导读：本章摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》。此文旨在帮助大家认识我们身处的世界。世界是确定的，但世界的确定性不是我们能把我的。
现在我们该了解相对论产生的历史背景了，迈克耳孙-莫雷实验对以太风观测的零结果表明，或者所有有关以太的理论需要修改，例如像洛伦兹那样引入长度收缩因子，这样会带来一系列的修补工作；或者认为以太存在的理论根本就不成立。
其实早在年麦克斯韦就已经证明电磁波传播速度只和介质有关，年赫兹在研究电磁理论时也得出了电磁波波速与波源速度无关的结论。然而，这个结论显然是不符合伽利略变换的，这说明对于运动中的物体需要一种新的电动力学。
洛伦兹曾经在维持以太存在性的前提下发展过这样一种电磁理论，这被称作洛伦兹以太论。在这一理论中，以太和其他物质被严格区分开，以太是绝对静止的，这也是牛顿的绝对时空观的反映；然而有别于机械观的以太，洛伦兹的以太是一种“电磁以太”：洛伦兹假设电磁场是以太状态的体现，但他对此没有做更多的解释。洛伦兹用这一理论解释了塞曼效应，为此获得了年的诺贝尔物理学奖。
年，洛伦兹给出了长度收缩的假设，并通过他的相关态定理提出了所谓“本地时”的概念，运用这一概念他解释了光行差现象、多普勒频移和斐索流水实验。相关态定理是说相对于以太运动的观察者在他的参考系中观测到的物理现象应当和静止坐标系中的观察者看到的是相同的。
本地时的概念在数学上相当于狭义相对论中的相对同时概念，但在洛伦兹的理论中它只是一种数学上的辅助工具，没有实在的物理意义。同一年，洛伦兹引入了一组适用于麦克斯韦电磁理论在相对以太运动的坐标系中时空变换的方程，即洛伦兹变换，并于年和年对洛伦兹变换进行了补充和修正，他的年的论文《以任意小于光速的系统中的电磁现象》给出的洛伦兹变换已经非常接近于现代的定义。
所以大家看到了即使是像洛伦兹，开尔文，爱因斯坦都深受以太理论和牛顿权威的影响。改变在任何一个时代都是需要勇气的。比如现在关于暗物质的理论，宇宙大爆炸的理论，我就在《变化》中说了，我们要持高度怀疑态度。
因为他们就像是当年的“以太”理论一样。我们需要修改无数种可能情况去迎合它，即使这样，还不自洽。这时候我们如果还不怀疑，那我们才是傻。
后来法国数学家、科学家昂利·庞加莱一直是洛伦兹观点的阐释者及批判者，年他对洛伦兹的本地时概念的起源作出了具有物理意义的解释，即本地时来自不同坐标系间通过光速进行的时钟同步，这就是狭义相对论中同时性的相对性的概念。
庞加莱
年庞加莱在独立于爱因斯坦工作的情形下提出了相对性原理：任何力学和电磁学实验都不能区分静止和匀速运动的任何惯性参考系，这条原理后来成为狭义相对论的两条基本原理之一。
年6月5日，庞加莱在给洛伦兹的信中证明了洛伦兹于年论文中给出的电磁方程组不是洛伦兹协变的，并重新修正了洛伦兹变换的方程。庞加莱的这一组方程正是沿用至今的洛伦兹变换形式，也正是庞加莱此时首次将这一组方程命名为洛伦兹变换。
洛伦兹建立的基本观点是，在一组特定的变换下电磁场的方程组形式并不（随坐标系）改变。
他证明了洛伦兹变换是最小作用量原理的一个推论，并用群论的语言描述了洛伦兹变换，即洛伦兹群，这些内容都包含在他于年1月发表的论文《论电子的动力学》中。
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爱因斯坦将洛伦兹和庞加莱称作相对论的先驱，他指出在他之前“洛伦兹已经认识到这种以他名字命名的变换对分析麦克斯韦方程组的重要作用，而庞加莱则做出了更深入的研究……”。这说明伟大的人物，也需要出现在恰当的时间，恰当的地点。
所以现在很多网上评论说爱氏的伟大在于他独立提出狭义相对论和广义相对论是错误的。应该准确的说他是在前人的基础上，独立的提出了狭义相对论和广义相对论。
如果没有洛伦兹和庞加莱的工作，爱氏的理论可能会晚上很多年。
德国犹太物理学家阿尔伯特·爱因斯坦于年毕业于苏黎世联邦理工学院，而后于年获瑞士国籍。爱因斯坦首先在各种对以太风观测的零结果中猜想到以太的不存在性，并在对洛伦兹和庞加莱的理论的研究中发现了运动物体的电动力学导致的光速不变性与原本的速度叠加原理的矛盾。对于这一矛盾，爱因斯坦声称是其好友米歇尔·贝索帮助他领悟到了解决方案，即同时性的相对性。
年6月30日，爱因斯坦完成了划时代的著名论文：《论运动物体的电动力学》，并发表在同年9月的《物理年鉴》上。在这篇论文中，爱因斯坦开头便指出了麦克斯韦电磁理论应用于运动物体时表现出的内在不对称性（引用了一个著名的理想实验——移动中的磁铁与导体问题来说明），为同时性下了新的定义，从而引出了他的狭义相对论理论，这一理论基于两个基本公设（原文用词为“原理”）：
1、物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。
2、任何光线在“静止”的坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。
第一条公设也就相当于庞加莱的相对性原理，第二条公设来自于从麦克斯韦理论推出的光速不变原理。爱因斯坦首先从这两条基本原理出发，从而可以推导出电动力学中坐标系的变换法则，即洛伦兹变换（这有别于洛伦兹首先从坐标变换规律出发的方法）。在洛伦兹变换的基础上，爱因斯坦很自然地在论文的动力学部分中推导出长度收缩、时间膨胀、速度的合成等新的物理概念。
在电动力学部分中，爱因斯坦描述了麦克斯韦-赫兹方程组在洛伦兹变换下的形式，并应用狭义相对论解释了多普勒频移和光行差现象，以及加速电子的动力学。其中在有关加速电子的章节中，爱因斯坦得到了运动电子的相对论动能公式。
同年11月，爱因斯坦在另一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》中阐述了狭义相对论中的质能等价关系，从此提出有别于经典能量的“静止能量”的概念。
狭义相对论建立后，爱氏着手处理引力问题。直到年他发表了论文《关于相对性原理和由此得出的结论》，这篇论文标志着他对建立一个基于狭义相对论基础的引力理论的漫长探索的开始。
爱因斯坦试图将牛顿万有引力定律加以修改得能够与狭义相对论互相融合。初步结果显示这方向可行，然而，爱因斯坦并不满意，因其中涉及到一些尚未建立的假说。
有一天，他坐在他喜好的椅子上思考问题时，忽然灵机一动，“假若一个人自由地坠落，他必不会感觉到自己的重量。＂他后来描述这是他一生最快乐的思维，其赋予他深刻的印象，激励他继续发展出合理的引力理论。
爱因斯坦在这篇论文中将弱等效原理扩展为爱因斯坦等效原理：“在足够小的时空区域中物理定律约化成狭义相对论中的形式；而且没有任何局域实验能够探测到周围引力场的存在。”既然非惯性系等价于引力场，爱因斯坦从而将狭义相对论中的相对性原理也做了推广：在狭义相对论中所有的惯性系都是平权的，物理定律形式不变；但在新的理论中，所有的参考系都是平权的，物理定律形式不会因惯性系或非惯性系而改变，这一推广的相对性原理被称作广义相对性原理。
左图为：马塞尔·格罗斯曼
虽然认识到了狭义相对论需要推广为广义相对论，并确立了两条基本原理，爱因斯坦仍然为探索这一新理论研究了八年之久（年至年）。这期间他面临的一个主要问题是缺乏有效的数学工具，直到年他在德国数学家马塞尔·格罗斯曼的帮助下发表了一篇突破性的论文：《广义相对论和引力理论纲要》，题目标注了物理部分作者为爱因斯坦，数学部分作者为格罗斯曼。这篇论文中原来单一的牛顿标量引力场被一个具有十个分量的四阶对称黎曼张量引力场替代，从此物理学中的时空不再是平直的，而成为了在全局上具有曲率但在局部平直的黎曼流形。
洛伦兹
年，爱因斯坦发表了《广义相对论正式基础》，其中他得到了广义相对论中描述粒子运动的方程：测地线方程，并籍此推导了引力场中的光线偏折和引力红移的结果（此次得出的光线偏折结果并不正确，而爱因斯坦曾于年用等效方法推导出引力红移）。
年11月，爱因斯坦发表了他最终推导出引力场方程的四篇论文，其中《用广义相对论解释水星近日点运动》证明了广义相对论能够解释自年以来困扰天文学家的水星的反常进动现象，而《引力场方程》则正式给出了描述引力场和物质相互作用的爱因斯坦引力场方程。
左图为：亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士
广义相对论创立之初还没有一个稳固的实验观测基础来证实，爱因斯坦本人提出过三种验证广义相对论的实验方法，分别为水星轨道的近日点进动、太阳引力场中的光线偏折和光波的引力红移。在当时只有第一种方法是很早就被观测到的现象：年法国天文学家勒维耶就发现水星的实际轨道进动与预期的并不十分相符，即使考虑到太阳系中其他行星的影响，实际的进动速度还是要比经典力学所预言的稍快一点（根据西蒙·纽康在年的计算，这个差值大约为每世纪43弧度秒）。在很长时间内这个原因都得不到合理的解释，经典的假说包括行星际尘埃、太阳本身未被观测到的椭球性、水星未被观测到的卫星、水内小行星的存在，甚至有人猜测牛顿的万有引力定律并非严格的平方反比律，但这些假说都没能获得成功。
年，爱因斯坦在论文《用广义相对论解释水星近日点运动》中计算了水星在太阳引力场中的轨道进动并推导出了进动的角位移公式，所得的理论数值完全符合纽康的结果。
爱丁顿于年为验证广义相对论拍摄的日全食底片
年爱因斯坦在论文《论引力对光的传播的影响》中提出光线在太阳附近经过时会因太阳引力场的作用导致传播方向发生偏折，不过直到年他才给出正确计算得出的偏折角度。
当时正值第一次世界大战期间，英国与德国之间的学术交流也由此中断。所幸的是，英国天体物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士当时在英国皇家天文学会任秘书一职，他通过来自荷兰物理学家威廉·德西特的论文和书信成为了第一个了解广义相对论的英国人。
爱丁顿在当时是为数不多的具有良好数学功底从而能理解广义相对论的天文学家，也因为他是当时为数不多的国际主义者和和平主义者，这都使得他有兴趣去了解一名德国物理学家的理论。
很快，爱丁顿成为了广义相对论在英国的主要支持者和推广者。战后，爱丁顿于年5月29日前往西非几内亚湾的普林西比岛观测日全食。日全食发生时他对太阳附近的恒星进行拍摄，由于光线在引力场中会发生偏折，拍摄到的恒星位置将会发生偏移。
爱丁顿指出牛顿理论预言的偏移量将只有爱因斯坦理论所预言偏移量的一半，他的测量结果表明是支持爱因斯坦理论的。次年爱丁顿将这一结果发表并肯定了爱因斯坦的理论，这一发现随后被全球报纸竞相报导，一时间使爱因斯坦和广义相对论名声赫赫，有报道甚至撰文称“发现了一个新宇宙”。
年美国威尔逊山天文台的沃尔特·亚当斯对天狼星的伴星天狼B谱线的观测表明，谱线的频移基本符合广义相对论所预言的引力红移值。年的庞德-雷布卡实验利用穆斯堡尔效应测定的引力红移值和理论值相差不超过5%。此后广义相对论又产生了更多的实验验证方法，但那是二十世纪六十年代以后，天体物理学和宇宙学进入了所谓广义相对论的黄金时代之后的事。
现在我们来总结一下，从亚里士多德开始，人类试图去用自然本身去解释自然。从静力学到牛顿体系的建立，中间有多少人的血泪，是显而易见的。从摩擦生热到热力学系统的建立，和所开创的一系列假想和研究方法，对下一章我们要讲的量子力学产生多大的影响，我们是无法估量的。很多看似偶然的发现，都成为新的突破点。
再从静电研究，逐步深化对电学的认识，磁学的认识，到麦克斯韦完美的将电和磁统一到他的电磁学方程中，完成了具有划时代意义的工作。使得人类对光的认识有了新的突破。
后来再由豫庞加莱，洛伦兹，爱因斯坦等人的工作，使得我们彻底跳出了牛顿时空，开启了相对时空的大门，这才是迈向宇宙的真正一步。
狭义相对论，广义相对论都是划时代意义的学说。
人类在将来能走多远，都一定要感谢上文所出现的每一个人的名字。他们才是我们宝贵的精神财富和对抗宇宙冰冷的武器。
这就是整个“宏观”物理学的发展历程，它有多美，我们看到了结果，却永远无法去想象过程了。
好在，我们依然在探索的路程上，这是值得我们兴奋和骄傲的事情。
摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》
