2020 最后一天了！
昨晚 7 点，我们搞了件大事！
由中国科学院科学传播局、中国科学院物理研究所与长三角物理研究中心（中国溧阳）联合主办，中国科学报社、中国科学院大学协办的2021“新年悟理”跨年科学演讲在北京举行，中科院物理所曹则贤研究员现场开讲《什么是相对论》，北京广播电视台著名节目主持人春妮受邀担任现场主持。
出于疫情防控考虑，本次跨年演讲严格控制现场观众数量，以线上直播为主的形式开展，共有数百万人次通过直播方式收看了这次演讲。同步直播的媒体包括：
我们用这种硬核又不失有趣的方式告别特殊的2020年，迎接一个更美好的2021！
昨晚直播结束很多小伙伴表示很喜欢这次“新年悟理”2021跨年科学演讲的内容，所以课代表连夜给大家整理了全文，错过昨晚直播的小伙伴们今天可千万不要再错过了，点击下方卡片即可观看跨年演讲全部内容（视频后还附有文字稿哦）。
本稿由小编整理自现场演讲。
尊敬的各位来宾，远方屏幕前各位亲爱的朋友们大家晚上好，这里是中国科学院物理研究所，我是物理所的职工曹则贤，感谢大家参加今年的跨年演讲。
今年是非常艰难的一年，但是我们国家还是欣欣向荣，在这样一片祥和的气氛中迎接新年。有这样不幸中的万幸，我觉得除了因为我们有坚强的领导和伟大而又自律的人民，还因为我们的国家热爱科学、相信科学、崇尚科学，并且以极大的热情拥抱科技的进步。
人类社会经历过三次工业革命，每一次工业革命都是源自物理学的革命性进展，并带来物理学的革命进展。中国错过了三次工业革命，但是我们现在已经初步完成了工业化进程，并且率先呼应工业 4.0 时代的到来。在 2020 年
我们北斗系统全面建成，并且已经能够向全世界免费提供服务；
我们的奋斗者号，深潜器下潜深度是 10909 米；
我们的嫦娥五号，从月球带回来了 1731 克的月壤样品。
这一切都是了不起的技术进步，都是让我们为之非常自豪的进步。中华民族是一个伟大勇敢的民族，她也一直是一个追求智慧的民族。我们不仅要为这个世界提供产品和技术，我们还要有能力为技术提供科学、为科学提供思想、为思想提供能够深入思考的大脑。而这一切，都要求我们早日把我们的国家建设成一个具有深厚科学素养的国家。
我们都有受教育的权利，我们还有受最深刻教育的愿望，有掌握最顶尖科学知识的愿望。21世纪是技术超越了神话的时代，我个人觉得物理学应该成为我们每一个人的知识标配。
谈到物理学，大家可能都知道物理学有两座高山，就是我们称之为近代物理两大支柱的学问，一个是量子力学，一个是相对论。去年此刻也是在这儿，我们一起领略了量子力学的神奇和费解，今天我邀请大家一起，以轻松愉快的心情来领略一下相对论的厚重与深邃。
#“一切都是相对的”
提起相对论，大家可能都会想到这样的场景——孪生子佯谬、还有《星际穿越》和《回到未来》这样的电影，以及“一切都是相对的”这样的哲学梦呓。这样的知识其实不足以构成我们对相对论的理解。所以在 1923 年，有一位 21 岁的英国青年叫狄拉克，就对课堂上教相对论只会教“一切都是相对的”这么一句空话感到非常恼火。他决定自己开始学习和研究相对论，当然同时也伴随着研究量子力学。到了 1926 年，三年以后的他已经为量子力学的创立做出了伟大的贡献。而 5 年以后，仅仅到了 1928 年他就写出了这样一个方程，
这个方程就是相对论性量子力学方程，现在我们管它叫狄拉克方程。
这个方程后来写到了狄拉克的墓碑上，也是我们人类物理学史上浓重的一笔。狄拉克方程可以用存在反粒子予以诠释 (不是显然地预言反粒子的存在！)。这个方程提出以后的 4 年，1932 年，正电子就在宇宙射线和原子和相互作用的过程中被发现了。
狄拉克的这个例子给我们什么启示呢？我个人觉得就是面对学问怀有敬畏心才是正确的打开方式，要学你就当真学，要学你就学个底儿掉。
我在跨年科学演讲上讲量子力学和相对论，很多同事跟我说，要努力地把它讲得浅显易懂。我说不对，我不做这个事情，我想做的事情就是要告诉大家，就我能够读到的内容，量子力学到底是什么样子的，相对论到底是什么样子的。我觉得我们应该作为一个老师，作为一个够岁数的长辈，我们有义务给年轻人，给民众讲清楚量子力学和相对论——当然还包括经典力学，电动力学，规范场论等等这样一些学问，到底是什么样子的。这是我们的义务，也是我们科学院对社会的一份责任。
所以说本次讲座我讲的内容可能是走马观花，但这套 PPT 尽可能包含了多而全面的内容，也包含那些经典的文献，希望一些年轻的老师，读大学的，读研究生的朋友们，未来拿到这份 PPT 的时候，大家能够认真学习一下。
#相对论是什么样的学问？
相对论到底是什么学问？历史上能和它媲美的有两个其他学问，一个是热力学，还有一个是规范场论，这三门学问都是从原理出发，一点点构造的学问。相对性原理是相对论的核心，是我们构造物理理论必须满足的要求（postulate）。我们在汉语里把它翻译成公理，这是错误的，实际上它是要求，你构造的原理就要满足它的要求。相对论的发展是一个长达 300 年的过程，在 1915 年底过新年的时候，在爱因斯坦得出引力场方程的时候达到了顶峰。它是物理现实的内在和谐与数学表达的形式美学之间的相互激励的结果。这里有一个关键词——变换不变性，这是相对论的核心思想。接下来我们就一起看看相对论从当初最朴素的思想，经过狭义相对论、广义相对论这样一条思想河流上，到底有着多么迷人的画卷。
物理学主角就三个东西，时间、空间、物质，当然最后都是落到物质上。物质本身的存在让我们有位置或者有空间的感觉，而位置的变化就是运动，让我们有时间的感觉。如何理解时间、空间以及物质之间的关系，就构成了我们物理学这样一个主要的基石。大家知道时间和空间是靠光(速)联系的。对于物质来说，
物质有一个叫做电荷的标签，也是顺着那个方向，人们发展出了电磁学、电动力学和光学；
物质还有另外一个标签是质量，顺着质量就有一个引力的问题。
当然还有其他的一些标签，像同位旋等等，就会引起规范场论的出现，这里不细讲了。
关于物理学到底学到什么地方算深邃了呢？我临时抱佛脚，引用杨振宁先生的一句话。
20 世纪物理学真正的辉煌之处在于对一些重要的基本概念，包括时间、空间、运动、能量以及力的深入理解。
这是杨先生的观点。由此我们可以看出世界上那些最伟大的物理学家，他的学问一定体现在对时间和空间概念上的理解。
我举几个例子，在业余时间里参与了量子力学和相对论的创造，并且自己创造了规范场论的这样一个大数学家赫尔曼·外尔（Hermann Weyl），他的《空间、时间和物质》（Raum-Zeit-Materie）这本书，就是一遍一遍地重印，一遍一遍影响着顶级的物理学家。
埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger），就是那位“著名的养猫专业户”，他著有《时空结构》（Space-time structure）。而今年获得诺贝尔奖著名数学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose），他的这本书《旋量与时空》（Spinors and Space-time），也是非常著名的一本著作。学到去理解时间和空间的关系是一个物理学家要达到的基本高度。
谈论时间和空间，我们是怎么认为的？我们认为世界是三维的，还有一维的时间。这是一般物理学教科书的写法，等到进入狭义相对论的时候，我们会把这个 前面再加上光速 ，因为 和空间是同一个量纲了，这是狭义相对论时间和空间缝到一起了，这就叫时空。正确的描述还需要在这个地方应该加一个虚数，也就是 ——空间加上时间构成的一个数，有四个单元的数，就叫双四元数。一般相对论的书里那些概念为什么搅缠不清呢？就是用的数学不对，或者用的数学不足以反映时空的关系。所以要想真正学会相对论，要多学一些代数和几何的知识。
时空有哪些特征？首先要知道有度规，也就是空间里面距离是怎么量的。另外知道空间的近邻关系，才知道里面怎么输运、怎么做微分。
相对论的内容我们就有这么几个部分，我们先聊聊
朴素相对论（Primitive relativity）
伽利略相对论（Galilean relativity）
狭义相对论（Special relativity，也称 restricted relativity）
非常狭义相对论（Very special relativity）
广义相对论（General relativity, 也称 generalized relativity）
一般书里能提到的相对论就是狭义相对论和广义相对论的一丁点皮毛，包括后续相对论的发展，还有整体相对论，我还会再聊几句都是非常崇敬的爱因斯坦的轶事和其他成就。
#朴素相对论
谈谈朴素相对论，朴素相对论说的是什么呢？大家看一个景象，这是我们大家都非常熟悉的景象，晴天的时候月亮会从东边缓缓升起。可是在人类几千年的文明史里，没有哪部文学作品会给你描述地球如何升起的景象，直到有一天我们的人类自己能够进入太空的时候才想到这样的景象，地球出来了，这个蓝色的球非常漂亮，这说明什么？这说明这个景象始终是从我们脚底下能看到的景象，我们从来没想到如果把我们的观点（point of view），也就是你看问题的出发点挪到别的地方的时候，你是可以看到其他景象的，但是我们没有这种自觉。所以养成换个观点去看世界的习惯很难，这也是为什么大家经常吵架的原因，我们总是从自己的观点看问题，而不是从别人的观点看问题，虽然很难，但如果养成了这种习惯其实非常有用。
