自小到大，你可能一直会有这样的疑问：
时间到底是什么东西？
　　我们能跨越未来吗？
　　我们能回到过去吗？
　　光到底是什么东西？
　　宇宙到底长什么样？有大小吗？有生死吗？
　　我们能像星际迷航一样穿梭在银河系吗？
　　这个世界的物质到底是由什么构成的？
　　物质可以无限分割吗？
　　……
　　科学家到底是如何找到上述这些令人不可思议的问题的答案的？

所有这一切，都要从爱因斯坦发现的相对论开始讲起，这的的确确是一个伟大的理论，这是上个世纪人类对这个宇宙秘密最深刻的一次发现，这个理论可以解答你心中无数的疑惑。你可能还是在感到茫然地看着我：“我听说过相对论，可是它跟我们的日常生活有关系吗？”
当然是有关系的，比如，GPS导航系统现在已经是一个满大街都可以看到的常用小电器了，我估计很多读者都有一个车载的，或者手机里面就有一个。我告诉你，如果没有相对论，那么这玩意可就会出大问题。因为根据相对论，卫星上面的时钟会比地面上的时钟走得快，每天大约快38微秒（0.000038秒），这个时钟的快慢并不是因为计时器精度不够造成的，而是因为真正的时间本身变慢了。你设想一下，如果人类没有掌握相对论的知识，那么就不会知道发**到天上的卫星哪怕用再精确的计时工具计时，也不可能消除这个误差。你千万不要小看这似乎微不足道的38微秒，如果不校正的话，那么GPS导航系统每天积累的误差将超过10公里（当然这个误差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美军用这个来导航导弹的话，那麻烦可就大了。因此在GPS卫星发**前，要先把其时钟的走动频率调慢100亿分之4.465，把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫，这些数字全靠有了相对论才能那么精确地计算出来。
神奇！你大概会惊呼一声，相对论原来就是这个啊。哦不，这并不代表相对论，卫星上的时间变快只不过是相对论无数推论中的一个，我们通过相对论可以精确地计算出卫星上的时钟和地面上的时钟的误差到底是多少。相对论还有很多很多的推论，小到推测水星的运行轨道、在发生日全食时星星的位置，大到可以推演太阳的过去与未来、甚至宇宙的过去与未来。神奇！你再次惊呼一声，不过你越说越玄乎了，我还是有点不信，你先别说得那么远，你前面说啥来着？时间本身变慢了？这个太让我难以理解了。在我眼里时间本身是均匀流逝的，我们感受的所谓快慢无非是我们自己的感觉在变化，即便是你的表和我的表走时不准那也不是时间本身不准，而是我们的手表精度不够造成的。中午12点整开饭对任何人来说都是12点整开饭，这是一个客观事实摆在那里，不会因为我们用的是一块真的劳力士还是一块山寨劳力士而改变。坦诚地说，我非常理解你的这种想法，并且，我还要恭喜你，你的这个思想和伟大的牛顿是一模一样的。但非常遗憾，这个想法错了，真的错了。

相对论是研究时间、空间、运动这三者关系的理论体系的总称，它是这100多年来人类最伟大的两个理论之一（还有一个是量子理论，那又将是一个长长的激动人心的故事，推荐阅读《上帝掷骰子吗？量子物理史话》，作者曹天元），诺贝尔物理学奖是不足以来评价相对论的伟大的。如果上帝真的存在的话，上帝过去总是说：“人类一思考，上帝就发笑。”相对论之后，上帝改口了：“人类一思考，上帝就发慌。”
我们对相对论的误解实在是太多了。大多数人都觉得相对论很神秘、很深奥，是大科学家才能理解的东西。这种误解来源于一个广为流传的关于相对论有多难懂的故事，说的是一个记者问天文学家爱丁顿：“听说全世界总共只有三个人能懂爱因斯坦的相对论，您是其中之一，是不是这样？”爱丁顿一时沉默了，正当记者以为爱丁顿要反驳的时候，没想到爱丁顿说：“我正在想另外两个人是谁。”我估计当时这个记者就震惊了。不管这个故事是真是假，总之给我们的一个印象就是相对论很难懂。但是大家千万不要忘了，这个故事发生在100多年前的1906年，那时候相对论刚刚被爱因斯坦用严谨的数学语言描述出来，对那个时代的人来说确实是很难理解的。不要说相对论了，你想象一下如果你回到乾隆年间，对大知识分子纪晓岚说随便找一个三角形的东西，把三只角割下来拼在一起，不多不少，总是恰好能拼出直直的一条边。
（图0-1：把三角形的石桌的三个角割下来拼在一起，必定可以得到一条直边）

　关于相对论的谣言粉碎机
一、某些伪哲学家最喜欢说的一句话就是“伟大的爱因斯坦发现了这个世界的奥秘：世间万物都是相对的，没有什么是绝对的”。
胡说八道！尤其是每当我跟某些人说“这是不会变的”的时候，对方告诉我爱因斯坦的相对论禁止这种想法。我忍不住就大喊一声：“胡说八道，谁告你爱因斯坦说过这句话，别给爱因斯坦抹黑！”事实上，爱因斯坦在晚年一直很不喜欢别人把他的理论叫做“相对论”，他自己觉得他的这个理论应该叫做“不变论”，因为他的理论中最重要的部分是那些数学方程式中的不变量。爱因斯坦深以为自豪的是他发现了宇宙中一些永恒不变的常量，更何况整个相对论都是从“在真空中光的传播速度恒定不变”这一实验基础上发展而来的。如果当年相对论真的如爱因斯坦所希望的那样叫做了“不变论”，我很想知道伪哲学家们是否又要说：“伟大的爱因斯坦发现了这个世界的奥秘：不管世界怎么变化，永恒的永远就是永恒的。”

二、有很多人认为相对论是用来造核武器的理论，爱因斯坦正是现在人类面临的核危机的罪魁祸首。这次日本大地震导致的福岛核电站的泄漏又一次带来了很多这样的谣言“要不是爱因斯坦，要不是相对论，何至于此”。
我只能表示无语。事实是关于核武器，爱因斯坦唯一做过的一件事情是在一封很多科学家写给美国总统罗斯福的信上签了字，这封信主要讲的是希特勒有可能正在研制一种威力巨大的“新型炸弹”，如果被希特勒研制出来，很有可能改变二战的进程，美国也应该组织力量进行研制，以阻止可怕的灾难性后果。而相对论只不过是对这种新型炸弹为什么会有如此大威力的一种理论解释，即便没有相对论，这种炸弹也一样能造出来，只不过人类不知道为什么威力如此巨大而已。这就好像我放了一个屁，把自己臭死了，但我百思不得其解为什么这么臭，直到有一天化学家和生物学家通过研究发现了臭屁的原理，但是没有理论仍然不能阻止我放出臭死自己的这个屁。正如有着“活着的爱因斯坦”之称的霍金指出的那样：把原子弹归咎于爱因斯坦的相对论就如同把飞机失事的责任归咎于牛顿的万有引力定律类似（参见霍金《果壳中的宇宙》）。

【你必须了解的四个概念】
波普尔的证伪说——科学与伪科学的量尺。
波普尔是一个著名的科学哲学家，他阐明了一个被现在科学界广为接受的道理。所有的物理规律（或者说科学定律）都是永远无法“证实”的，通俗的讲就是科学规律永远不可能用摆事实讲道理的方法来给你证明的，尤其是证明给那些伪哲学家们。咋一听这个说法，你似乎很难理解，其实很好理解。比如说我现在发现了一个科学规律：天下乌鸦一般黑。那我怎么证明这个规律呢？我只能到全世界去抓乌鸦的样本，每抓到一只都发现是黑的，然后我就跟你说，你看，我从全世界抓了那么多的乌鸦，无一不是黑的，这下你总该相信我关于天下乌鸦一般黑的理论了吧？你说，不，你又没有把地球上的所有乌鸦都抓来给我看，你怎么就知道没有一只白色的乌鸦呢？就算你把地球上所有的乌鸦都抓来了，你怎么知道宋朝的乌鸦也都是黑的呢？你怎么知道以后会不会生出白色的乌鸦呢？总之你跟我说什么都不能让我相信天下乌鸦一般黑这个理论。波普尔说没错，确实我无法证明这个规律是正确的，但是我可以大胆的做出一种预言，哪一天你跟我说你又在非洲的某个丛林里面抓到了一只乌鸦，我不用去看，我就敢说那只乌鸦是黑的。你每抓到一只黑色的乌鸦，我只能说给“天下乌鸦一般黑”这个理论增加了一分可信度，直到我们有一天发现了一只白色的乌鸦，则这个理论就不攻自破了。而科学理论之所以能称之为科学，首先他要能做出一些预言，而这些预言恰恰是要能够被“证伪”的，也就是说这个科学理论做出的预言是有可能被试验所推翻的，只有满足了“预言”和“证伪”这两个条件，我们才能冠以科学之名。反过来说，如果你提出的一个理论并且做出的预言是永远不可能被实验推翻的，那么这个就可以称之为伪科学了。比如说，你给出了一个理论：有一种屁放出来是香的。于是我们把全天下的人放的所有屁都收集过来闻一下，发现都是臭的，但是这也没法推翻你的理论，因为我们并不能证明唐朝的人放的屁也都是臭的。另外，你的这个伟大理论却不能做出一个准确的预言：在何年何月何地何人会放出一个香屁来。因此，当一个理论只能“证实”而不能“证伪”时，我们暂不能承认他是科学的，只能当作一种“见解”来对待。波普尔认为所有的物理规律都能只能算作一种“假说”，他可以做出大量的预测，指导我们的发明创造，但总有一天会因为找到一个不符合理论的反例来要求我们修正理论，但在没有找到反例之前，我们仍然认为该理论是正确的、科学的，相对论也不例外。

思维实验——在大脑中运行的实验。
说到实验，你首先想到的是什么。是跟我一样永远不能忘记第一次看到老师用火柴点燃倒扣在塑料杯下面的氢气时，发出的那一声巨大的爆炸声和自己的惊呼声吗？还是传说中的伽利略在比萨斜塔上面扔下一只铁球和木球，用他们的同时落地来推翻亚里士多德的论断“重的物体比轻的物体下落的更快”。你的脑海中一定翻腾起无数你曾经看到过的或者亲自做过的实验。但是你有没有想过，有一种实验叫做“思维实验”，而正是这种思维实验极大的推动了科学的发展。我知道你已经在嘀咕“真的假的？”了，这就给你例子。关于思维实验的科学史上最著名的例子就是伽利略首先做的，用来推翻亚里士多德重物下落的更快的论断。

（以下对话为虚构）
伽利略说：“亲爱的亚里士多德先生，你不是说重的东西比轻的东西下落的更快吗？那么如果我们把一个铁块和一个木块用绳子拴在一起，从高处扔下来会发生什么？按照你的说法，较轻的木块下落的慢，因此他会拖累铁块的下落，所以他们会比单扔一个铁块下落的慢一点，是不是这样？”
亚里士多德说：“没错，逻辑正确。”
伽利略说：“但是，铁块和木块拴在一起以后，总重量却要比一个铁块更加重了啊，那么岂不是他们又应该比单个铁块下落的更快？”
亚里士多德说：“呃… …”
伽利略说：“这个实验我们不用实际做一下了吧，单单就在我们脑子里面做一下就可以发现您的理论是自相矛盾的。”
亚里士多德说：“你让我想想，你让我想想… …”
上面就是一个思维实验的生动例子，在头脑中运行的实验有时候往往比真正的实验更具有说服力。爱因斯坦就是一个思维实验的大师，相对论的诞生和思维实验密不可分，甚至可以说没有爱因斯坦在大脑中运行的那些实验，相对论就不可能诞生

佯谬——咋一看肯定是不对的，但没想到确是真的。
在物理学里面，经常会遇到一些很有趣的事情，这些事情总是一开始让你觉得不可能，但恰恰最后又被实验证明是千真万确的。像这样的事情，中文里面有一个词就叫做“佯谬”，佯，就是佯装伪装的意思；谬，就是谬误错误的意思；佯谬就是佯装是错误的，其实是正确的。在我们这本书中，会出现很多有趣的佯谬。我们先举一个统计学中著名的佯谬的例子给大家看（本例子来源果壳网）：我高考终于考完了，考的相当不错呢，终于到了填写志愿的时候，东方大学（简称东大）和神州大学（简称神大）都是我向往的两所大学，录取分数都差不多，到底第一志愿要填报哪所大学呢？想来想去，为了终生大事我决定报考女生更多的大学，于是我从网上开始搜索两个大学数据开始研究。“物理系，东大男女比例（就是男生数量比上女生数量）大于神大（东大是5:1，神大是2:1，两所学校都是男生多）；外语系，东大男女比例又是大于神大（东大是0.5:1，神大是0.2:1，两所学校都是女生多，但东大的男女比例更大一点）……哇，怎么所有专业东大的男女比例都高于神大啊……那还犹豫什么呢，我肯定报神大了！”，两个月后我顺利的进入了神州大学，正当我得意我的选择的时候，我悲剧的看到了一份资料：写的清清楚楚东大的整体男女比例小于神大。我靠，什么？！有没有搞错？怎么可能东大的所有专业男女比例都高于神大，但是整体男女比例却低于神大了呢？！不带这样玩我的！！！肯定是哪里算错了吧……，于是我拿出计算器狂敲，却发现网上的数据没错，我也没有算错数据，结果却是千真万确的。这种情况真的可能发生吗？是的，这就是著名的统计学上的“辛普森佯谬”，看起来不可能的事情真的发生了。你可能还是不相信，那么我们来编造两份数据，你自己可以亲自动手演算一下：
物理系数据：
　　男生人数 女生人数 男女比例
　　东方大学 35 7 5:1 （大）
　　神州大学 100 50 2:1
外语系数据：
　　 男生人数 女生人数 男女比例
　　东方大学 50 100 0.5:1（大）
　　神州大学 10 50 0.2:1
学校整体数据（两个专业之和）：
　　 男生人数 女生人数 男女比例
　　东方大学 85 107 0.8:1（小）
　　神州大学 110 100 1.1:1

　※第二章 伽利略和牛顿的世界※
我们的故事要从300多年前开始讲起（你可能在嘀咕：有没有搞错，相对论不是100年前的爱因斯坦发明的吗，怎么一下子就要多倒回去200年？知足吧，我已经比谢耳朵好多了，他总是从古希腊开始说起），是的，为了让你能充分领略人类在通往相对论这条道路上所经历过的蜿蜒曲折，峰回路转，我们必须回到这条路的起点。

【伽利略相对性原理】
现在请跟我一起回到16世纪末的意大利比萨，此时正值文艺复习的后期，国富民强，文学、艺术、科学的春风从意大利席卷整个欧洲，空气中弥漫着新世纪即将到来的新鲜气息（中国此时正值清朝康熙年间，也是一派国泰民安的景象）。在比萨大学的一间大教室中，坐的满满当当，宫廷数学家玛窦•利奇（和我们熟悉的传教士利玛窦名字就差一点点，但不是他）正在讲台上开讲座，讲台下面黑压压的一片。玛窦是闻名全国的著名数学家，一向只在皇宫中为侍童们讲课，他要来比萨大学的消息在几个月前就已经传遍了整所大学。医学系的一个叫伽利略•伽利雷的学生起了一个大早，终于抢到了最前排的好座位。
玛窦开始讲解数学的新进展——代数学，并且用简洁流畅的手法向大家展示了什么是一元二次方程，并且给出了aX^2+bX+c=Y 的通用解法的证明，进而开始讲解因式分解的概念以及现场演算了（a+b）^n 分解的过程。
玛窦熟练的演算和生动的讲解博得了阵阵掌声，他注意到坐在第一排有一个年轻学生至始至终聚精会神的听讲，脸上不时的闪过兴奋和满足的表情，玛窦一下子对这个学生产生了好感，讲课的间隙玛窦突然问道：
“同学，你叫什么名字？”
　　“伽利略”伽利略回答道。
　　玛窦说：“哪个专业的？”
　　伽利略说：“我是医学系的。”
　　玛窦说：“啊！真是了不起，学医学的也能对数学如此感兴趣，你一定会成为一名伟大的医生的！”
伽利略的脸突然一下就红了，说：“其实，先生，我不喜欢医学，我更喜欢数学和物理。但是我的父亲希望我能成为一名医生，我为此感到十分的苦恼。”
玛窦说：“别泄气，年轻人。你可以自学，大学很短暂而生活很长，追随自己的兴趣，你一定能成功的。不管什么时候，你都可以来找我，我愿意成为你的良师益友。”
　　伽利略受到了极大的鼓舞，从此更是疯狂的喜欢上了数学和物理，并且经常去跟玛窦请教问题，我们应该感谢玛窦对伽利略的鼓励，虽然使得世上少了一名不错的医生，但是却催生了一位伟大的物理学家、天文学家和哲学家。

伽利略在力学和物体运动规律方面的贡献是无与伦比的，是他打下了牛顿经典力学的基桩，而牛顿在这片基桩之上盖起了足以让后人仰视的经典力学大厦。
伽利略第一项最广为认知的成就是提出了自由落体定律，这个定律说的是如果不考虑空气阻力的话，则任何物体的下落速度都是一样的，且都是呈一个固定的加速度（这个加速度上过中学的人都知道，就是g≈9.8米/秒^2）。
伽利略把类似自由落体定律这样的现象和规律统称为“力学规律”。
我们再来看一个伽利略发现的著名的“惯性定律”，其实这就是牛顿第一运动定律（当然，伽利略没有像牛顿那样精确的表述出来，因此这一定律的正式的发现权仍然归于牛顿），伽利略发现这个定律，也是从一个思维实验开始，这个思维实验是具备非凡智慧的。伽利略设想把一个小球放到一个U型管的一端，松手让小球自由滑落，则这根U型管表面越光滑小球能在另一头就上升的越高，伽利略假想如果能发明一种完全没有阻力的材料，则小球应该能恰好在另一头到达跟起点同样的高度。这个现象就好像在一根绳子上挂一个小球做一个钟摆，如果完全没有空气阻力的话，小球从一头摆到另一头的高度应该是完全相同的
（图2-1：小球从U型管一头落下应当滚到相同高度，钟摆每次都应当摆到相同高度）。

（图2-1：小球从U型管一头落下应当滚到相同高度，钟摆每次都应当摆到相同高度）。

为此，我们来假想一个伽利略和你之间的穿越时空的对话。
伽利略：“我想问你一个问题，怎么区分静止和运动？”
你：“靠，这也叫问题。我开着法拉利一溜烟的从你身边开过，我就是在运动，难道这有什么不对？”
伽利略：“对不起，请问法拉利是谁？”
你：“哈，不好意思，忘记你是古人了，那我就不说法拉利了，我们说火车吧。”
伽利略：“火车？”
你崩溃状：“你那个时代连火车也木有！！！伤不起啊，想想也是，蒸汽机还没发明，瓦特都没出生，好吧，那我们说船总可以了吧，船你总知道吧？”
伽利略：“船，当然知道，你的意思是说如果你在开动的船上，我在岸上，那么我就是静止的，你就是运动的对吗？”
你：“哈哈，我可不会上你的当，好歹我也学过几年物理，我知道你要说的是什么，我替你说了吧。说道运动，必须要有一个参照物，如果以你为参照物，那么你是静止的，我就是运动的。如果反过来以我为参照物，你就是运动的。对不对？你还真以为我是文盲啊，伽利略先生。”
伽利略：“未来人果然牛啊。那好吧，我们继续，现在假设你在一个没有窗户的船舱里面，完全看不到外面的情况，你有没有办法知道船是相对于我运动的还是静止的？”
你想了想：“你这个问题也难不倒我，如果船不是以匀速直线运动在开动的话，我很容易知道船是不是在开，如果船是加速的，我会感到有一股无形的力在把我向后推，如果船是减速的，我就会不由自主的往前踉跄。我天天做地铁，对这种感觉太熟悉了，呃，你就不用问什么是地铁了，跟你解释不清，反正以此我就可以判断船是在加速还是在减速了。我说的没错吧？伽利略先生。”
伽利略：“完全正确。那如果船的加速度很小，你又是固定在座位上的，很难察觉到微小的推背感的时候，你该用什么办法来判断呢？”
你：“这个… … 让我想一下。有了，这也不难，我只要做一点力学实验就可以了，比如我用绳子挂一个小球，看这个小球是不是完全垂直的；或者，我把一个小球放在一张平稳的桌子上，我看小球会不会自动滚起来，通过很多的力学实验我都可以发现船的运动状态。”