爱因斯坦年轻时，特别喜欢读书，比如他阅读了很多庞加莱的著作。庞加莱是高斯和黎曼之后，世界上最伟大的数学家之一。他的许多工作对相对论的提出产生了重要影响，甚至一度有人认为庞加莱才是相对论的提出者。

庞加莱

同时，庞加莱是一名科学哲学家，他曾经写过几本小册子《科学与假设》《时间的测量》，在这些小册子中，庞加莱提出：想把两个不在一起的时钟对齐，并不是一件容易的事。

比如：在北京有一个钟表，在上海有另一个钟表，我们通过什么方法能将两个钟表对准呢？大家注意，你不能回答我说打开电脑，查询标准北京时间，因为能够用电脑查询时间的前提是：我们的确有方法对齐不同地点的时钟，我们所问的就是这种对钟的方法究竟是什么？

你可能会想到：我们先在北京对好两个时钟，再把其中一个拿到上海去不就行了吗？可是，在移动的过程中，谁也不能保证时钟的走时不发生任何变化。当它移动到上海时，未必能和北京的钟保持同步。

对于这个问题，庞加莱提出过一种猜想，他认为：应该通过一种约定解决时钟的对齐问题，最简单的约定就是光速向各个方向都相同而且保持不变。

大家看，假如我们想对齐北京和上海的时钟，可以按照这样方法：找到北京和上海的中点M，然后从M点同时向北京和上海发光。由于约定光向各个方向的速度都相同，两束光就一定能同时到达北京和上海。当北京和上海接收到光时，就把当地的钟调零，这样它们的时钟就能对齐了。

从中点M发光，对齐北京和上海的时钟

庞加莱真是一位伟大的哲学家！他对我们司空见惯的“同时性“提出了质疑，而且还敏锐的想到了通过约定光速不变，就能对准两个不同地点的时钟，得到“同时性”！庞加莱的猜想直接启发了年轻的爱因斯坦。

爱因斯坦发展了庞加莱的理论，他说：光速在任何惯性参考系中都保持不变，这就是光速不变假设。根据这个假设，绝对的时间是不存在的。

爱因斯坦在本书中，用一个闪电劈火车的例子来说明。我们把这个例子修改一下，让它更方便理解：

一辆疾驰的高铁中有一节餐车，在餐车的头部和尾部各有一个乘客准备用餐。侍者站在车厢正中间，点亮了一盏灯。这盏灯会向前方和后方发出光线。当两名乘客看到灯光的时候，就开始用餐。因为两名乘客到侍者的距离相同，光的传播速度也相同，所以在车厢中的人看来，两名乘客是在同一时间用餐的。

火车上的侍者：两位乘客同时用餐

可是地面上的道岔工如何看待这个问题呢？在侍者打开灯的一瞬间，向前和向后的灯光速度依然是相同的，绝不会因为火车在运动而造成某个方向的光速更快。车尾的乘客向前运动，迎接灯光；车头的乘客也是向前运动，却是背离灯光而去。显然，在距离相同时，迎面而来的车尾乘客将会更早接收到灯光。

地面上的人：车尾的乘客先用餐

所以，在地面上的道岔工看来，车尾的乘客先开始用餐，车头的乘客后开始用餐。这就是说：火车上的侍者认为同时发生的事，地面上的道岔工却认为是先后发生的。

同时是具有相对性的，在一个参考系下同时发生的事，换一个参考系，就会一先一后的发生，所以，同时是具有相对性的，不存在一个统一的时间，永恒不变的流逝。

紧跟着，爱因斯坦指出：既然时间具有相对性，那么空间尺寸就也会具有相对性，像欧几里得几何中那种刚性的，绝对不变的长度是不存在的。

你看，如果你要测量一列火车的长度，你就需要拿一把尺子放在火车旁边，同时读出火车头部和尾部对齐的刻度，然后把它们做差，就得到了火车的长度。

测量火车的长度

但是，除非这把尺子是跟火车相对静止，你读首尾两个刻度的时间才可以不同。否则，假如火车在地面上飞奔，你必须同时读出刻度，才能准确测量出火车的长度。可是我们知道：同时是跟参考系有关的，在某个参考系上看，同时发生的事，换一个参考系，就不是同时了。这样一来，火车的长度就也跟参考系有关了。

爱因斯坦说：麦克斯韦方程组计算出的光速是恒定的，我又假设光速在所有参考系下都相同，所以，我们当然应该认为麦克斯韦方程组在所有惯性参考系下都是成立的。而伽利略早就告诉我们：力学规律在不同参考系下都是成立的。既然如此，我们就干脆假设，所有的物理规律在所有惯性参考系下都具有相同的形式，这就是爱因斯坦的另一个基本假设——相对性原理。

根据爱因斯坦相对性原理，如果在空旷的宇宙中，有两个宇航员相互远离，无论你用任何物理实验，都不能确定他们究竟谁是运动的，谁是静止的，因为绝对时空原本就不存在，你说谁运动都可以。

在宇宙中的两个宇航员无法分辨谁在运动

你现在在家里，你可以说相对于地球自己是静止的，也可以说相对于太阳你是运动的。但是你不能说相对于绝对空间你到底是运动的还是静止的，因为压根就没有绝对空间。

根据光速不变原理和相对性原理，爱因斯坦推导出了不同参考系下时间和空间的变化规律，这就是著名的洛伦兹变换。之所以叫洛伦兹变换，是因为这个规律最早是洛伦兹提出的，他为了解释迈克耳孙-莫雷实验，提出物体在运动的方向上长度会收缩，而且得出了正确的公式。

洛伦兹

只可惜，洛伦兹认为的收缩是物体在绝对空间中的实际收缩，他甚至还带着学生研究在收缩过程中，电荷密度的变化会造成什么影响。但我们后面会看到，这种收缩并不是物体在时空中的收缩，而只是因为观察者所在的时空角度不同。

如果我们总结一下：牛顿时空观的问题究竟在哪里呢？它在于：牛顿假设存在一个绝对静止的空间和一个永恒流逝的时间，使用力学规律，我们无法找到绝对静止的空间，当然也无法反驳它的存在。有了电磁学规律之后，我们能够找到绝对空间了，但是我们却发现我们的实验失败了。

于是，爱因斯坦修改了牛顿的假设。他认为：绝对的不是空间和时间，而是真空中的光速。不管在什么参考系中，真空中的光速都恒定不变，无论是力学规律还是电磁学规律也都不变，这样我们就要承认时间和空间都和运动有关，都是变化的。绝对时空并不存在。

狭义相对论有很多有趣的结论。比如：在地面上看，运动的火车长度会收缩，如果速度接近光速，长度就会收缩成0.在地面上看，运动的火车里的时间会变慢，如果速度接近光速，时间就会停滞。由于运动是相对的，火车上的人看地面，也会有长度收缩和时间变慢的现象。

有一部著名的科普书：物理世界奇遇记，主人公汤普金斯先生来到了一个光速非常慢的小镇。他发现骑车的人和开动的汽车长度都缩短了。

汤普金斯发现运动的物体长度收缩

而汤普金斯自己骑车时，反而发现街旁的路人和高楼全都跟着变窄了。

汤姆金斯运动起来，发现静止的物体长度收缩

当我们跑起来，整个宇宙中的每一个星系、每一个星球、每一个生命、每一个原子的尺寸都发生了变化。而当我停下时，一切又都恢复了原样，就好像什么都不曾发生。而且，这一切的变化都是对于我这名观察者而言，对另一个以其他速度运动的观察者来讲，宇宙又是另一番景象。

关于这个问题，我会在下一期漫谈相对论中为大家做一个简单的说明。关注我，和我一起读爱因斯坦的名著《狭义和广义相对论浅说》。