上一篇中，小编跟小伙伴们一起了解了一下广义相对论的数学工具之一，黎曼几何的诞生。我们从本篇开始跟大家一起来回顾一下广义相对论的物理基础。今天是这个模块的第一篇，狭义相对论的成就与困难。
其实这块内容我在自己的另外一个《五分钟量子力学》系列里《五分钟量子力学（一），量子史话：经典物理学的困境》提到过一个那就是麦克斯韦方程组。这个方程组预言了光速不变原理。
麦克斯韦方程组
这个光速不变性原理后来被实验所证实，并且在后来几十年内的13次精度不断增加的试验中连续被证实，成为一条真理。
同时我们也知道，相对性原理也是被所有实验所证实的，就是伽利略变换。这个高中就学过的经典理论我们就不解释了，完全符合我们的日常生活经验，太简单。
这就揭开了一个巨大的矛盾，如何解释光速参照任何参照系速度都不变与相对性原理矛盾的问题。
爱因斯坦的天才就表现出来了，他看出，伽利略变换并不等价于相对性原理，相对性原理比伽利略原理更为基本。
洛伦兹变换
爱因斯坦在坚持实验得出的光速不变和相对性原理的基础上，放弃伽利略变换，引入了洛伦兹变换，一举建立了狭义相对论。
要知道，提出光速不变原理是非常不容易的事情。如果光速不变原理成立，这就表明光速是绝对的，这将导致一个人类从来没有接触过的概念，“同时”是相对的。
“同时”是相对的意思就是说，在一个惯性系中，同时发生的两件事，对于另一个相对于这个参照系运动的惯性系来说，这两件事不是同时发生的。这种情况，跟我们的日常生活经验严重冲突，无法被人理解。
可以这么说，理解狭义相对论的关键就在于理解“同时的相对性“。就连爱因斯坦自己也在这个问题上卡住了一年多的时间。当爱因斯坦突破了对于”同时“的相对性之后，他的头脑豁然开朗，相对论的大厦呈现在他的眼前。
以c为原点,坐标轴指向恒星的xcy系为惯性系.
可以说，狭义相对论与牛顿的经典物理学的根本区别不在于相对性原理。因为伽利略、牛顿都是支持相对性原理。光速不变原理才是狭义相对论跟经典物理学的本质区别。
光速不变原理和相对性原理告诉我们：
1、一切惯性系都是平权的，不可能测出相对于绝对空间的运动速度；
2、牛顿的绝对空间和绝对时间概念必须放弃；
3、不存在绝对速度，一切匀速直线运动都是相对的；
4、绝对时空和以太不存在。
狭义相对论的困境
尽管爱因斯坦的狭义相对论取得了非常大的成果，但其实狭义相对论也是有两个难题需要解决的。
1、惯性系无法定义成为狭义相对论的基本困难；
在经典力学中，惯性系是很好理解的，这时候惯性系被定义为相对于绝对空间静止或做匀速直线运动的参考系。狭义相对论不承认绝对空间，所以牛顿力学的定义在狭义相对论中就无效了。
我们来回忆一下惯性定律：“一个不受外力的物体将保持静止或匀速直线运动状态不变”。那么啥叫不受外力？我们只能说，不受外力的意思就是物体保持静止和匀速直线运动的状态。我去，这种说法你能接受不？反正小编不能。
在经典力学中，地球参照系近似于一个惯性系，太阳参照系比地球参照系更近似于惯性系，银河参照系比太阳参照系更接近于惯性系......如果这么看下去，可以有更多一个比一个更近似于惯性系的参照系，如果这么说下去我们是得不出严格的惯性系的，而且最终也无法说明究竟什么是惯性参照系。
那么我们是不是能直接定义一个参照系作为惯性系呢？这也是不行的，因为如果空间内啥也没有，那么我们怎么去标记和区别各种运动，任何参照系都建立不起来了。
我们知道狭义相对论的整个理论都是建立在惯性系的基础上，但是我们突然发现，在狭义相对论中无法定义和找到一个惯性系。
整个狭义相对论体系在此刻犹如一个建立在沙滩上的大厦，根基不稳。
2、无法用洛伦兹变换来描述万有引力。
狭义相对论遇到的第二个困难跟万有引力有关。由于狭义相对论把电磁定律和动力学定律都写成了洛伦兹变换的形式，这是一个四维时空的张量方程。然而，爱因斯坦绞尽脑汁也无法把万有引力定律写成洛伦兹变换的形式。也就是说，万有引力定律是无法纳入狭义相对论框架的，两个理论视乎是矛盾的。
在爱因斯坦那个年代，人们还不知道原子核内的强相互作用。只知道电磁相互作用和万有引力，这种情况下两种力就与狭义相对论不兼容。这就是另外一个巨大的bug了，这是无法让爱因斯坦那个时代的物理学家接受的。
各位小伙伴，本篇就写到这里，敬请期待下一篇《等效原理与广义相对性原理》。
我是物理学徒，一个致力于科普相对论、量子力学、计算机、数学，让深奥的科学理论通俗易懂起来、让科学更有趣的科普搬运工。耐心看完的小伙伴，留个言、点个赞加个关注再走呗。
,
