自序

诗曰：

时间空间为何物？物质运动何相关？

剪不断来理还乱，且看爱氏相对论。

什么是相对论？我想最有资格回答这个问题的人非爱因斯坦莫属。爱因斯坦在著作中指出：相对论是以对运动、空间和时间的贯彻一致的物理解释为基础的一种物理理论。提到运动显然离不开物质，所以物质也应该囊括在其中。这样一来，相对论实际上就是一种解释宇宙整体规律的理论了，因为宇宙就是时空以及其中所包含的物质及运动。

自古以来，宇宙就是人类永恒的话题。浩渺的宇宙充满了神秘，也引发了人类无数的幻想。爱因斯坦曾说过：“为什么相对论及其如此远离日常生活的概念和问题会在公众中引起持久而强烈的反响，有时甚至达到了狂热的程度，这一点我从来没有想清楚……”其实，我觉得可以从他所说的另一段话中来寻找答案：“我们所能拥有的最美妙的情感体验就是神秘……谁要是对神秘失去了兴趣，不再好奇、不再惊讶，那他就失去了活力。”任何一个有活力的人都对探索未知充满了兴趣。相对论是解开宇宙之谜的钥匙，所以，尽管它与日常生活无关，还是引起了无数人的狂热，因为它把人们带进了最美妙的神秘体验中。

按爱因斯坦自己的说法，相对论分为三层境界：第一层是狭义相对论，第二层是广义相对论，第三层是统一场论。遗憾的是，第三层境界爱因斯坦穷其毕生精力也没能完成，所以，目前人们只把相对论的发展分为两个层次：狭义相对论和广义相对论。广义相对论是狭义相对论的延续，狭义相对论则是广义相对论的一种极限情况。我们都知道狭义相对论很精彩，但是，广义相对论更精彩！狭义相对论建立了四维时空的概念，广义相对论则找到了解锁时空密码的钥匙！

本书以爱因斯坦建立狭义和广义相对论的思想历程，以及物理学家们对时空和宇宙的探索为主线，循序渐进地介绍了相对论的产生、发展、验证与应用，介绍了各种神奇的相对论效应和宇宙学奇观，深入剖析了时空的本性，厘清了一些容易产生误解的问题，另外还简单介绍了统一场论。作为一本科普读物，本书涵盖了光速本质、尺缩钟慢、质能等价、闵氏四维时空、时空旋转、时空图、光锥、引力场、时空度规、时空弯曲、引力透镜、引力波、时间箭头、时空量子化、多维时空等相对论中引人入胜的大部分内容，也涵盖了宇宙的基本图景、宇宙的过去和未来、暗能量、黑洞、白洞、虫洞、时空旅行等相关的宇宙学方面的内容，还涉及了原子弹、氢弹、卫星导航、相对论效应的视觉图像模拟等相关技术，同时还把历史趣事穿插其中，以使读者在轻松的气氛中完成对奇妙的相对论世界的探索。

相对论与量子力学并称为现代物理的双璧，想写好它绝非易事。我最早接触相对论时就曾陷入过这样的困境：为什么光速是速度的极限？尺缩钟慢的本质原因是什么？如何理解运动双方都觉得对方的尺子缩短了？为什么时间和空间可以组合在一起，其科学道理何在？等等。如果这些问题不说清楚，就会使读者觉得相对论很难理解。这种情况我在本书中是极力避免的，我力求达到让读者知其然而更知其所以然的目的，相信读者朋友们读完本书后，相对论的神秘面纱会被撕下，如果你能有豁然开朗的感觉，对我来说就是最大的成功。

本书中出现了少量的公式，这些公式都是相对论中最精华的公式以及理解相对论所必需的，而且只要具备初等数学知识就能看懂，并不会给读者带来额外的负担。另外，在本书中，如无特别说明，“光速”均指真空光速。提醒读者注意的是：当光射入介质中（如空气、水等）时，会与介质中的微观粒子发生相互作用，从而导致光在介质中的表观传播速度减小。空气中的光速比真空光速小万分之几，可近似认为二者相等。

在本书的写作过程中参考了大量相关文献，将主要参考文献列于书后，这些文献使我受益匪浅，在此向其作者表示衷心的感谢。另外，由于本人能力所限，疏漏和不足之处在所难免，敬请读者朋友们批评指正。

高鹏

2019年1月于山东威海

我们所能拥有的最美妙的情感体验就是神秘。

——阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）

宇宙最不可理解的事情是，它是可以被理解的。

——阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）