什么是相对论？
相对论
量度值虽然并不见得「很真实」，但还有什麽会比量度「更真实」呢？
相对论的提出不是偶然的。在十九世纪末，物理学家们便遭遇许多困难，当干涉仪的实验结果困扰物理学家的时候，爱因斯坦立刻放弃乙太的概念并假设光速具有不变性﹙任何观察者测得之光速为同一固定值﹚，勇於怀疑传统牛顿的绝对时空概念，以「穷则变，变则通」的革新思想提出相对论。这段历史与爱因斯坦同哥本哈根论者的激辩是同样精采，爱因斯坦之所以成为近代物理的奠基者是有原因的。﹙注一﹚
原本二十世纪前，人类已经习惯了牛顿所带来的绝对真理与绝对价值，它的权威性提供了一种绝对安全感和最後归宿感，可是相对论却像一口巨大的丧钟在人类头顶轰鸣，使人们从牛顿教条弄得呆滞的状态下醒来，把人们一劳永逸的乐观梦想，变成前途茫茫的悲观困惑﹙注二﹚。
狭义相对论指出，由於光的不变性使观察者无法区分绝对静止与等速运动；爱因斯坦得以肯定时间与空间的相对性，即观察者对时空的描述会随着运动状态而改变──在相对论中观察者所测量到之相对运动的物体，其长度显得更短，而时间显得更长。如果把光讯号当作传递事件因果次序的最快讯号，我们感觉﹙也是量测﹚到的因果现象，亦会随着观察者的运动状态而不同﹙注三﹚。爱因斯坦以「对一实际参考体的相对运动」来代替空间的量度﹙注四﹚，以「光速」代替时间的量度，换句话说，爱因斯坦以物理的操作定义来取代牛顿对时空哲学式的「简单定位」之定义。
人类的感官往往是不真切的﹙所谓的表象主义﹚，故以物理量度方式来描述事件是最真切不过，但相对论却告诉我们，即使是量度的结果，不同的观察者对同一事件竟会提出截然不同的描述。例如﹙同时性的问题﹚对於Ａ、Ｂ两事件，甲说Ａ先Ｂ发生，乙说Ｂ先Ａ发生，但相对论竟告诉我们二者都对，即各结论对所属观察者各是正确的。可是 (1) 不同座标系的观察者对同事件的长度与时间描述，皆不相同，但是同事件其本体论上的时间与长度不可能是这样又是那样。 (2) 两事件在其本体论上的因果次序，不可能是这样又是那样。这导致我们必须要问：我们所观察与认知的是实在界吗？人类对事件的物理量度「真切」﹙即符合本体论的实在界，在下文读者必须区分『真切』和『真实』的含意﹚吗？相对论是否分割了实在界与现象界﹙注五﹚──实际值与量测值──之间的一致性？或者这样问：人们能否一如物自体般的客观认知实在界？
人类对事物的认知并不真切：就连物理量度──原本我们比较信任的认知对象工具──都如此深受主体状态因素所影响，我们怎能确信自己观察量度出来的结果是真切的呢？爱因斯坦在其着作＜相对论＞中译本三十页里曾提到「我们所看到物体在运动中收缩的现象，事实上并非运动物体的本身在收缩，如是物体本身在收缩，这样就毫无意义了」，同理，狭义相对论里的「时间膨胀」，基於 (1) 我们必须坚信关於时空的本体论事实只有一个。 (2) 由於狭义相对论效应﹙长度缩短、时间膨胀﹚出现於两不同惯性座标系间的量度，故我们无从区分并判断实际值与测量值──实在界与现象界──是否一致。基於这两点，笔者可以肯定：人类对被观察对象的认知结果的确不真切，而且此狭义相对论效应只是「假象」罢了，实在界﹙例如运动物体本身的长度﹚并不可能会因为观察者或被观察者的运动﹙等速﹚状态而有所丝毫改变。但是广义相对论﹙加速座标系与重力场中的时间膨胀、空间弯曲与光线曲折﹚不是「假象」，例如峦生子问题的两位主角最後回到同一座标系时年龄竟然不同，在这里必须区分广义相对论与狭义相对论是有些不一样的。
在狭义相对论里，我们无法验证，当现象界改变时，实在界是否与现象界有对等的改变。或许这样说会更清楚：我们根本无法知道实在界究竟发生了什麽，因为我们观察不到被观察者本身，我们只能够观察到光讯号所传递之已发生的事件现象，对人类而言，实在界究竟发生什麽是不重要的，重要的是现象界所发生的一切，这才是真正与主体有关联──所以什麽是事实？观察者所只能观察到的「现象」就是事实，虽然它不见得「很真实」，但还有什麽会比它「更真实」呢？
相对论推翻了牛顿的绝对时空，但并不是没有绝对速度，只是无法找到它罢了，毕竟「相对是建立在绝对上」。如果上帝就在空间的绝对原点，我们将发现，光速的绝对性竟使得上帝隐藏了起来──这似乎是上帝刻意的安排。人们只能掌握跟自己本身状态有关的操作值，再去设想「绝对」是没有意义。人类﹙主体﹚是不可能脱离自己的「参考架构」去判断事物；相对论明白告诉我们这点，即使是在物理里，自己对事物的观察﹙认知﹚结果永远与本身的状态﹙主观因素﹚有密切关系，我们再也无法企求绝对唯一的客观。
相对论同时促进休谟式的相对主义以前所未有的声势占领现代人的心灵，这在後面会提到。相对论虽然没有开启非决定论的趋势，却是物理近代革命与打击唯物论﹙注六﹚的开始。唯物论预先假定有一确定的现在瞬间，一切物质在现在瞬间中都同样实在。
爱因斯坦说：「我们力图借助物理学理论，在迷宫中为自己寻求一条道路，藉着通过大量已观察到的情况，来整理和理解我们的感觉印象。我们希望观察到的情况，能够与我们对实在界所作的概念相符合，如果不相信我们的理论结构能理解客观实在界，如果不相信我们世界的内在和谐性，那就不会有任何科学。这种信念，并且永远是一切科学创造的根本动机……在我们所有努力中，在每一次新旧观念之间的戏剧斗争中，我们坚定了永恒的求知欲望……当在求知上所遭遇的困难越多，这种欲望与信念也越增强﹙注七﹚。」尽管爱因斯坦始终期待实在界与现象界的紧密统一，正如同他始终不愿放弃物理决定论，但是思潮的发展却离他的期待越来越远，而讽刺地，他的相对论正是这个趋势一开始的源头。
注一：＜宇宙漫步者─爱因斯坦＞世纪人物传记７，北辰文化股份有限公司，７６年８月出版。
注二：＜思想之谜与人类之梦─现代～当代之部＞刘晓波，风云时代出版，相对论部分。
注三：某事件是否为另一事件的原因，在过去都已决定。它不随现在的不同观察者而改变，光讯号所传递的是已发生的事件，并不是事件本身。
注四：＜相对论＞爱因斯坦着，徐氏基金会，页６。
注五：现象界是表象的集合。
注六：认为整个实在界毫无例外地可以归结於物质，以及完全从属於物质条件的力量，无需用不系於物质的因素来解释，凡是把实在界与现象界视为一事，即是为其开路。
注七：＜物理的进化＞页２０４─２０５，水牛出版社。
有关相对论的简单例子：
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相对论
狭义相对论的创立
早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？他将看不到前进的光，只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗？
与此相联系，他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊，用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪，笛卡尔首次将它引入科学，作为传播光的媒质。其后，惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同，牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为，发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风，然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展。当时的看法是，波的传播要依赖于媒质，因为光可以在真空中传播，传播光波的媒质是充满整个空间的以太，也叫光以太。与此同时，电磁学得到了蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。直到19世纪末，人们企图寻找以太，然而从未在实验中发现以太。
但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，也就是光的速度是一个恒量，然而按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？例如，有两辆汽车，一辆向你驶近，一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同，汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论，这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速，即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢？
19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中，古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”
爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：以及绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？
爱因斯坦喜欢阅读哲学著作，并从哲学中吸收思想营养，他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立，对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑。他认为，相对论原理应该普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在所著的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。
1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。
什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢？一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度，但如何没出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间，空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。
光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速不是无限大，这样就产生一个新奇的结论，对于静止的观察者同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。
相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。
爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。
相对论的意义
狭义相对论和广义相对论建立以来，已经过去了很长时间，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思相的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。
狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。
广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。到现在，相对论宇宙学进一步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家进行研究。
一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”，“按照我的看法，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中。”
