿。有余力的小伙伴们可以画张图看看会有些神马好玩的。

好吧，我承认前面这些都是铺垫，都是提神醒脑的测试。如果你坚持看到这，恭喜啊，你就必然能看得到最后了。相对论中充满着这样的分析，仔细的分析，不过也就这样子难度了。换句话说，相对论就是把平时我们习以为常的过程，一步步放大看细节。有一些细节，特别是跟光有关的，就要留个心眼，那就是相对论要修改的地方。原因嘛，就是因为光速不变。

于是，at last，我们开讲正式的。。。。

从狭义相对论的两个前提开始，必须的。首先讲光速不变原理。

我这里先讲一下这玩意儿到底说的是什么。至于为啥会这样，这要留到后面去讲了。也不会很后面，讲完第二个前提后就开始。

【光速不变原理】
任何惯性测量者，所测量到的真空中的光速都是恒定的数值。

咳咳，有点拗口。先来个语法分析哈哈哈。这句话的主语是啥？光速呗。谓语是“是”，宾语是“数值”。。。【光速是数值】。好，这应该很明确的，速度嘛，总是一个数字对吧。光速大约就是30万，单位是“公里/秒”。

哪种光速？是测量到的真空中的光速。。呵呵，意思是只考虑在真空里运动的光的速度，水里、玻璃里、气体里等等在介质里传播的光，不予考虑！真空是啥？就是空空如也，啥都没有。

接着，这光速是谁测量的呀？是任何惯性测量者。这词解释起来麻烦，对高中生就可以说是任何的匀速直线运动的观测者。对于初中生来说，就是那些不是一会儿加速一会儿减速，也不会拐弯的观测者。不知道初中生能否理解。不理解的喊一下。

好，最后看，这样的光速是什么样的数值？是恒定的数值！什么叫恒定的？就是同一个，也就是不变，嘿嘿，【光速…不变】来了。

好，这句话可以这么说：任何的匀速直线运动的观测者，所测量到的真空光速都是30万公里每秒。

好好体会一下先。。。。。




好，这句话该怎么具体理解？仔细想过的朋友或许会产生好多问号：这怎么可能！！！？？？所以最好你也能仔细想出这些问号来。




我们先不看光，看一辆火车在铁轨上匀速地跑。我站在地面上，看着火车跑，测量到火车的速度比如是时速100公里。接着我开着一辆汽车追赶这火车，我汽车开到60码，也就是时速60公里。大家想一下，这时候我测量火车的速度（相对我和汽车的速度）是多少？必须是40公里的时速对吧！如果我加快汽车速度，达到时速100公里呢？？我看到我跟火车并排向前开了，换句话说火车相对于我静止了！我继续加大马力，达到时速120，这时候我看到火车“往后跑”了。这很常识吧。