重建物理學的兩句話
1905 年，一位 26 歲的專利局職員寫下了兩條簡短的規則，任憑物理學的其餘部分圍著它們重新塑形。這兩條合起來，就叫做狹義相對論的兩條公設。沒有第三條暗藏的規則，也沒有什麼特殊花招：這套理論裡一切著名而古怪的東西——變慢的鐘、縮短的尺、誰都說不到一塊去的「此刻」——都只是用尋常的邏輯，從這兩條裡擠壓出來的。
公設不是用來證明的東西，而是你選擇去信任的出發假設，就像幾何課上的學生信任「兩點決定一條直線」那樣。信任這兩條的理由很簡單：實驗一次又一次地與它們相符，從未有任何東西能把它們抓出破綻。所以請慢慢讀——整場冒險都包含在這裡。
第一公設：規則不在乎你巡航得多快
第一公設就是相對性原理：物理定律在每一個慣性參考系裡都完全相同——也就是在每一個沿直線勻速運動的艙室裡都相同。在一趟平穩的夜航中倒咖啡，它會筆直地落進杯裡，和在地面上一模一樣。封在艙內的任何實驗，都無法告訴你究竟是停著，還是正以每小時 900 公里飛馳。
這一部分伽利略早已知曉，聽起來也合情合理。自然界並沒有偷偷給哪個參考系蓋上「真正靜止」的印章。勻速運動永遠只是相對於別的東西的運動；絕對的勻速速度，是你根本無從測量的東西。到這裡都還沒有驚奇——愛因斯坦的第一句話大體上只是常識。
第二公設：光有一個頑固的速度
第二公設才是那枚炸彈。真空中的光速——記作 c，約為每秒 30 萬公里——對每一位慣性觀察者都是同一個數，無論燈如何運動，也無論你如何運動。愛因斯坦那不動聲色的膽識在於：第一公設必須連光一起涵蓋，所以 c 不可能取決於誰在看。
想像在能想到的最快的火箭裡去追一束光。常識會尖叫：那束光理應稍微慢一點地超前，就像你在高速公路上追的那輛車，看起來只是溫和地緩緩拉開。然而並非如此。把火箭油門踩到光速的 99%，那束光依舊以完整的 c 從你身邊撕扯而去。正是這一個頑固的事實，拒絕塞進尋常的日常思維裡。
總得有東西讓步：時間與距離
速度無非就是距離除以時間。如果兩個運動狀態不同的人，對同一道閃光測出的是相同的速度，那他們關於距離和時間的數值就不可能一致。其中之一——其實是兩者——必須彎曲。這便是整套狹義相對論的發動機：把 c 釘死，於是逼著時間與空間去伸縮。
- 運動的鐘走得慢（時間膨脹）——你看著一台快速掠過的鐘，它的滴答被拉長了。
- 運動的尺變得更短（長度收縮）——一個快速運動的物體，沿運動方向被壓扁了。
- 「同時」裂開了（同時性的相對性）——對你而言同時發生的兩樁事件，對一個滑行而過的人未必同時。
你不必憑信仰去相信這些。在接下來的課程裡，我們會*推導*出每一個，所用的不過是直角三角形那點代數。它們不是要去死記硬背的幾個互不相干的奇蹟——它們是同樣那兩條公設的三張面孔。
認識 gamma：量度怪異程度的旋鈕
有一個數能追蹤在給定速度 v 下，這些效應「咬」得有多狠：那就是勞侖茲因子，用希臘字母 gamma 表示。你現在還不必去推導它——只要學會把速度代進去就行。它是鐘變慢的拉伸因子，也是尺變短的壓縮因子，並且貫穿整套理論：
gamma = 1 / sqrt(1 - v^2 / c^2) v = 0 -> gamma = 1 (nothing strange) v = 0.10 c -> gamma = 1.005 (a half-percent effect) v = 0.87 c -> gamma = 2 (clocks tick half as fast) v = 0.995 c -> gamma = 10 (tenfold slowdown) v -> c -> gamma -> infinity
請留意這份溫和的回報。在步行速度下，甚至坐在噴射機裡，v/c 都小到 gamma 在小數點後許多位上仍是 1——這正是相對論在日常生活中隱而不現的原因，也正是牛頓那套老物理至今仍能讓我們的飛機翱翔的原因。只有當 v 成為 c 的一個可觀分數時，怪異才會被打開。自始至終都是同樣那兩條公設；gamma 只是告訴你，從什麼時候起該開始上心。