相对论并不难懂

《时间的形状》作者:汪洁

今天要讲的这本书是《时间的形状》，它的副标题是：相对论史话。

到底什么相对论？时间又怎么会有形状呢？很多人连中学物理都学得头疼，更不要说相对论了。

那这样看来，要学习相对论，看懂时间，简直是痴人说梦。但事实真的是这样吗？

我们不妨举一个刘慈欣的小说《三体》中的例子：小说中的三体，是一个技术和能力远远超过人类的文明，想要对人类实施侵略。

但其实，这个故事里还有更高级的文明，叫作四维文明。四维比我们生活的三维多了一个维度，那就是时间。

文明对时间的掌控能力，构成了这个文明的实力。

这其中一个重要标尺，就是时间的单位大小：人类的时间单位是小时、日、月、年等；而高级文明的时间单位可以达到万年。

对于四维文明来说，时间是相对“膨胀”的，而对人类来说，时间是相对“压缩”的。这些文明所说的“一小会儿”，对于我们人类来说，就是几千年。这样的文明，自然要远远强于人类。

这也是我们生活中说的“降维打击”，高维度打击低维度，低维度是无法抵挡的，甚至是感知不到。

有意思的是，在很多故事里，“时间”这个概念，都是作为一个特别的维度，来展示超凡实力的。

比如说，在我们比较熟悉的《西游记》里，人类成了仙人，到了仙界，那是“天上一天，地上一年”，所以仙人们动不动就是“千年修为”，实力非同小可。

我们换算一下，天上修炼一千年，也就相当于人间上亿年，这实力能不强大吗？

你或许会有疑惑：我们人类所感知的时间尺度不是一样的吗？难道时间真的可以改变吗？实际上，时间不仅可以改变，还可以像我们刚才说的一样，进行膨胀和压缩。

在某些特殊的情况下，人类对时间的感知都会改变。

要是我们跳出物理教科书上复杂的公式和习题，就会发现，真正的物理世界其实并没有那么难，它就是我们每天生活要面对的一切。而物理的难点，主要在于探究和实验的过程很曲折。

只要我们略过学生时代的考试思维，以审视和反思的眼光去看物理，你会发现：物理学的历史不亚于任何一部战争史，物理的想象力不低于任何一部科幻小说，物理的作用不小于任何一个学科。

那么，时间到底是什么呢？我们能穿越过去、跨越未来吗？

今天的这本书《时间的形状》，将用浅显易懂的语言和科学的态度，来回答这些看似“无解”的问题。

这本书的作者是著名的科普作家汪洁，他同时还兼任中科院“天之文系列科普讲坛” 讲者，也是上海天文博物馆首席志愿者讲解员。他写的科普作品深入浅出，以简单生动的形式，讲明了许多复杂理论和现象，他的课程曾经在网络上达到千万的播放量，可以说是科普界的“大牛”。

这本《时间的形状》是汪洁的成名作，曾获得第八届文津奖图书。在书中，他以“写小说”的形式，描绘了相对论的发展过程。

这部“相对论”的成长史，既不困难，也不晦涩，反倒充满了尘世间的“爱恨情仇”，飘散着烟火味，让人读起来倍感舒适。

故事要从400多年前，一个最“不务正业”，却又最伟大的炼金术士开始讲起。这个人，就是牛顿。

我们都知道，牛顿是历史上最伟大的物理学家，但研究物理，只能算是他的“业余爱好”，他的本职工作，是一个炼金术士。只不过他在炼金术上的成就，却是寥寥无几，根本没法和他在物理学上的成就相媲美，所以我们才说，他是最“不务正业”，却又最伟大的炼金术士。

即便牛顿在炼金术上毫无作为，但他一生炼金的时间，加在一起超过了其他所有研究的总和，他还写出了超过50万字的著述。他最大的梦想，就是要攻克炼金术的最大难题——“点石成金”。

不过，稍微学过化学的人都知道，炼金术士想要“点石成金”，根本就不可能。所以，牛顿作为炼金术士的追求，简直就是缘木求鱼。

不过，即便牛顿如此执迷不悟，我们也依然无法去否认他的伟大。因为，他用“不务正业”的时间，在物理学提出了著名的牛顿运动三定律；在天文学发现了万有引力定律；在数学方面创立了微积分；还在光学方面发现了色散现象、牛顿环现象。

这其中最有名，也让很多学生头疼的，就是以牛顿运动定律为基础的经典物理学了，这也是近现代物理学的基础。

当然，我们今天并不打算和大家吐槽学生时代的经典物理到底有多难。只是要从其中一个简单的知识开始说起，那就是参考系。

你应该记得，参考系也叫参照物。研究物体运动时所选定的参照物体，或彼此不作相对运动的物体。

比如有两个人，小明和小红。他们两个人背靠着背，分别以5米每秒的速度往前行走。以地面为参考系，他们的速度是5米每秒；但如果小红以小明为参考系，那么在小红看来，她自己往前行走的速度，就是10米每秒。

所以一般来说，当我们以一个事物为参考系时，才能考察其他事物的运动情况。比如刚才那个话题，我说5米每秒，实际上就暗含了：以地面为参考系。

但我们也知道，地面是绝对静止的吗？并不是，因为地球在自转，地球还围着太阳在公转。毛主席的诗词说：坐地日行八万里，说的就是这个道理。

即便坐着不动，我们也随着地球走了很远。所以我们会说：运动是绝对的，静止是相对的。

那么我们不妨来思考一个问题：在我们的宇宙中，有绝对静止的物体吗？或者说，有一个完全静止的参考系吗？

从刚才的话题来看，你肯定会说：这个当然没有了。毕竟都说了运动是绝对的，静止是相对的，怎么会有一个静止的参考系呢？

但是，牛顿可不是这么想，他提出一个观点：“在宇宙中，是有一个绝对的参考系的，那就是宇宙本身。”我们人的确在随地球转动，地球也在围绕太阳转动，可是不管怎么动，我们都在宇宙之间，而不会动到宇宙之外去。

打个比方来说，宇宙就像个大水桶，地球就是水里的鸡蛋，人类像趴在鸡蛋上的蚂蚁，不管蚂蚁怎么动，这水桶总是静止不动的。

所以牛顿这个观点，被称为是“绝对时空观”。简单来说，就是将整个宇宙作为一个整体，其中的时间也好、空间也好，都有一个明确的参考系。宇宙中其他物质的运动都是相对的，但宇宙这个大参考系是不会变，是静止的、绝对的。

这么一看，牛顿的经典力学的确很完备，用一个大参考系，将宇宙间所有的星球也好，星系也好，都统合进来了。

所以在那个时代，物理学家是很开心的，因为他们基本探明了宇宙的组成规律，以致于一个名叫开尔文的物理学家，在一次大会上声明：物理学的大厦已经落成，剩下的都是一些修修补补的工作。

当时一些天才学生想学物理，老师都要苦口婆心地“劝退”：物理已经研究得差不多啦，你们还是学点有挑战性的吧，比如数学、化学什么的……

可这世间的事，往往就是那么神奇。当你觉得一切尘埃落定，往往又会再起波澜。而这次的变故，来自一次实验，叫作“麦克尔逊—莫雷实验”，以两个设计该实验的科学家命名。

这个实验，证明了一个让物理学界无比震惊的事实，那就是“光速是不变的”。

我们都知道自然界中许多东西的速度是可变的，比如声音，在真空中约每秒340米，但如果在固体中，声音传播的速度会更快。

可光不一样，它的速度，就是不变的，它甚至可以超越我们刚才说的参考系。比如让小明和一束光相背而行。如果以小明为参考系，那么光的速度就应该是光速加上小明的速度。

但人们经过试验发现，光的速度还是每秒30万千米，不管我们怎样变换参考系，它的速度就是不变。

“光速不变”的发现，意味着以牛顿力学为基础的经典物理学，出现了一丝漏洞。

因为，按照牛顿的理论，宇宙是一个静止参考系，其他物体处于绝对运动，现实状态都在发生变化。而光的存在就很神奇，不管你怎样变换参考系，其速度居然完全不变，这显然说明：经典物理学不完全成立，这是物理学大厦的一个“硬伤”。所以在前面那位科学家，开尔文的演讲中，他也说到：物理学大厦上还有两朵“乌云”，这个实验就是其中一个。

可当时的谁会想到，这两朵乌云居然分别成为了，两个颠覆经典物理学的基础理论呢？顺便说一下，另一朵“乌云”叫作黑体辐射实验，是量子力学的发端。

总之，当时的物理学家们各出奇招，从各种方向解释“光速不变”的现象。有人说，宇宙中有一个人们观测不到的物质，叫作以太，在暗处影响光速的传播；也有人说，光的速度是受光源的影响，但不管怎么解释，这些学说无一例外地都失败了。

那到底应该怎么解释这一现象呢？物理学家们在此陷入了沉默。

这时候就轮到我们的主角，爱因斯坦登场了。那时的爱因斯坦，还不是顶着一头乱蓬蓬的头发、满脸褶皱的糟老头子；而是个26岁的英俊小伙，在德国的伯尔尼专利局，做了一个最初级的三级专利员。

他一开始搞物理研究，也没冲着“麦克尔逊—莫雷实验”这种历史难题而去。而是因为一个很简单的问题，那就是对时间。

过去只有马车的时候，从一个城市到另外一个，人们只需要把自己的钟表，根据当地的时刻稍微一调，没人会遇到什么麻烦。

但当时正值工业革命，火车出现了，逐渐发展到世界各地。可火车的速度很快，如果两个城市的时间不统一，在同一铁轨运转的多辆火车就很难协调了，说不定还会撞在一起，所以对时，就成为了一个刚需。

当时一个流行的做法，就是利用无线电远距离进行对时。于是很多这方面的发明专利，涌向了伯尔尼专利局，爱因斯坦正好是物理专业毕业，所以这类发明往往都会交给他审查。

在这方面，爱因斯坦很敬业，为了提高自己的业务水平，他顺带着开始研究电磁波、光速、时间这方面的问题。

但是当时已经26岁的爱因斯坦还是遇到了一些麻烦，因为他申请二级专利员的申请书被驳回，理由是：专业能力不够。

专业能力不够要怎么办呢？那就只能继续努力研究，争取搞一点成果出来，这样也好以后评职称。因此，他开始花大量的时间在物理研究上。

而在这个过程当中，他也不可避免地，上了“光速不变”这样的问题。或许是思维与常人不同，也可能是人比较年轻，不受过去理论的束缚，他看着“光速不变”这样的命题，并没有死磕，而是想着：如果假设光速不变，那会得出什么样的结论呢？

在这儿，我们不妨做一个思维实验，这是物理学常用的研究方法，也是爱因斯坦发现相对论的方法。

现在，假设我坐在一艘接近光速运动的飞船上，拿着一个手电筒，在驾驶舱中按下手电筒开关，一束光“嗖”地一下，从船头照射了出去。

而你站在地面上观察飞船，以及这束射出去的光。现在我们来思考一下，我眼中的这束光，和你眼中的这束光有什么差别吗？要记住我们的基本前提是：光的速度，对任何观察者来说都是不变的。

先来看一看你的视野，因为飞船的速度接近于光速，所以飞船和那束光几乎齐头并进的，可能过了很长时间，才稍稍地拉开一些距离。

可在我的眼中呢？一切会不一样了。因为光速相对于我来说，依然是每秒30万公里。所以我看到的是，那束光一瞬间就与我拉开了几十万公里。

可是，明明是同一束光，为什么两人看到的场景怎么会有如此大的差别呢？这不是很矛盾吗？

地面上的你，看到我和那束光几个小时都没有拉开多远，而我自己却看到那束光瞬间就跑得没影了。难道说我们有一个人出现了幻觉吗？

事实上并没有幻觉，这就是光速不变的必然推论。当我们俩看到了完全不同的场景，却都是真实的，那么只有一个合理的解释。

那就是，我的一秒钟等于你的几个小时，我们俩感受到的时间是截然不同的，我好像真的要“成仙”了。

如果这时把牛顿叫过来，他一定会惊掉下巴。因为这完全颠覆了他的绝对时空观。

因为牛顿认为，对任何人来说，时间、空间都是一样的，宇宙是一个绝对的参考系。但到了爱因斯坦这里，完全不是那么回事了。

可这个场景又是那么真实，它确实是光速不变推导出的必然结论。所以，如果我们换句话说的话，就是：我坐在光速飞船上的时间“膨胀”了。

顺着这个结论，爱因斯坦推断：不仅飞船上的时间变慢了，在地面上看，飞船上人的一切动作、反应和新陈代谢也会随之变慢。

而且他还发现，随着物体运动速度的增加，不仅时间会变慢，就连空间、质量、能量都会发生变化。

也就是说，经典物理学以牛顿的运动定律，绝对的时空观为基础，但是爱因斯坦通过光速不变这一现实，将原来除万有引力定律外，所有的定理都进行了一遍修正。

后来，他经过一系列的数学演算，提出了有名的质能方程：能量等于质量乘以光速的平方（E=mc²），这恰好解释了当时人们对核能的发现，以及人们对太阳不断释放能量的疑问，形成了一个完整的逻辑闭环。

因为光速是不变的，所以在爱因斯坦推导出来的新公式里，所有概念都跟速度、光速有关。所谓时间、长度、质量、能量都是如此，这就是狭义相对论的主要内容。

说到这儿，你可能会问：枪枪啊，这推断是挺严密的，但如果这些推论都是真的，我在生活中怎么就不会“变形”呢？我的时间怎么也不膨胀呢？要知道这招，我的人生也要“起飞”了啊。

这个原因也很简单，因为我们的速度还远远不够。就像刚才说的，这里面许多物理现象都是和光速有关，从低维度到高维度，需要很多数量级的跨越。

我们可以想一想，目前测算出的光速是每秒30万公里，而现在人类科技的速度极限还在每秒几十公里，想要实现上万倍的跨越，这是需要很长时间的努力。想要变形、膨胀，恐怕得多等一下了。

但不管怎么说，爱因斯坦的狭义相对论，极大拓展了人类对物质世界的认知边界，人们深刻意识到了光速、宇宙、时空这些看似遥远，其实与我们息息相关的命题，在其中收获巨大益处。比如质能方程，成为人们开发和利用原子能的理论基础。

但这个时候的爱因斯坦还是高兴不起来。为什么呢？

因为说到底，这不过是一个思维实验，并不是真实的，没有被证明。而且这其中内容太过惊世骇俗，甚至引起了许多争论。这其中就有另一个有趣的思维实验，让爱因斯坦有些苦恼。这就是著名的“双胞胎佯谬”。

所谓“佯谬”，就是佯装起来的谬误，似非而是，看起来是错的，其实是对的。它是什么内容呢？

就是假设有一对双胞胎兄弟。分别坐在A、B两艘宇宙飞船上，以接近光速的速度，一个往左飞，一个往右飞。

那么根据狭义相对论，我们可以知道，在弟弟的眼里，哥哥以飞快地离他而去，哥哥的时间应该比弟弟慢。

可是反过来，以哥哥为参考系，弟弟也在飞快地离去，那岂不是弟弟的时间也要比哥哥的慢。

那么问题来了：到底是哥哥的时间更慢，还是弟弟的时间更慢呢？

在我们的常识中，速度可以是相对的，那么年龄总应该是绝对的吧。但事实告诉我们，年龄也可以是相对的，因为年龄的背后是时间。

在思维实验中，时间不再绝对，它成了我们可以调整的因素，所以年龄的大小也不是绝对的。这个实验最后的结论是：哥哥和弟弟，都会觉得对方比自己的时间变慢了。

当然，这个推导过程是很复杂的，具体的内容，会在《时间的形状》这本书中进行详细解释；但这个问题的解决，启发了爱因斯坦把狭义相对论发展为广义相对论。

那广义相对论是什么内容呢？其实就是把狭义相对论从模型思维，推向了宇宙现实。

在狭义相对论中，为了方便思维，物体的运动是匀速直线运动，并且没有考虑万有引力，物理学上把它称为“惯性系”。

也就是我们说的牛顿运动定律：物体总是会保持惯性状态，也就是静止或匀速直线状态。

但在广义相对论中，爱因斯坦解决了惯性系的限制。从此相对论可以适用于一切时间、空间、运动和引力四者的相互关系，适用宇宙的任何地方。

在相对论的理论体系中，物质的时间、质量、能量都是相对的，在一定的情况下，可以实现相互转化。由此产生了一系列匪夷所思，却不无道理的推论。

比如我们常说的引力。从相对论的观点看来，质量巨大的天体，周围的宇宙空间不是均匀分布的，而是扭曲在一起，形成一张细密的网。

天体落在网上，就像陷入了一个“洞”；质量越大、体积越小，这个洞就越深，越难从里面逃脱。如果想要从天体离开，就必须保证速度足够大，这也是我们火箭升空，从地球“逃离”的原理。

但是也有的天体，它的质量大、体积小到一定程度，被宇宙空间包裹地密不透风，引力接近无穷大，连宇宙中最快的光也逃不出来，这就是所谓的“黑洞”。

又比如我们常说的时空。在日常概念看来，时间和空间是两回事，空间我们看得见，有能力调整的，可时间从来是向后，而不会往前。

可是在相对论看来，时空是一体的，就像我们的直角坐标系，空间有形状，时间也有形状，在引力很强的时候，时间和空间都有可能被扭曲。

在某些特殊的原因下，引力可能让不同的时空产生交叠，引起不同时空的相连，这就是大名鼎鼎的“虫洞”，也是“时空旅行”的理论基础。

不过，即使人类有幸实现时空旅行，也不一定能回到过去，改变历史。为什么呢？因为时空既然是一个统一维度，我们也不能就此确定：某个时空就是唯一的。

也许某个时空发生交叠，对接到了其它的时空也说不定呢？这便是平行时空理论。在平行时空中，一切事物或许都完全一样，但这个时空也有另外一个“你”，以及枪枪“我”，所以穿越不一定就能回到过去，也可能会到其它的时空。

但这已经是相对论之后许多猜想之一了。也许它是真的，也许这中间又有其他变数，都有待于后来的科学家探究、验证。

说到这儿，你会发现：人类许多想象在现实都可以找到蓝本，甚至有的想象已经成为了现实。

回首历史，我们茹毛饮血，栉风沐雨在草原上狩猎的人类先祖，怎么能够想得到，自己的子孙后代会征战星辰大海，探索宇宙根源呢？

同样的，我们也很难想到，自己的子孙后代会生在怎样的世界。每一次科技的突破，每一次技术的飞跃，都给我们带来世界观的重塑和生活方式的颠覆。

从这个角度来看，我们为日常生计烦恼，为烦心琐事纠结，伤春悲秋，还真的是没有必要。回首这段的物理史，已经足够给心灵以慰藉。

所以呀，要是你哪天觉得不太开心，我倒是有个好建议：不妨去读几本好书，或者听听我们的讲书，看看浩瀚无垠的宇宙，看看祖国山川的河流，探寻人心的奥秘，你或许会得到更多平静。

好了，说到这儿，我们今天的精华解读也差不多了。由于时间和篇幅的原因，书中许多精妙有趣的知识，无法为你一一呈现，希望你继续守候共读，我们将更细致、深入地为你解读这本《时间的形状》，重塑你的时间观念。