重建物理学的两句话
1905 年，一位 26 岁的专利局职员写下了两条简短的规则，任凭物理学的其余部分围着它们重新塑形。这两条合起来，就叫做狭义相对论的两条公设。没有第三条暗藏的规则，也没有什么特殊花招：这套理论里一切著名而古怪的东西——变慢的钟、缩短的尺、谁都说不到一块去的「此刻」——都只是用寻常的逻辑，从这两条里挤压出来的。
公设不是用来证明的东西，而是你选择去信任的出发假设，就像几何课上的学生信任「两点决定一条直线」那样。信任这两条的理由很简单：实验一次又一次地与它们相符，从未有任何东西能把它们抓出破绽。所以请慢慢读——整场冒险都包含在这里。
第一公设：规则不在乎你巡航得多快
第一公设就是相对性原理：物理定律在每一个惯性参考系里都完全相同——也就是在每一个沿直线匀速运动的舱室里都相同。在一趟平稳的夜航中倒咖啡，它会笔直地落进杯里，和在地面上一模一样。封在舱内的任何实验，都无法告诉你究竟是停着，还是正以每小时 900 公里飞驰。
这一部分伽利略早已知晓，听起来也合情合理。自然界并没有偷偷给哪个参考系盖上「真正静止」的印章。匀速运动永远只是相对于别的东西的运动；绝对的匀速速度，是你根本无从测量的东西。到这里都还没有惊奇——爱因斯坦的第一句话大体上只是常识。
第二公设：光有一个顽固的速度
第二公设才是那枚炸弹。真空中的光速——记作 c，约为每秒 30 万公里——对每一位惯性观察者都是同一个数，无论灯如何运动，也无论你如何运动。爱因斯坦那不动声色的胆识在于：第一公设必须连光一起涵盖，所以 c 不可能取决于谁在看。
想象在能想到的最快的火箭里去追一束光。常识会尖叫：那束光理应稍微慢一点地超前，就像你在高速公路上追的那辆车，看起来只是温和地缓缓拉开。然而并非如此。把火箭油门踩到光速的 99%，那束光依旧以完整的 c 从你身边撕扯而去。正是这一个顽固的事实，拒绝塞进寻常的日常思维里。
总得有东西让步：时间与距离
速度无非就是距离除以时间。如果两个运动状态不同的人，对同一道闪光测出的是相同的速度，那他们关于距离和时间的数值就不可能一致。其中之一——其实是两者——必须弯曲。这便是整套狭义相对论的发动机：把 c 钉死，于是逼着时间与空间去伸缩。
- 运动的钟走得慢（时间膨胀）——你看着一台快速掠过的钟，它的滴答被拉长了。
- 运动的尺变得更短（长度收缩）——一个快速运动的物体，沿运动方向被压扁了。
- 「同时」裂开了（同时性的相对性）——对你而言同时发生的两桩事件，对一个滑行而过的人未必同时。
你不必凭信仰去相信这些。在接下来的课程里，我们会*推导*出每一个，所用的不过是直角三角形那点代数。它们不是要去死记硬背的几个互不相干的奇迹——它们是同样那两条公设的三张面孔。
认识 gamma：量度怪异程度的旋钮
有一个数能追踪在给定速度 v 下，这些效应「咬」得有多狠：那就是洛伦兹因子，用希腊字母 gamma 表示。你现在还不必去推导它——只要学会把速度代进去就行。它是钟变慢的拉伸因子，也是尺变短的压缩因子，并且贯穿整套理论：
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
请留意这份温和的回报。在步行速度下，甚至坐在喷气机里，v/c 都小到 gamma 在小数点后许多位上仍是 1——这正是相对论在日常生活中隐而不现的原因，也正是牛顿那套老物理至今仍能让我们的飞机翱翔的原因。只有当 v 成为 c 的一个可观分数时，怪异才会被打开。自始至终都是同样那两条公设；gamma 只是告诉你，从什么时候起该开始上心。