前言

爱因斯坦的相对论是人类建立的最伟大的理论之一。这一理论好像“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域”（德布罗意语）。狭义相对论的公式简单而美丽，但是却很难理解，因为它改变了人们的常识，改变了人们的时空观念，让人们很难接受。20世纪初曾有“只有三个半物理学家懂相对论”的说法，诺贝尔奖委员会给爱因斯坦的授奖理由也只是“由于爱因斯坦发现光电效应定律以及他在理论物理学领域的其他工作”而没有直接提及相对论。可见相对论的思想确实惊世骇俗，连很多当时的物理学家也难以接受。但是相对论提出迄今已经一百多年，通过了广泛的实验验证，经受住了时间的考验，它的正确性已经毋庸置疑。狭义相对论的公式是如此的简单，初中生都能看懂，它的理解就这么难吗？观念的改变如此难以逾越吗？

科学发展到今天，计算机已经从科学家的实验室搬到了普通人的桌面上，互联网已经无处不在。计算机、互联网的普及又推动了社会科技水平的提高。信息极大丰富，人们在生活、资讯中广泛接触科学，从天文、航天到飞机、汽车、家电、电脑、手机，从能源到医疗、投资、娱乐，处处都有科学。但是，相对论还处于科学家们的神坛上，只是科学家的工具。一般文献中对于相对论的介绍充满各种高深的数学和难以理解的概念，这让大众更加望而却步，感到神秘和膜拜。人们对学习和理解相对论失去自信，听到相对论时想到的往往是时空穿越、长生不老等等科幻、神话故事，也出现了很多相关的文学、影视作品。相对论成为人们的一种娱乐题材。还有很多热爱科学的人士，因为不能理解相对论，走上了挑战和反对相对论的道路，耗费了大量的青春和精力。

我在15岁的时候就已经会推导洛伦兹变换公式了，但是却更加困惑。光速为什么不变？垂直于运动方向上的长度为什么不收缩？惯性系变换为什么是线性的？难道就是因为书上这么说吗？一切变得似是而非，尽管会做书上的很多习题，却不能真正理解，只是知其然而不知其所以然。那时候我在家里参加劳动，白天挑担子把肩膀磨破了，晚上衣服跟血肉粘在一起结成痂，撕都撕不下来，疼痛难忍，但是却不忘思考科学的奥秘，乐此不疲。多年以后我成为一名科研人员，在方正、微软、盛大研究院等研究机构工作，虽然从事计算机领域的研发，却一直保持着对相对论的浓厚兴趣。愚者千虑，必有一得，多年断断续续的业余思考和学习，使我积累了不少收获，对相对论的理解和认识更加清晰。我最近有空闲把自己的收获总结整理了出来，在这里与大家一起分享，希望对读者学习和理解相对论有所帮助。

我相信，只需要高中生的基础知识就完全可以理解相对论，一些优秀的初中生也有能力理解。因此本书基本在初等数学的范围内进行介绍，尽量不涉及高等数学。同时为了更多的人能够看懂，本书内容的线索不同于其他常见的相对论讲述方式，并不介绍以太论、迈克尔逊莫雷实验、闵可夫斯基空间以及黎曼几何、测地线等内容或概念，以免增加复杂性和理解上的困扰。另外，很多人误认为迈克尔逊莫雷实验是狭义相对论的基础，但是在相对论出现以前斐兹杰惹和洛伦兹已经在以太论的基础上对迈克尔逊莫雷实验的结果给出了解释，因此迈克尔逊莫雷实验既不支持也不反对相对论。1954年爱因斯坦在给达文波特的信中说：“在我自己的思想发展中，迈克尔逊实验的结果并没有引起很大的影响。我甚至记不起，在我写关于这个题目的第一篇论文时，究竟是不是知道它。”

本书中有一些数学公式推导。有些读者是不喜欢数学公式的，但是本书所用到的数学都比较浅，只需要付出一点点耐心，就会得到很大的收获。同时本书尽量把公式较密集，计算和推导比较复杂的部分放到了附录中，以适应不同层次的读者。另外书中用了很多图形来进行说明，即使不看公式推导，也能很容易理解大部分内容。相对论的初等理解不需要复杂的数学，其基本公式只需要用到勾股定理。勾股定理以其简单、重要和美妙而充满魅力，其证明方法有500多种，是数学定理中证明方法最多的定理。下图是一个简单直观的割补法证明，无须任何公式推导，一看便知。如此深刻而基础的定理却有如此简洁精彩的证明，给人以强烈触动，同时也给人以信心：科学并不必然是高深莫测的，只要有正确的方法，普通人也可以弄明白。

勾股定理的直观证明

小醉

2017年春于北京