相對(duì)論和牛頓理論的本質(zhì)區(qū)別，在于對(duì)“時(shí)空”概念的理解。時(shí)間是什么？空間是什么？這聽(tīng)起來(lái)像是高深的哲學(xué)問(wèn)題，但實(shí)際上，物理定律必須建立在與其相關(guān)的概念的基礎(chǔ)上。對(duì)這兩個(gè)根本問(wèn)題，很難給出所謂正確的答案，但深刻認(rèn)識(shí)相對(duì)論時(shí)空與牛頓經(jīng)典時(shí)空的差異，方能正確理解兩種宇宙觀的差異。

大家都知道，當(dāng)我們?cè)谟懻撐矬w的運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須指明是對(duì)于哪一個(gè)參照系的運(yùn)動(dòng)。你坐在飛機(jī)上，相對(duì)于地面在運(yùn)動(dòng)，而相對(duì)于飛機(jī)上的座椅，你是靜止的。狹義相對(duì)論和牛頓理論都使用參照系，區(qū)別在于，牛頓理論隱含了宇宙中有一個(gè)“絕對(duì)”參照系的假設(shè)，相對(duì)論的思想則是認(rèn)為所有的參照系都應(yīng)該等同。當(dāng)你坐在一個(gè)平穩(wěn)行駛的船艙中，你經(jīng)受體驗(yàn)到的物理規(guī)律與你在靜止的地面上體會(huì)到的物理規(guī)律沒(méi)有任何區(qū)別，也就是古人說(shuō)的“舟行人不覺(jué)”，這叫做相對(duì)性原理。

牛頓的經(jīng)典理論是建立在絕對(duì)時(shí)空的基礎(chǔ)上。經(jīng)典力學(xué)中的所謂“空間”，就像是一個(gè)巨大的無(wú)限延展的有固定坐標(biāo)的空架子；所謂時(shí)間，就是“擺放在”宇宙中某處、滴答滴答永遠(yuǎn)均勻擺動(dòng)的一個(gè)“鐘”。宇宙中所有的物質(zhì)都“放”在這個(gè)絕對(duì)的大框框中，互相作用和運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用這個(gè)絕對(duì)空間的坐標(biāo)和表示絕對(duì)時(shí)間的鐘來(lái)描述。

從現(xiàn)代物理的觀點(diǎn)來(lái)看，牛頓理論中的絕對(duì)時(shí)空假設(shè)顯然是不合理的。哪一個(gè)坐標(biāo)系將具有“絕對(duì)時(shí)空”的資格呢？將地球或太陽(yáng)作為絕對(duì)參考系的地心說(shuō)或日心說(shuō)，只能蒙蔽眼光有限的古人?，F(xiàn)代科技讓我們的眼光越看越多，越看越遠(yuǎn)?？v觀寰宇，我們的地球，我們的太陽(yáng)系，甚至于我們的銀河系，本星系群，都只能算是宇宙中一個(gè)極小的角落，其地位毫無(wú)特殊性可言，顯然也不存在某個(gè)地位特殊的“絕對(duì)時(shí)空”。

愛(ài)因斯坦的理論否定了絕對(duì)時(shí)空的存在，故稱之為“相對(duì)論”。狹義相對(duì)論將時(shí)間和空間的概念，統(tǒng)一于一個(gè)四維的數(shù)學(xué)時(shí)空框架中，時(shí)間和空間不再是絕對(duì)而單獨(dú)的存在，而是被一個(gè)洛倫茨變換互相聯(lián)系在一起的整體。

圖4-1-1讓你從一張圖讀懂狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論建立在兩條基本原理的基礎(chǔ)上：相對(duì)性原理和光速不變?cè)?。需要相?duì)性原理的理由就是剛才所言，是不承認(rèn)牛頓的絕對(duì)時(shí)空，以及與其相聯(lián)系的靜止以太的觀念。當(dāng)初麥克斯韋和法拉第建立了經(jīng)典的電磁理論，認(rèn)為光也是一種電磁波，都通過(guò)“以太”這種媒介傳播。但這個(gè)理論無(wú)法解釋有關(guān)以太的種種問(wèn)題：以太到底是什么樣的物質(zhì)？它相對(duì)于哪一個(gè)坐標(biāo)系而靜止？為什么邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)測(cè)量不到以太風(fēng)？

愛(ài)因斯坦摒棄了以太的概念，重新考察時(shí)間空間的本質(zhì)，天才地解決了這個(gè)問(wèn)題。相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間空間是與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)的，比如，說(shuō)到時(shí)間，不存在脫離物質(zhì)的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，只有某一個(gè)具體的“原子鐘”所指定的時(shí)間。因此，愛(ài)因斯坦堅(jiān)持相對(duì)性原理，認(rèn)為所有相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系都是等價(jià)的。既然是等價(jià)的，沒(méi)有哪一個(gè)參考系具有特殊地位，那么，麥克斯韋理論就應(yīng)該在所有的慣性參考系中都具有同樣的形式，光（或電磁波）在真空中以有限的速度c傳播，這是麥克斯韋理論得出的結(jié)論。這個(gè)速度c從所有的參考系中測(cè)量都應(yīng)該是一樣的，這便是所謂“光速不變?cè)怼?，?jiàn)圖4-1-1a。

圖中運(yùn)動(dòng)的火車相對(duì)于站臺(tái)的速度是55m/s，火車上有一個(gè)小偷，在火車上的警察A和站臺(tái)上的警察B同時(shí)對(duì)這個(gè)小偷開(kāi)槍，首先考慮不是激光槍而是普通子彈槍的情形（圖4-1-1a的上圖）。

假設(shè)子彈相對(duì)于槍膛的射出速度是100m/s。根據(jù)牛頓力學(xué)，計(jì)算只涉及簡(jiǎn)單的伽利略變換，警察A與小偷之間相對(duì)靜止，A射出的子彈射中小偷時(shí)的速度為100m/s。而警察B射出的子彈射中小偷時(shí)的速度為（100-55）m/s，即45m/s。如果使用狹義相對(duì)論進(jìn)行計(jì)算，公式便不是如上面的計(jì)算那么簡(jiǎn)單，需要使用將空間和時(shí)間聯(lián)系在一起的圖中所示的洛倫茨變換來(lái)得到準(zhǔn)確的速度。

不過(guò)，當(dāng)火車的速度v比較起光速c而言很小的時(shí)候，用狹義相對(duì)論計(jì)算公式得出的結(jié)果與使用牛頓力學(xué)計(jì)算的結(jié)果只有很小的差別。光速c等于299792458 m/s，比例子中的火車速度55m/s大很多，因此在上例中用牛頓力學(xué)計(jì)算就足夠了。但是，當(dāng)我們計(jì)算天體之運(yùn)動(dòng)，或者與發(fā)射人造衛(wèi)星、太空船等等有關(guān)的情況時(shí)，便往往會(huì)碰到運(yùn)動(dòng)速度與光速可比較的情形，那就得考慮狹義相對(duì)論，方能得出正確的結(jié)果。

從圖4-1-1a的下圖，則是設(shè)想兩個(gè)警察A和B使用的是“激光槍”的情形，由此可以看出光速不變?cè)碓谙鄬?duì)論理論中的作用。這種情況下，從槍中發(fā)射的不是普通子彈而是激光束。那么，根據(jù)光速不變?cè)恚谛⊥悼磥?lái)，兩束激光都是以同樣的光速運(yùn)動(dòng)，打中他的時(shí)候的速度都是c，與光源所在的慣性參考系之運(yùn)動(dòng)速度v無(wú)關(guān)，因而稱之“光速不變”。