相对论就像一个大胖子——我们大多数人不能一口吃下它。因此，让我们一口一口地来处理这个话题。其次，通过百科或者其它专业文章，你也可以得到长篇累牍的详细且专业的讲解，这里，我们只是简要通俗的进行一些介绍。了解为什么相对论是时间旅行的理论基础。

伽利略相对论

首先，这第一口吃的“胖子”起源于著名的意大利天文学家伽利略·伽利莱，它的详细描述是这样的：任何两个以恒定速度和方向移动的观察者将在所有机械实验中获得相同的结果。

假设所讨论的实验是在火车过道上扔一个乒乓球。只要速度和方向保持不变，无论火车以蜗牛的速度爬行还是沿着铁轨疾驰，从火车上看，只要火车不因速度或方向变化而颠簸，车厢内的乒乓球的状态不会有任何变化。

然而，在超速列车之外，这是一个不同的故事（或参考系）。

对于乘坐高速列车的人来说——假设它以100 m/s的速度行驶——球似乎以正常速度移动。但对于站在站台静止的人来说，球（假设他或她能看到它）似乎会随着火车的速度以及它被抛出的速度而移动。

那个球的真正移动速度有多快？假设你以 5 m/s 的速度投掷它。如果我们加上火车的速度，我们会得到105 m/s 的总速度——这种计算称为伽利略变换。在火车上，如果它弹起并击中您的胸部，感觉不会像105 m/s。然而，相对于火车外部（例如站台上）的人而言，乒乓球的行驶速度就是105 m/s。

在这种情况下就会出现一个麻烦的问题：如果你在火车里投的不是乒乓球，而是用手电筒沿着火车前进的方向照射怎么办？这个时候，站台上的人看到的光的传播速度会比原本的光速快100 m/s（火车速度）吗？

根据物理学家 Albert A. Michelson 和 Edward Morley 的说法，这种情况并不会发生。1879 年，这两人进行了一项开创性的实验来测量光速。结果证明，光以每秒 300,000 公里的恒定速度传播，并且无论怎样快速地移动光源，旁人观察到的光速都不会变化。而这个实验结果，也就直接推倒了伽利略相对论。

爱因斯坦狭义相对论

幸运的是，阿尔伯特·爱因斯坦在 1920 年介入这一课题，并用他的狭义相对论解决了问题。

正如我们上面提到的，伽利略相对论即使在经典牛顿物理学基础上，通过考虑相对运动而进行了一些调整之后，其结论依旧被恒定的光速实验结果所推倒。

因此，爱因斯坦提出了狭义相对论，归结为两点：物理定律在所有惯性系中都是一样的（第一公设），光速对于所有观察者来说都是一样的（第二公设）。

第一个公设几乎是常识，然而，第二个公设则是革命性的。首先其打破了传统地光在真空中传播需要介质——以太的理论学说。其次，这个公设也调和了麦克斯韦的电磁学方程和电子的光速（0.99 c）运动。

在数学处理上，狭义相对论对相对运动的描述是在惯性参考系基础上引入了新的坐标变换（洛伦兹变换）。在慢速度下，这些变换基本上与经典模型相同，但在高速下（接近光速），它们产生了截然不同的结果。比如时间膨胀和长度收缩。

但是狭义相对论的后果影响着一切。本质上，该理论提出距离和时间不是绝对的（区别于伽利略的绝对时空观），而是相对的。比如

长度收缩： 如果一艘100米长的宇宙飞船以99.99%的光速飞行，对于飞船上的人而言是100米，但对于地面静止的观察者而言，他的长度就只有1米。也就是说对于静止观察者来讲，长度相对收缩了100倍。

时间膨胀：同样是这艘飞船，当他以这样的速度在宇宙中游历1年，当他返回地面的时候，地面的人们已经过去了100年。也就是说对于静止观察者，时间相对膨胀了100倍。

自狭义相对论建立后，经典牛顿力学中的大部分都可以成功的改写为相对论形式，以使其可以用来更好的描述高速运动下的物体。但是唯独牛顿的引力理论无法在狭义相对论的框架体系下改写，这直接导致爱因斯坦扩展其狭义相对论，而得到了广义相对论。

爱因斯坦广义相对论

1915 年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，将引力因素纳入了宇宙的相对论观点。

要记住的关键概念是等效原理，它指出一个方向的重力拉动等同于另一个方向的加速度。这就是为什么加速的电梯在上升时会产生重力增加的感觉，而在下降时会产生重力减小的感觉。如果重力等同于加速度，那么这意味着重力（如运动）会影响时间和空间的测量。

这意味着像恒星这样的足够大的物体会通过其引力扭曲时间和空间。因此，爱因斯坦的广义相对论将引力的定义从一种力改变为一种时空扭曲效应。科学家们已经观察到由引力引起的时间和空间的扭曲来支持这个观点。

方法如下：当我们将地球上的时钟与远离地表的轨道卫星上的时钟进行了比较，我们会发现地球轨道上的时间比地球地表上的时间过得更快。科学家称这种现象为引力时间膨胀。

同样，科学家们在观测太阳背面的恒星发射来的光线时，发现其经过太阳的引力场时，发生角度的偏折。根据广义相对论的解释，太阳这个大质量天体在宇宙中形成一个引力场域，并且引力大小随着与太阳的距离增大而减小。这就类似于一个“透镜”（中间厚，引力大；周围薄，引力小），而光线经过这一引力透镜会发生类似于光线折射的现象而发生弯曲。

结语

那么相对论对我们有什么作用呢？它为我们提供了一个破译宇宙奥秘的宇宙学框架。它使我们能够了解宏观的天体力学，预测黑洞的存在，并描绘宇宙更广阔的图像。

就时间旅行的角度讲，爱因斯坦相对论提供了时间旅行的物理理论基础，让其从一种非科学性的幻想或影视作品的桥段，步入到严肃的科学研究的行列。

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