時(shí)間的形狀》| 汪詰解讀

《時(shí)間的形狀》| 汪詰解讀

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汪詰，“科學(xué)聲音”組織首屆輪值秘書(shū)。其代表作《時(shí)間的形狀：相對(duì)論史話(huà)》獲第八屆國(guó)家文津圖書(shū)獎(jiǎng)，另著有《星空的琴弦》《外星人防御計(jì)劃》《科幻世界漫游指南》等作品。自媒體節(jié)目《科學(xué)有故事》主播，全國(guó)各科技館、中小學(xué)人氣演講嘉賓。

關(guān)于本書(shū)

這是一本讀著像小說(shuō)一樣的科普讀物，作者按照時(shí)間順序，從伽利略、牛頓的經(jīng)典物理學(xué)理論開(kāi)始說(shuō)起，再講到光速測(cè)量，以及困擾經(jīng)典物理學(xué)界很多年的光速不變之謎。一個(gè)接一個(gè)的懸念推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展，直到愛(ài)因斯坦橫空出世，用相對(duì)論破解有關(guān)時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)和引力的謎團(tuán)，為讀者打開(kāi)一個(gè)看待世界的全新視角。

核心內(nèi)容

我們今天所知道的現(xiàn)代物理學(xué)知識(shí)并不是某一個(gè)科學(xué)家拍腦門(mén)的產(chǎn)物，而是一代又一代科學(xué)家們傳承的結(jié)果。新的物理學(xué)知識(shí)并不是完全推翻了舊有的物理學(xué)知識(shí)，而是對(duì)舊有知識(shí)在更高精度上的修正，新知識(shí)體系必須兼容舊知識(shí)體系?，F(xiàn)在，“上帝”留給我們的兩道新思考題又?jǐn)[在了人類(lèi)面前，等待著我們?nèi)テ平庀乱粋€(gè)自然規(guī)律之謎。

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前言

你好，歡迎每天聽(tīng)本書(shū)。本期音頻為你解讀的是《時(shí)間的形狀》，副標(biāo)題是“相對(duì)論史話(huà)”，這本書(shū)大約20萬(wàn)字，我會(huì)用大約23分鐘的時(shí)間給你說(shuō)說(shuō)：大名鼎鼎的相對(duì)論到底是一個(gè)怎樣的理論，愛(ài)因斯坦又是如何提出的。

說(shuō)到相對(duì)論，有些人覺(jué)得，相對(duì)論的意思就是，世界上沒(méi)什么是絕對(duì)的，都是相對(duì)的。這完全就是胡說(shuō)八道，其實(shí)愛(ài)因斯坦晚年的時(shí)候，非常不喜歡別人把這個(gè)理論叫相對(duì)論，他覺(jué)得應(yīng)該叫不變論才對(duì)。因?yàn)閻?ài)因斯坦最自豪的就是他發(fā)現(xiàn)了宇宙中的那些永恒不變的東西，比如在真空中光的傳播速度是不變的。除了這種印象之外，在大多數(shù)人的印象中，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論是一個(gè)非常高深難懂的理論。而《時(shí)間的形狀》這本書(shū)，就為每一個(gè)想了解相對(duì)論的人，提供了一條捷徑。

那到底相對(duì)論是個(gè)什么理論呢？相對(duì)論是研究時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)、引力這四者關(guān)系的理論體系的總稱(chēng)，它是這一百多年來(lái)人類(lèi)最偉大的兩個(gè)理論之一，另一個(gè)理論是量子力學(xué)。在科學(xué)史上，曾經(jīng)有一些理論沒(méi)有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，并不是這個(gè)理論的遺憾，而是諾貝爾獎(jiǎng)的巨大遺憾，相對(duì)論就是它們的代表。

本書(shū)的作者汪詰自稱(chēng)是一個(gè)從小熱愛(ài)自然科學(xué)的文科生，我們很難想象一個(gè)文科生去寫(xiě)一本講相對(duì)論的科普書(shū)，但汪潔居然憑借著這本書(shū)一舉拿下了第八屆文津圖書(shū)獎(jiǎng)，這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)被譽(yù)為中國(guó)出版界的奧斯卡獎(jiǎng)。當(dāng)年和他一起獲獎(jiǎng)的另外一本科普書(shū)，就是“得到”訂閱專(zhuān)欄《吳軍的谷歌方法論》主理人吳軍老師的《數(shù)學(xué)之美》。

好了，以上就是這本書(shū)的基本情況和作者概況，在正式開(kāi)講相對(duì)論是怎么被提出的這段歷史之前，我們還要先來(lái)學(xué)習(xí)四個(gè)很重要的概念，可以說(shuō)，這四個(gè)概念不僅對(duì)于了解相對(duì)論有幫助，對(duì)于了解所有科學(xué)理論都會(huì)有幫助，也可以加深我們對(duì)科學(xué)精神的理解。

作者汪詰有一句名言，也是他所有自媒體科普節(jié)目的總綱，這句名言是：比科學(xué)故事更重要的是科學(xué)精神。好，我們來(lái)把這四個(gè)概念的要點(diǎn)勾一下：要判斷一個(gè)理論是不是科學(xué)理論，著名的科學(xué)哲學(xué)家波普爾提出了一個(gè)被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)，那就是看它是不是具備“可證偽性”，也就是說(shuō)，是不是具備被證明是錯(cuò)誤的可能性。比如說(shuō)，天下烏鴉一般黑，想證明這句話(huà)是不是科學(xué)理論，你就得滿(mǎn)世界去抓烏鴉，如果你抓到一只白色的烏鴉，那就證明這句話(huà)是錯(cuò)的，這就是可證偽性。而且科學(xué)理論還應(yīng)該可以做出預(yù)言，比如有人說(shuō)他抓住了一只烏鴉，你都不用看就知道，烏鴉應(yīng)該是黑色的。

科學(xué)界有一個(gè)比較推崇的哲學(xué)原則，這個(gè)原則叫做“奧卡姆剃刀原理”。原文比較文縐縐，是這樣說(shuō)的：如無(wú)必要，勿增實(shí)體，想解釋一個(gè)現(xiàn)象，假設(shè)最少的解釋往往最接近真相。比如咱們都聽(tīng)過(guò)的《皇帝的新裝》這個(gè)童話(huà)，除了那個(gè)說(shuō)真話(huà)的小孩，其他人可能都做了這么幾個(gè)假設(shè)：假設(shè)皇帝穿了一件漂亮的衣服，假設(shè)只有聰明人才能看到，假設(shè)我比較蠢，所以看不到那件衣服。這是三個(gè)假設(shè)。但那個(gè)孩子呢，他的假設(shè)只有一個(gè)，就是：皇帝根本沒(méi)穿衣服，所以我看不到。這就是最接近真相的解釋。

在物理學(xué)的發(fā)展史上，有一種特殊的實(shí)驗(yàn)起到了至關(guān)重要的作用，這就是“思維實(shí)驗(yàn)”，也就是不需要任何實(shí)驗(yàn)設(shè)備，只需要在頭腦中想象一個(gè)實(shí)驗(yàn)就行。這聽(tīng)上去很違反常識(shí)，怎么只靠想就能做實(shí)驗(yàn)?zāi)?？這還真不是騙人的，相對(duì)論的最終建立，思維實(shí)驗(yàn)起到的作用可以說(shuō)是居功至偉。

在物理學(xué)中，有一個(gè)很拗口的術(shù)語(yǔ)，叫“佯謬”。什么意思呢？就是反直覺(jué)，乍一聽(tīng)肯定是錯(cuò)誤的，但是沒(méi)想到卻是正確的。在相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)了非常多的佯謬，也就是反直覺(jué)、徹底顛覆我們?nèi)^(guān)的現(xiàn)象。

好了，這四個(gè)基本概念就是本書(shū)第一章的內(nèi)容。作者說(shuō)，如果跳過(guò)不看第一章，完全不影響你看懂全書(shū)，但如果你認(rèn)真吃透了上面四個(gè)概念，會(huì)讓你站在一個(gè)更高的層次去欣賞全書(shū)。我們這就開(kāi)始跟隨作者，在波瀾壯闊的物理學(xué)發(fā)展史中跌蕩起伏。說(shuō)實(shí)話(huà)，這本書(shū)的閱讀體驗(yàn)非常像看一部美劇，一個(gè)接一個(gè)的反轉(zhuǎn)劇情讓你欲罷不能。我們接下來(lái)就通過(guò)三個(gè)反轉(zhuǎn)劇情，把它當(dāng)成一個(gè)完整的懸念故事來(lái)給你講。

第一部分

毫不夸張地說(shuō)，絕大多數(shù)人的世界觀(guān)是停留在三四百年前的伽利略和牛頓時(shí)代的，如果你不信，你聽(tīng)聽(tīng)看我下面的這些說(shuō)法是不是屬于“常識(shí)”或者說(shuō)“直覺(jué)”。

時(shí)間雖然看不見(jiàn)摸不著，難以準(zhǔn)確定義，但牛頓說(shuō)，時(shí)間是它自個(gè)兒的事，它真實(shí)存在但又與外在的一切事務(wù)都無(wú)關(guān)，它絕對(duì)地、均勻地流逝，不與任何性質(zhì)相關(guān)，任何力量都無(wú)法改變它絕對(duì)不變的頻率。這就是牛頓經(jīng)典物理中的絕對(duì)時(shí)空觀(guān)。時(shí)間對(duì)于世間萬(wàn)物都是公平的，上帝他老人家就既像一個(gè)慷慨的施主又像是一個(gè)超級(jí)吝嗇鬼，不論你是國(guó)王還是乞丐，他從不多給一點(diǎn)也不少給一點(diǎn)。在愛(ài)因斯坦成名之前，人人都認(rèn)為這個(gè)絕對(duì)時(shí)空觀(guān)是天經(jīng)地義的常識(shí)，難道還會(huì)有什么錯(cuò)嗎？

第一個(gè)反轉(zhuǎn)出現(xiàn)了，當(dāng)19世紀(jì)末，一系列的物理實(shí)驗(yàn)都得到了讓人匪夷所思的結(jié)果，物理學(xué)家們甚至懷疑自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是不是出了問(wèn)題。但是所有的實(shí)驗(yàn)被一再地重復(fù)，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果都在無(wú)情地推翻著牛頓的世界觀(guān)，整個(gè)物理界都開(kāi)始陷入了瘋狂，物理學(xué)遇到了前所未有的危機(jī)。在所有這些實(shí)驗(yàn)中，最出名的一個(gè)就是邁克耳遜—莫·雷實(shí)驗(yàn)，它被譽(yù)為“科學(xué)史上最成功的失敗”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在十九和二十世紀(jì)之交做的，也可以看作是新舊物理學(xué)的分水嶺，極具象征意義，因此，也是幾乎所有的科學(xué)史書(shū)必然要提及的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。這是怎樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?br>

邁克爾遜和莫·雷是當(dāng)時(shí)兩位著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他們是測(cè)量光速的泰山北斗。他們要做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是測(cè)量地球在繞日公轉(zhuǎn)中光速的變化。我們都知道，地球繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，如果把地球想象成一艘宇宙飛船的話(huà)，如果它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度是1的話(huà)，那么，根據(jù)伽利略的相對(duì)性原理，如果有兩束光，一束朝著地球運(yùn)行的方向射出去，另一束背對(duì)著地球運(yùn)行的方向射出去，那么這兩束光的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該相差2?？墒?，讓所有人都大跌眼鏡的是，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻是兩束光的速度竟然完全一樣，沒(méi)有任何差異。這和我們的常識(shí)可不一樣。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們想出了五花八門(mén)的解釋?zhuān)褪菦](méi)有一個(gè)人敢于真正否定原來(lái)的看法。

好，這就是故事的第一個(gè)反轉(zhuǎn)。之前人們相信的都是牛頓和伽利略的觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為時(shí)間是絕對(duì)的，不受其他因素的影響。但到了19世紀(jì)末，一系列的實(shí)驗(yàn)推翻了人們的這個(gè)看法，其中最出名的就是“邁克耳遜—莫·雷”實(shí)驗(yàn)，它被稱(chēng)為“科學(xué)史上最成功的失敗”。

當(dāng)時(shí)間走到了1905 年，這一年被后人稱(chēng)為物理學(xué)的“奇跡年”，在任何一本講相對(duì)論的書(shū)上，都一定會(huì)提到這個(gè)年份。在這一年，年僅26歲的愛(ài)因斯坦登上了歷史的舞臺(tái)，他當(dāng)時(shí)只是瑞士伯爾尼專(zhuān)利局的一位小職員，在物理學(xué)界沒(méi)有任何名號(hào)。然而就是這位年輕人，在頭腦中做了一個(gè)偉大的思維實(shí)驗(yàn)，就像閃電劃破黑夜，突然照亮了新物理學(xué)的大門(mén)。這個(gè)思維實(shí)驗(yàn)就是：假如我和光飛得一樣快，那么我會(huì)看到什么？

請(qǐng)你也在頭腦中和愛(ài)因斯坦一起來(lái)做這個(gè)思維實(shí)驗(yàn)。假如我們和光飛得一樣快，如果經(jīng)過(guò)一個(gè)手電筒，在我經(jīng)過(guò)的那個(gè)剎那，手電筒打開(kāi)，我將看到什么？這個(gè)問(wèn)題，折磨了愛(ài)因斯坦很久，如果按照人們對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)認(rèn)知，那么我將看到一束相對(duì)于我來(lái)說(shuō)是靜止的光。但是，愛(ài)因斯坦覺(jué)得這根本不可能啊。因?yàn)楣馐且环N電磁波，什么是波啊？

舉個(gè)例子，你拿著一根長(zhǎng)繩子，然后抖一下，是不是會(huì)看到在繩子上形成一個(gè)凸起的波峰一直傳遞下去？就是繩子上一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)帶動(dòng)下一個(gè)點(diǎn)跟著運(yùn)動(dòng)，于是這么傳遞下去就形成了波。光波的本質(zhì)就是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交替感應(yīng)，有點(diǎn)像無(wú)數(shù)個(gè)軍人在報(bào)數(shù)，一定是1、2、3、4這么持續(xù)報(bào)下去的，這是不可破壞的規(guī)則。愛(ài)因斯坦為什么覺(jué)得一束靜止的光不可能呢？因?yàn)檫@就好比報(bào)數(shù)到了某個(gè)軍人那不報(bào)了，這就破壞了大自然的規(guī)矩。

于是，第二個(gè)反轉(zhuǎn)劇情就出現(xiàn)了。

第二部分

愛(ài)因斯坦做了一個(gè)大膽的假設(shè)：光速相對(duì)于任何觀(guān)察者來(lái)說(shuō)都是不變的，手電筒打開(kāi)，無(wú)論你是靜止的，還是在以光速飛行，光速都是不變的。在這里，愛(ài)因斯坦就運(yùn)用了“奧卡姆剃刀原理”，其他的物理學(xué)家為了解釋邁克耳遜·莫雷實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有測(cè)出光速的變化，都不得不做了很多假設(shè)，比如儀器在光的運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)收縮，地球運(yùn)動(dòng)會(huì)拖拽光的傳播介質(zhì)等等，當(dāng)時(shí)的人們還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到光不需要傳播介質(zhì)。但是，到了愛(ài)因斯坦這里，他拿起了奧卡姆的剃刀，果斷地將這些假設(shè)全部刮去，他直接假設(shè)：光速本來(lái)就是不變的。這就是少到不能再少的假設(shè)了。

這在當(dāng)時(shí)看來(lái)，是不可思議的，沒(méi)人這么想過(guò)。但是愛(ài)因斯坦想，先不管這個(gè)假設(shè)有多荒謬，我們不妨以這個(gè)假設(shè)為前提，往前繼續(xù)推導(dǎo)，看看能不能推導(dǎo)出什么可以被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的結(jié)論出來(lái)。好，下面請(qǐng)你來(lái)跟我一起做一個(gè)非常顛覆常識(shí)的推演。注意，我們又開(kāi)始思維實(shí)驗(yàn)了。

現(xiàn)在，假設(shè)我坐在一艘接近光速運(yùn)動(dòng)的飛船上，我拿著一個(gè)手電筒，在駕駛艙中按下開(kāi)關(guān)，一束光從船頭照射了出去。你站在地面上觀(guān)察飛船和這束光?，F(xiàn)在我們來(lái)分別想一下我眼中的這束光和你眼中的這束光有什么差別。請(qǐng)記住，我們現(xiàn)在有一個(gè)基本假設(shè)，那就是光的速度相對(duì)于任何觀(guān)察者來(lái)說(shuō)都是不變的。

好，在你的眼中，因?yàn)轱w船的速度也是接近于光速的，所以，飛船會(huì)和那束光幾乎是齊頭并進(jìn)，可能過(guò)了一個(gè)小時(shí)才慢慢地拉開(kāi)了一些距離。但在我的眼中看到的卻不是這樣的景象，因?yàn)楣馑傧鄬?duì)于我來(lái)說(shuō)依然是每秒30萬(wàn)公里，所以，我看到的是，那束光在一瞬間就與我拉開(kāi)了幾十萬(wàn)公里。這不是很矛盾的一件事情嗎？到底誰(shuí)看到的是真實(shí)的景象呢？地面上的你看到我和那束光過(guò)了一個(gè)小時(shí)都沒(méi)有拉開(kāi)多少距離，而我自己卻看到一瞬間光就跑得沒(méi)影了。如果我們倆看到的都是真實(shí)的景象，那么，只有一個(gè)合理的解釋?zhuān)蔷褪?，我的一秒鐘等于你的一小時(shí)，我們倆感受到的時(shí)間是不同的。這完全顛覆了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀(guān)，牛頓不是說(shuō)，對(duì)任何人來(lái)說(shuō)時(shí)間都是一樣的嗎？但在這里完全不是這樣了啊。但是，它又確實(shí)是光速不變推導(dǎo)出的必然結(jié)論。

這就是愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的核心觀(guān)點(diǎn)，時(shí)間是相對(duì)的，沒(méi)有什么絕對(duì)的時(shí)間，它與運(yùn)動(dòng)密不可分。只要宇宙飛船運(yùn)動(dòng)得足夠快，宇宙飛船上的一年可以相當(dāng)于地球上的一百年。1905 年，也就是我們剛剛說(shuō)的物理學(xué)奇跡年，愛(ài)因斯坦寫(xiě)了一篇論文，發(fā)表了這個(gè)觀(guān)點(diǎn)，而且愛(ài)因斯坦還給出了數(shù)學(xué)公式，可以精確地計(jì)算速度和時(shí)間之間的關(guān)系。換句話(huà)說(shuō)，只要知道宇宙飛船的速度是多少，代入公式，就能計(jì)算出宇宙飛船上的時(shí)間會(huì)慢多少。這就是我一開(kāi)始提到的科學(xué)理論具備可證偽性，愛(ài)因斯坦能提出一個(gè)精確的預(yù)言，你把一只鐘放到宇宙飛船上，讓它飛一圈回來(lái)，我可以預(yù)言這只鐘慢了多少，不信可以做實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，如果預(yù)言錯(cuò)誤，那么我的理論就被證偽了，我也就不瞎想了，認(rèn)輸。

可惜，遺憾的是，在1905年，這個(gè)實(shí)驗(yàn)做不了，兩個(gè)原因，一是沒(méi)有那么精確的鐘，二是沒(méi)有足夠快的交通工具。直到60多年后，人類(lèi)發(fā)明了每600萬(wàn)年才會(huì)誤差一秒鐘的銫原子鐘，再加上我們有了能夠環(huán)球飛行的飛機(jī)，才終于用實(shí)驗(yàn)的方式證明了狹義相對(duì)論的正確。這已經(jīng)是愛(ài)因斯坦去世很多年后的事情了。

這就是相對(duì)論被發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)反轉(zhuǎn)劇情。面對(duì)顛覆認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，愛(ài)因斯坦沒(méi)有像其他科學(xué)家一樣，給實(shí)驗(yàn)找各種理由假設(shè)，而是揮起奧卡姆剃刀，刮掉了幾乎所有的假設(shè)，只剩下一條，那就是光速本身就是不變的。他不僅用思維實(shí)驗(yàn)推斷出，時(shí)間和物體的運(yùn)動(dòng)密不可分，還給出了精確的數(shù)學(xué)公式，計(jì)算速度和時(shí)間之間的關(guān)系。這就是他的狹義相對(duì)論。

第三部分

雖然我們現(xiàn)在知道，愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論是劃時(shí)代的理論，但是我們剛剛也說(shuō)了，在愛(ài)因斯坦去世的很多年后，他的理論才被實(shí)驗(yàn)證明。所以，當(dāng)狹義相對(duì)論剛誕生的時(shí)候，幾乎沒(méi)有引起什么轟動(dòng)，除了少數(shù)幾位大物理學(xué)家意識(shí)到了它的重要性之外，絕大多數(shù)物理學(xué)家都無(wú)視了愛(ài)因斯坦，一方面是因?yàn)閻?ài)因斯坦是無(wú)名小卒，另一方面是他這個(gè)理論太過(guò)于反常識(shí)。不過(guò)就在這時(shí)，第三個(gè)反轉(zhuǎn)劇情來(lái)了，在所有的反對(duì)聲中，也有以理服人的，在狹義相對(duì)論發(fā)表后的沒(méi)多久，就有人提出了一個(gè)絕妙的思維實(shí)驗(yàn)，讓愛(ài)因斯坦也大為頭疼。

這個(gè)思維實(shí)驗(yàn)是這樣的，假如一對(duì)雙胞胎兄弟分別坐在兩艘宇宙飛船上，一個(gè)朝左飛，一個(gè)朝右飛，于是，在弟弟的眼里，哥哥以飛快的速度遠(yuǎn)離他而去，那么根據(jù)狹義相對(duì)論，哥哥的時(shí)間應(yīng)該比弟弟慢。可是，同樣的情況也發(fā)生在哥哥的眼里，在哥哥看來(lái)，是弟弟在以飛快的速度遠(yuǎn)離而去，也根據(jù)狹義相對(duì)論，豈不是應(yīng)該弟弟的時(shí)間比哥哥的慢。那么，這就產(chǎn)生矛盾了，到底誰(shuí)會(huì)變得更年輕呢？這就是著名的“雙胞胎佯謬”。

還記得我們之前提過(guò)的佯謬嗎？就是你乍一聽(tīng)肯定是錯(cuò)誤的，但是沒(méi)想到卻是正確的理論。這是很犀利的一個(gè)問(wèn)題，它把反常識(shí)推向了極致。誰(shuí)老誰(shuí)年輕總應(yīng)該是絕對(duì)的吧？難道這也可以相對(duì)？

答案可能會(huì)讓你大吃一驚，的確反常識(shí)，但它確實(shí)是真實(shí)存在的現(xiàn)象。無(wú)論在哥哥的眼里還是在弟弟的眼里，他們的時(shí)間真的都比對(duì)方過(guò)得慢。書(shū)里給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過(guò)程，我們這里不展開(kāi)講了。

對(duì)于雙胞胎問(wèn)題的思考，最終讓愛(ài)因斯坦打開(kāi)了廣義相對(duì)論的大門(mén)。相對(duì)論為什么要分成狹義和廣義呢？其實(shí)，狹義相對(duì)論是英文 Special Relativity 也就是特殊相對(duì)論，而廣義相對(duì)論則是 General Relativity 也就是普遍相對(duì)論。狹義相對(duì)論特殊在什么地方呢？有兩個(gè)地方，一個(gè)是狹義相對(duì)論公式所能處理的運(yùn)動(dòng)全都是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這在物理術(shù)語(yǔ)中被稱(chēng)為“慣性系”。第二個(gè)是，狹義相對(duì)論沒(méi)有把萬(wàn)有引力，這個(gè)宇宙中普遍存在的研究對(duì)象納入到理論中。

經(jīng)過(guò)了十年的漫長(zhǎng)努力，愛(ài)因斯坦終于丟掉了慣性系，搞定了引力，把特殊相對(duì)論升級(jí)為了普遍相對(duì)論，從此，相對(duì)論就可以適用于一切時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)和引力這四者的相互關(guān)系。更加神奇的是，它幾乎是愛(ài)因斯坦一個(gè)人潛心修煉的成果，如果沒(méi)有愛(ài)因斯坦，我們可能今天還在等待這個(gè)理論。在一本美國(guó)人寫(xiě)的科學(xué)史書(shū)中，廣義相對(duì)論被評(píng)價(jià)為“這無(wú)疑是人類(lèi)歷史上最高的智力成就”，它也被眾多物理學(xué)家稱(chēng)為“世界上最美的理論”。

為什么美？因?yàn)橄鄬?duì)論是公理演繹思想的極致體現(xiàn)，它從三個(gè)最基本的公理出發(fā)，也就是三個(gè)無(wú)法證明，但又找不到任何反例的假設(shè)出發(fā)，一步一步，就像證明幾何題一樣推導(dǎo)出了整個(gè)理論大廈，令人嘆為觀(guān)止。這三條基本公理是： 第一，對(duì)于任何參考系，真空中光速保持不變；第二，對(duì)于任何參考系，普遍的物理規(guī)律保持不變；第三，引力和加速度局域等效。這三條公理你不理解沒(méi)關(guān)系，我們來(lái)看看愛(ài)因斯坦根據(jù)它們推演出了什么。愛(ài)因斯坦告訴我們，只要以上三條公理是正確的，那么下面這些推論也就一定是正確的。

這些推論有：時(shí)間是相對(duì)的；質(zhì)量是相對(duì)的；質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)換的，這就是著名的質(zhì)能公式 E=mc2 。這些推論，我估計(jì)你聽(tīng)到就能聯(lián)想到相對(duì)論。但是，還有一些推論，你聽(tīng)著會(huì)非常熟悉，但是你可能沒(méi)想到，它們也是從那三條最基本的公理出發(fā)推導(dǎo)出來(lái)的。比如黑洞。熟悉吧？用相對(duì)論的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，黑洞就是因?yàn)闀r(shí)間和空間都是有形狀的，它們會(huì)被引力彎曲，甚至打結(jié)，黑洞就是時(shí)間和空間的一個(gè)死結(jié)。再比如，宇宙大爆炸也是相對(duì)論的產(chǎn)物，他不是科學(xué)家們的憑空想象，而是用相對(duì)論的方程式計(jì)算出來(lái)的。還有一個(gè)這兩年被刷屏最多的科學(xué)名詞——引力波，它也是從上面三條公理推導(dǎo)出來(lái)的，從本質(zhì)上說(shuō)，引力波就是時(shí)空的漣漪，新聞報(bào)道上說(shuō)，雙黑洞并合產(chǎn)生了引力波，這個(gè)雙黑洞并合就好像在水中扔下一顆石子，引力波就是水中泛起的陣陣漣漪。愛(ài)因斯坦在1916年作出的引力波預(yù)言，終于在100年后的2016年被證實(shí)，這又是一次相對(duì)論的偉大勝利。

相對(duì)論還有很多有待證實(shí)的推論，比如，在宇宙中可能存在“蟲(chóng)洞”，它可以讓我們跨越時(shí)空，就像電影《星際穿越》中描述的那樣，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的星際旅行。什么是蟲(chóng)洞呢？根據(jù)相對(duì)論的觀(guān)點(diǎn)，時(shí)空是可以被彎曲折疊的，原本兩個(gè)相距十分遙遠(yuǎn)的點(diǎn)一折疊就靠近了，就好像從上海到紐約，不是從地球表面飛過(guò)去，而是在地球上打一個(gè)洞，穿過(guò)去，這就大大縮短了路程。毫不夸張地說(shuō)，我們?cè)谔沼钪骖}材的科幻電影中，那些令人腦洞大開(kāi)的奇思妙想，大多數(shù)都是相對(duì)論的推論。

好了，這就是第三個(gè)反轉(zhuǎn)劇情，在這個(gè)劇情里，因?yàn)榉磳?duì)相對(duì)論者提出的雙胞胎思維實(shí)驗(yàn)，愛(ài)因斯坦終于提出了廣義相對(duì)論。這個(gè)理論從三個(gè)基本公理出發(fā)，推導(dǎo)出了整個(gè)理論大廈。在這個(gè)理論大廈里，很多愛(ài)因斯坦的預(yù)言都被找到了證據(jù)，也許未來(lái)，還會(huì)有更多的推論被驗(yàn)證。

總之，如果要把相對(duì)論總結(jié)成最抽象的一句話(huà)，那么就可以這樣來(lái)理解：愛(ài)因斯坦的研究告訴我們，我們身處的這個(gè)宇宙，它的時(shí)空結(jié)構(gòu)符合一個(gè)方程式，這個(gè)方程式就是著名的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程，它是迄今為止人類(lèi)找到的最深刻的一個(gè)方程式。我附在了本期節(jié)目的文稿中，你可以點(diǎn)開(kāi)看一看：

愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程

總結(jié)

好，以上這些是本書(shū)的精華內(nèi)容，我們通過(guò)三個(gè)反轉(zhuǎn)劇情，把愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論的故事說(shuō)完了。不過(guò)在最后，我們根據(jù)音頻一開(kāi)始提出的四個(gè)概念，再為你重新梳理一下知識(shí)點(diǎn)。

第一，所有的科學(xué)理論都需要具備可證偽性，具有可證偽性的理論才算是科學(xué)理論。任何科學(xué)理論都要能在適用領(lǐng)域中準(zhǔn)確預(yù)言，而且這個(gè)預(yù)言還是可以被檢驗(yàn)的。愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論也不例外。為什么說(shuō)相對(duì)論是科學(xué)理論呢？因?yàn)闊o(wú)論狹義還是廣義相對(duì)論，愛(ài)因斯坦都給出了精確的公式，公式所作出的預(yù)言，比如黑洞、宇宙大爆炸、引力波，都被事后的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、天文觀(guān)測(cè)證實(shí)，這就是可證偽性。

第二，在科學(xué)思維中，有一個(gè)重要的思想叫奧卡姆剃刀原理，如無(wú)必要，勿增實(shí)體，也就是我們要盡可能地減少假設(shè)前提。當(dāng)年，面對(duì)顛覆認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其他科學(xué)家都在不停給實(shí)驗(yàn)找各種理由假設(shè)，而愛(ài)因斯坦卻揮起奧卡姆剃刀，刮掉了幾乎所有的假設(shè)，只剩下一條，那就是光速本身就是不變的。間接地幫助他提出了狹義相對(duì)論。

第三，在物理學(xué)的發(fā)展史上，有一種只在頭腦中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)起到了至關(guān)重要的作用，這就是思維實(shí)驗(yàn)。相對(duì)論的最終建立，思維實(shí)驗(yàn)起到的作用可以說(shuō)是居功至偉。他想象自己如果和光速一樣快會(huì)發(fā)生什么，也想象過(guò)宇宙飛船上的雙胞胎誰(shuí)更年輕，想象這些在現(xiàn)實(shí)條件下完不成的實(shí)驗(yàn)，幫助他看破了宇宙背后的邏輯。

第四，在物理學(xué)中，有一個(gè)術(shù)語(yǔ)叫佯謬，就是乍一聽(tīng)肯定是錯(cuò)誤的，但是沒(méi)想到卻是正確的理論。在相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)了非常多的佯謬，比如說(shuō)雙胞胎佯謬：一對(duì)雙胞胎兄弟分別坐在兩艘宇宙飛船上，一個(gè)朝左飛，一個(gè)朝右飛，那按照狹義相對(duì)論，在兩個(gè)人眼里都是比對(duì)方年輕的。

撰稿：汪詰

腦圖：摩西

轉(zhuǎn)述：江寧

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