序言
爱因斯坦的相对论是在20世纪初诞生的，这个理论推翻了时间的常识性认知。
根据相对论，时间会“加快”或“减慢”。也就是说，对你来说过了十年，对别人来说也许只过了一年。而这样的情况却是符合原理的。
不仅如此，根据相对论，对过去现在未来这样的时间区别也有了令人惊异的解释。因此会有这样的情况存在：对你来说是过去的事或者将来的事对于别人来说有可能是正在发生的事。
那么就如让我们以“光的速度”为突破口，去了解爱因斯坦相对论中不可思议的世界吧。

PART ONE“光速”——革命由此开始

出生于德国的物学家阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发表狭义相对论之前，大家认为，你测量一米的长短，一秒的长短与其他人的测量结果是完全一致的。也就是说，时间与空间是绝对的，不可伸缩的，这一点不证自明。
爱因斯坦是从光速出发，寻求到革命性的理论的。光速是光通过的空间长度除以经过的时间得到的，是一个考虑了空间与时间的组合。
但是，爱因斯坦在16岁的时候就提出了质疑：用与光相同的速度去追赶光，光看上去是否是静止的呢？这个质疑与后来的狭义相对论的诞生有着直接关系。或许你会这样想：光看上去是静止的有什么不对？但在物理学上，静止的光是非常奇妙而又不可思议的。这是为什么呢？

光（电磁波）有波的性质。某处的光的振动（正确的说应该是：电场和磁场的振动）会立即引起附近另一处的振动，再接着引起附近其他点的振动，由于这样的连锁反应，光波向前推进。静止的光，就是不振动的光（准确地讲是：冻结的电磁场），在物理学中是不存在的。
后来提出狭义相对论的爱因斯坦，寻求到的结论是：不论以什么样的速度去追赶光，（真空中的）光速都是不变的，为每秒299792.458公里。这就是说，想让光看起来静止，是做不到的。
无论你以何种速度追赶光，光都以每秒30万公里的速度远离你。

例如，A在宇宙中静止，看到某小行星以每秒20公里的速度远去，B在每秒16公里和小行星作同向运动的飞船中，在B看来，小行星是以每秒4公里的速度远离。这样，求物体的速度只需要单纯的加减。（注：实际上，根据狭义相对论，这种加减只适用于宏观低速运动的物体，对于高速、微观物体的运动速度叠加，需要应用相对论速度变换公式）
现在，我们把小行星换成光。从静止的A来看，光速是每秒30万公里，宇宙飞船以每秒24万公里的速度（光速的80%）与光同向飞行。

爱因斯坦认为：在飞船中的B看来，光也是以每秒30万公里的速度远离。不可思议的是B看到的光的速度不是每秒6万公里，而依旧是每秒30万公里。这就是说，正在作高速运动的飞船在光速面前却像停住了一般。
这样，光的速度就不能单纯的相加减了。即便是宇宙飞船以99.99999%的光速飞行，看到的光的速度也是每秒30万公里。
当宇宙飞船与光反向飞行时，光的速度也是每秒30万公里，没有变化。发出光的光源与观测者之间无论作什么样的相对运动，光速都是每秒30万公里，没有变化。这就是“光速不变原理”。

没有什么能够超过光速。光速不变原理中，还有一条重要结论，就是“光速是自然界中的最高速度，没有任何物体能够超过光速”。
以刚才的小行星为例，当飞船慢慢提速时，在飞船内的B看来，小行星的速度慢慢变小，最终，飞船的速度超过小行星，逐渐赶上并超越小行星。
如果是光，不论飞船怎样提速，光依旧是以每秒30万公里的速度远离，也就是说无论如何也追不上光。没有什么“东西”能够超光速。

光速不变原理符合实验结果。19世纪后期美国的物理学家阿尔伯特·迈克尔孙和爱德华·莫雷联手行动。在这个实验中，他们试图比较沿地球公转方向的光速以及与之成垂直方向传播的光的速度。
地球仪每秒30公里的速度绕太阳公转，因此当时人们认为光速会受到地球公转速度的影响。但是，实验结果显示这两个方向上的光速没有差异。
光的传播不需要介质。在考虑光速不变原理时，我们可以用声波的速度做个比较。

声音是传递空气振动的波。空气的振动传播到耳膜，我们就听到了声音。传播波动的物质称为介质，声音的介质是空气（以及其他物体）。
空气中的声速为每秒340米（15℃时，随温度变化）。那么，这是相对于什么的速度呢？因为传播声音的介质是空气，声速是每秒340米就是指“相对于空气的速度”。声速的基准是空气。风吹过，空气自身有运动，空气中转播的声音相对于地球也会加快或减慢。

那么，光又是怎样的呢？光是电磁波，手机发射的电波，夜视仪使用的红外线、消毒灯发出的紫外线、透视仪使用的X射线都是电磁波。简单地说，电磁波是“传递电场和磁场振动的波”。
来自于宇宙空间的光，能够通过几乎不存在任何物质的宇宙空间（即真空）到达地球。声波如果没有物质就不能传播，所以在宇宙空间里是不能传递的。这就是光和声波完全不同的地方。
光在真空中也能传递，说明了“光的传播不需要介质”。（注：以前人们认为光是以“以太”为传播介质的。看似一无所有的空间实际充满着以太。为了证明以太的存在，科学家们反复进行了实验，但是没有得到预想的结果。如果空间中充满着以太，那么进行着公转的地球，相对于以太也是在运动着，根据前面的迈克尔孙-莫雷实验，在地球公转方向上与垂直公转的方向上的光速应该有着不同。可是，实验结果并没有发现这样的差异。）真空中几乎没有作为速度基准的物质。光，不存在像声波那样的“速度基准”。

没有速度基准是非常不可思议的。实际上，可以反过来说，光正是“时间和空间的基准”。
时空因光速不变而变。光速不变原理，好像违反了我们的日常感觉，其实只要承认了这一点，就能够自然而然的理解“加快或减慢的时间”了。

假设速度为每秒24万公里的飞船，在同时同地和光一起“预备……跑！”。在飞船外静止的A看来，一秒后，飞船走了24万公里，光走了30万公里，光在飞船前方6万公里处。这样的话，宇宙飞船内的B看到的光速是：光的传播距离÷经过的时间=6万公里÷1秒=6万公里/秒。果然如此的话，那么在B看来一秒后光会在B的前方6万公里处。
但是要承认光速不变原理的话，B看到的光速应该是每秒30万公里。也就是说，即使是在以每秒24万公里的速度前进的飞船中B看来，一秒后，光应该在他前方30万公里处。
那么，究竟是哪里出了问题？

既然“光的速度=光传播的距离÷经过的时间”，所以会习惯性的认为“A感知到的光的传播距离与经过的时间与B感知到的光传播的距离与经过的时间是一样的”，因此，才会产生不可解决的矛盾。
为了解决这个矛盾，我们不得不认为“B感知到的距离与时间与A感知到的是不同的”。也就是说，B和A感知到的时间与空间并不相同，从尺度上看，他们是有伸缩的。

根据爱因斯坦的狭义相对论计算，A测出的时间经过1秒时，B的时间只经过了0.6秒。在B看来A的30万公里的空间距离在这里也只有18万公里。（这时“同时测量”的结果，产生了长度收缩，30万公里*0.6=18万公里）。如果在B的飞船上要测量这束光的速度的话，就要用两只表，在出发点的表要测量出发的时刻，在到达点的表要测量到达的时刻（并非同时测量）。根据相对论变换，相对于A测出的：光进行了30万公里和一秒，B测出“光行进了10万公里”，而测出的经过时间是1/3秒。 (注：A和B代表两个相对匀速直线运动的惯性系。这里涉及到“固有时”与“坐标时”，通常说的时间变慢是指“固有时”变慢，就是通常所说的运动的时钟变慢。同样，长度收缩也还是固有的。如果涉及到速度的测量，不能使用“收缩长度”除以“收缩时间”，因为这涉及到不同坐标点的测量，必须使用测量出的坐标时。这就必须用到关于坐标和时间的相对论变换公式，即洛伦兹变换。)
也就是说B看到的光速是：10万公里÷1/3秒=30万公里/秒。所以B在飞船上看到的光速也是每秒30万公里，这就符合了光速不变原理。
这样，为了使光速在任何情况下都保持不变，时间和空间就必须发生相应的变化。