第161夜 相对论（1 / 2）

20世纪的物理学彻底改造了牛顿的世界图景。这些新的改变是今天众多新技术的基础。

我们对世界理解的深化基于两个理论：广义相对论与量子力学。这二者都要求我们大胆地重新审视关于世界的传统观念：相对论中的时间与空间；量子理论中的物质与能量。

在本书的这一部分，我会详细讲述这两种理论，尝试阐明它们的核心意义，凸显它们带来的概念革命。20世纪物理学的奇妙由此展开。深入研究与理解这些内容是一次迷人的冒险。

这两个理论——相对论与量子力学——为我们今天建立量子引力理论奠定了基础，也是我们继续前行的基石。

爱因斯坦还是个小男孩时，麦克斯韦方程组才出现几十年，但意大利已经进入了工业革命，他父亲制造的涡轮机与变压器就是以这些方程为基础的。

阿尔伯特是个反抗权威的人。他的父母把他留在德国读高中，但他觉得德国的教育体系太过死板，又充满军国主义。他无法忍受学校的权威，于是放弃了学业。

他随父母去了意大利的帕维亚（Pavia），游手好闲了一段时间。之后他去了瑞士学习，最初却未能如愿进入苏黎世理工学院。大学毕业后他没能找到一个研究员的职位，但为了和心爱的姑娘在一起，他在伯尔尼的专利局找了份工作。

这份工作并不需要一位物理系的研究生，但它给了阿尔伯特充裕的思考与独立工作的时间，毕竟这是他自年幼起就在做的事：他会阅读欧几里得的《几何原本》、康德的《纯粹理性批判》，而非学校里教的那些东西。

跟随别人的脚步无法到达新的地方。二十五岁时，爱因斯坦给《物理学年鉴》投了三篇文章，每一篇都足以让他获得诺贝尔奖，每一篇都是帮助我们理解世界的支柱。

我之前谈到过第一篇文章，年轻的阿尔伯特在这篇文章中计算了原子的大小，并且在二十三个世纪后证明了德谟克利特的观点是正确的：物质即微粒。

第二篇文章是爱因斯坦最负盛名的——他介绍了相对论——本章就会专门介绍相对论。实际上，有两种相对论。爱因斯坦投递的信封中装的是阐述第一种相对论的论文：现在称之为“狭义相对论”。

在介绍爱因斯坦最重要的理论——广义相对论之前，我要先介绍狭义相对论，因为它阐明了时间和空间的结构。

狭义相对论非常精妙，从概念上很难理解，比广义相对论理解起来还要难。读者朋友们，如果后面几页读起来感觉很深奥难懂，请不要泄气。

这个理论第一次揭示了牛顿的世界观并不只是遗漏了什么东西，而是需要被彻底改造——以一种完全有悖于常识的方式。这是第一次真正的飞跃，修正了我们关于世界最本能的认知。延展的现在牛顿与麦克斯韦的理论看起来以一种微妙的方式相互矛盾。

麦克斯韦方程组给定了一个速度：光速。但牛顿力学与存在恒定速度不相容，因为牛顿方程里包含的是加速度，而非速度。在牛顿物理学中，速度只能是一个物体相对于另一物体而言的。伽利略强调说，地球相对于太阳是在运动的，即便我们感知不到这个运动，因为我们通常所说的“速度”是物体“相对于地球”的速度。

我们说速度是个相对性的概念，意思是说，谈论一个物体本身的速度是没有意义的，唯一存在的速度是一个物体相对于另一物体的速度。这就是19世纪和今天的学生学到的物理学。但若果真如此，麦克斯韦方程组里给定的光速是相对于哪个物体而言的呢？

一种可能是，存在一种统一的实体，光速是光相对于这种实体的速度。但麦克斯韦的理论预言似乎与这种实体没有任何关系。20世纪末，试图测量地球相对于这种假想实体的速度的实验都宣告失败。爱因斯坦曾说，任何实验都没有真正对他有所帮助，只有通过思考麦克斯韦方程组与牛顿力学之间的显著矛盾，他才找到了正确的方向。

他问自己，能否找到一种方式，让牛顿和伽利略的核心发现与麦克斯韦的理论相一致。爱因斯坦由此达到了一个惊人的发现。为了理解他的发现，请将所有过去、现在与未来的事件（相对于你正在阅读的这一时刻），想象为三个切片。爱因斯坦的发现是说，三个直线切片分隔是错误的。

实际上，在一个事件的过去与未来之间（例如，你正在阅读的此时此刻与你的过去与未来之间），存在一个“中间区域”，一个“延展的现在”，一个既非过去亦非未来的区域。这就是狭义相对论的发现。

对每个观察者而言，“延展的现在”都是过去与未来的中间区域。这个既不在过去也不在未来的中间区域时间非常短（由你们之间光速传播时间决定），取决于相对你而言事件发生的位置。

事件离你的距离越远，延展的现在持续的时间就越长。在离你鼻子几米远的地方，于你而言既非过去也非未来的中间区域持续的时间只有几纳秒，约等于零（几纳秒之于一秒相当于几秒之于三十年）。这比我们能够觉察到的时间要短得多。

在大海的另一端，这个中间区域的持续时间是千分之一秒，仍然远低于我们可以感知到的时间的临界值——我们通过感官能感知的最短时间大约是十分之一秒。

但到了月亮上，延展的现在的持续时间会达到几秒钟，到了火星会有一刻钟。这表明我们可以说，在此刻的火星上，有已经发生的事件和尚未发生的事件，也有那么一刻钟的时间，这段时间的事情既不发生在过去也不发生在未来。

这些事件在他处。我们从未意识到这个他处，因为在我们周围这个他处太短暂了，我们无法察觉到它，但它真实存在。这就是在地球和火星之间无法进行流畅通话的原因。比如我在火星而你在地球，我问了你一个问题，你一听到就立刻回话，但你的回复要在我提出问题一刻钟后才传到我这儿。这一刻钟的时间相对于你回答我的时刻而言既不在过去也不在未来。爱因斯坦领悟到的关于自然的重要事实就是，这一刻钟是无法避免的：我们无法把它消除。它被编织在时空事件的纹理中。我们无法缩短它，就如我们无法给过去寄一封信一样。这很奇怪，但世界就是这个样子。