作者李淼，1962年出生，中山大学天文与空间科学研究院院长。著有《超弦史话》《越弱越暗越美丽》《<三体>中的物理学》等。
一、狭义相对论（时空理论）
1905年爱因斯坦在这篇名为《论动体的电动力学》的论文中提出了狭义相对论。
狭义相对论源于两条公理。所谓的公理，就是肯定正确、完全不需要任何证明的科学原理。如果把狭义相对论比作一栋房子，那这两条公理就相当于这栋房子的两块基石。
1、狭义相对性原理
第一条公理叫狭义相对性原理。我们前面已经讲过伽利略相对性原理：所有的惯性系都拥有完全相同的力学规律。而狭义相对性原理只是在此基础上做了一点小小的拓展。它说的是，所有的惯性系都拥有完全相同的物理学规律。换句话说，除了力学规律，其他的物理学规律（例如电磁学规律）也不会因为换了个惯性系就发生改变。
这其实很好理解。人们普遍相信，物理学之所以有用，是因为它具有普适性。也就是说，在地球上发现的物理学规律，应该能适用于整个宇宙。要是换了个惯性系，物理学规律就随之而改变，那物理学的普适性就会被打破。这样一来，物理学就会失去它存在的意义。所以，狭义相对性原理肯定是正确的。
2、光速不变原理
第二条公理叫光速不变原理。它说的是，不管对于哪个参考系，光速都不会发生改变。
换言之，一旦某个物体本身的运动速度达到光速，就不能再把它的速度与其他惯性系的速度进行叠加。
听起来特别匪夷所思，对吧？但你要是接受了光速不变的观点，再回过头去看迈克尔逊-莫雷实验，一切马上就会变得豁然开朗了。由于迈克尔逊干涉仪的两个臂长相等，如果速度不变，被分开的两束光就会同时到达观测屏。根据牛顿力学的观点，如果以太真的存在，它就会以一定的速度相对于地球运动，这就是所谓的以太风。此时，按照伽利略变换理论，以太风的速度将以线性和平行四边形这两种方式，与两束互相垂直的光进行叠加，从而使两束光一前一后地到达观测屏。但爱因斯坦告诉我们，这种传统的观点是错误的。根据光速不变原理，这两束光根本不会与以太风的运动速度进行叠加。这样一来，它们还是会同时到达观测屏，这与迈克尔逊和莫雷的实验结果完全一致。
3、推导出洛伦兹变换公式
从这两条公理出发，爱因斯坦直接推导出洛伦兹变换的公式。这意味着爱因斯坦从理论上严格地证明了，当一个物体在一个惯性系中的运动速度接近光速的时候，要想描述它在另一个惯性系中的运动，就不能再使用伽利略变换，而必须使用洛伦兹变换。换句话说，如果一个物体的运动速度远远小于光速，它就满足伽利略变换，这时描述它运动规律的物理学理论就是牛顿力学；如果它的运动速度接近光速，它就满足洛伦兹变换，这时描述它运动规律的物理学理论就是狭义相对论。因此，洛伦兹变换其实就是狭义相对论中最核心的公式。
但必须强调的是，狭义相对论和洛伦兹的理论之间有一个最大的区别：在狭义相对论中，根本没有以太的立足之地。现在的物理学家已经普遍接受了爱因斯坦的观点：20世纪以前的科学家寻找了那么久的以太，其实根本就不存在。
换句话说，洛伦兹是从错误的基础出发，得到了正确的结论。他为了解释迈克尔逊-莫雷实验而拼凑出来的公式，却阴差阳错地成了相对论大厦里最核心的支柱。
4、尺缩效应
在狭义相对论中，尺缩效应就变得比较好理解了。为什么运动物体的长度会变短呢？答案是它本身并没有变短，只是在外部观察者的眼中变短了而已。还是用我们的老例子。一列火车以接近光速的速度运动。对待在火车内部的运动员而言，火车的长度一点都没有变短。但对一个站在地面的人而言，火车的长度却显著地缩短了；而且火车的速度越快，它在这个人眼中就缩短得越厉害。你可以把尺缩效应理解成一种由于观察角度不同而产生的观测效应。事实上，这种观测效应在现实生活中并不罕见。比如说，一个人离你比较远，你就会觉得他的个子比较矮；等他走到你附近的时候，你就会觉得他的个子长高了。其实，他的个子一直都没有改变，只是你对他的观察角度发生了改变而已。这样一来，火车的长短取决于它与观察者之间的相对速度就不难理解了。
狭义相对论预言了牛顿力学中没有的一些新现象。前面讲洛伦兹理论的时候，其实已经提到了其中一种现象：尺缩效应。
5、钟慢效应
上图就是钟慢效应的基本图像。左图是一个处于静止参考系中的光钟。所谓的光钟，就是用光来计量时间的钟。从镜子A射出的一束光，被镜子B反射以后，又会回到镜子A。由于光速以及两面镜子的间距总是固定的，所以光在其中往返一次的时间也会保持不变。这样，我们就可以用光钟来测量时间。然后，我们把这个光钟带上一列向右运动着的火车。对一个待在火车里的人而言，这个光钟的运动状态与左图没有任何区别。但对一个依然留在地面的人而言，这个光钟的运动状态就变成了右图的样子。由于光的路径变成了斜线，相应的路程就会变得比原来的直线要长。这意味着，对留在地面的观测者来说，火车中的光要想在两面镜子间往返一次，需要花上更长的时间。也就是说，火车中的时间会变慢。这就是所谓的钟慢效应。
6、时空理论
钟慢效应告诉我们一件很重要的事。对一个运动速度接近光速的物体而言，不只是它的长度，就连它的时间也不再固定不变。换句话说，与宏观低速世界相比，宏观高速世界里的空间和时间都会改变，并且会与光速发生紧密的联系。最早在狭义相对论的框架下，清晰地阐述空间、时间及光速之间联系的人，是犹太裔数学家闵可夫斯基。
闵可夫斯基用简洁的数学语言重新解释了狭义相对论的物理含义。他发现将时间乘以光速后，就可以增加一条与其他空间轴都垂直的时间轴，从而把三维欧式空间变成四维闵氏时空。这样一来，时间和空间就不再是两种毫无关联的事物，而是同一个事物的两个不同的侧面。这个由时间和空间组合而成的事物，就是“时空”。因此，狭义相对论打破了时间和空间的界限，给人类带来一种全新的时空观。这也是狭义相对论带给人类最大的震撼。
7、质能公式
基于洛伦兹变换，爱因斯坦还推导出了一个举世闻名的公式，那就是爱因斯坦质能公式。很多科普书上都说这个公式开启了人类的核能时代。事实上，爱因斯坦提出这个公式的时候，压根没想过什么核能的事。
二、广义相对论（引力理论）
广义相对论其实应该叫爱因斯坦引力。
1、时空弯曲
前面说过，就连牛顿爵士也只能描述引力是什么样的，而无法回答引力是怎么产生的。不过爱因斯坦在他的新引力理论里，对这个问题做出了回答。
换句话说，引力是怎么来的？其实就是有质量的物体把它周围的时空给压弯了，而弯曲的时空又对在其中运动的物体产生了引力的效果。时空弯曲就是万有引力之源，这就是爱因斯坦引力，或者说广义相对论最核心的思想。
1915年，爱因斯坦提出了他一生中最伟大的理论，也就是广义相对论。广义相对论解决了一个连牛顿爵士都没能回答的问题：引力是怎么产生的？答案其实很简单。有质量的物体会把它周围的时空压弯，而弯曲的时空会对在其中运动的物体产生引力的效果。时空弯曲就是万有引力之源，这就是广义相对论最核心的思想。
2、光线偏折
弗罗因德利希想到了一个好办法，可以用来检验牛顿引力和广义相对论到底哪个是对的。这个办法叫“光线偏折”。
1919年，爱丁顿通过日全食的观测有力地验证了广义相对论，从而让爱因斯坦一举登上了科学的神坛。
3、恒星的一生
世界上所有的恒星，终其一生都要面对一个极其艰巨的任务，那就是要想方设法抵抗自身的引力。这是因为，如果没有足够的力量与之抗衡，引力就会让恒星塌缩成一团。绝大多数的恒星，包括我们最熟悉的太阳，都是通过核聚变的方式来抗衡引力的。
天上所有的恒星，终其一生都在抵抗自身的引力。绝大多数像太阳这样的恒星，都是靠核聚变来抵抗引力的。但核聚变的原料早晚会耗尽，而恒星也迟早会死去。它将抛出外围的物质，并留下一个内核。
然后有三种可能。如果内核质量小于钱德拉塞卡极限（1.44倍太阳质量），电子简并压力就能够抵抗引力，它就会塌缩成一个白矮星；
如果内核质量介于钱德拉塞卡极限和奥本海默极限（3倍太阳质量）之间，中子简并压力就能够抵抗引力，它就会塌缩成一个中子星；
如果内核质量大于奥本海默极限，就没有什么力量能够再抵抗引力，它就会塌缩成一个黑洞。
