相对论和牛顿理论的本质区别，在于对“时空”概念的理解。时间是什么？空间是什么？这听起来像是高深的哲学问题，但实际上，物理定律必须建立在与其相关的概念的基础上。对这两个根本问题，很难给出所谓正确的答案，但深刻认识相对论时空与牛顿经典时空的差异，方能正确理解两种宇宙观的差异。

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大家都知道，当我们在讨论物体的运动时，必须指明是对于哪一个参照系的运动。你坐在飞机上，相对于地面在运动，而相对于飞机上的座椅，你是静止的。狭义相对论和牛顿理论都使用参照系，区别在于，牛顿理论隐含了宇宙中有一个“绝对”参照系的假设，相对论的思想则是认为所有的参照系都应该等同。当你坐在一个平稳行驶的船舱中，你经受体验到的物理规律与你在静止的地面上体会到的物理规律没有任何区别，也就是古人说的“舟行人不觉”，这叫做相对性原理。

牛顿的经典理论是建立在绝对时空的基础上。经典力学中的所谓“空间”，就像是一个巨大的无限延展的有固定坐标的空架子；所谓时间，就是“摆放在”宇宙中某处、滴答滴答永远均匀摆动的一个“钟”。宇宙中所有的物质都“放”在这个绝对的大框框中，互相作用和运动，它们的运动规律用这个绝对空间的坐标和表示绝对时间的钟来描述。

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从现代物理的观点来看，牛顿理论中的绝对时空假设显然是不合理的。哪一个坐标系将具有“绝对时空”的资格呢？将地球或太阳作为绝对参考系的地心说或日心说，只能蒙蔽眼光有限的古人。现代科技让我们的眼光越看越多，越看越远。纵观寰宇，我们的地球，我们的太阳系，甚至于我们的银河系，本星系群，都只能算是宇宙中一个极小的角落，其地位毫无特殊性可言，显然也不存在某个地位特殊的“绝对时空”。

爱因斯坦的理论否定了绝对时空的存在，故称之为“相对论”。狭义相对论将时间和空间的概念，统一于一个四维的数学时空框架中，时间和空间不再是绝对而单独的存在，而是被一个洛伦茨变换互相联系在一起的整体。

图4-1-1：读懂狭义相对论

图4-1-1让你从一张图读懂狭义相对论。狭义相对论建立在两条基本原理的基础上：相对性原理和光速不变原理。需要相对性原理的理由就是刚才所言，是不承认牛顿的绝对时空，以及与其相联系的静止以太的观念。当初麦克斯韦和法拉第建立了经典的电磁理论，认为光也是一种电磁波，都通过“以太”这种媒介传播。但这个理论无法解释有关以太的种种问题：以太到底是什么样的物质？它相对于哪一个坐标系而静止？为什么迈克尔孙-莫雷实验测量不到以太风？

爱因斯坦摒弃了以太的概念，重新考察时间空间的本质，天才地解决了这个问题。相对论认为时间空间是与物质运动息息相关的，比如，说到时间，不存在脱离物质的绝对标准时间，只有某一个具体的“原子钟”所指定的时间。因此，爱因斯坦坚持相对性原理，认为所有相互作匀速直线运动的惯性参考系都是等价的。既然是等价的，没有哪一个参考系具有特殊地位，那么，麦克斯韦理论就应该在所有的惯性参考系中都具有同样的形式，光（或电磁波）在真空中以有限的速度c传播，这是麦克斯韦理论得出的结论。这个速度c从所有的参考系中测量都应该是一样的，这便是所谓“光速不变原理”，见图4-1-1a。