时间的形状

今天为您解读的书是《时间的形状》，

副标题是《相对论史话》。

提及相对论，或许有些人会简单地理解为：世界上没有什么是绝对的，都是相对的。很明显，这是不对的。

其实，相对论是研究时间、空间、运动、引力这四者关系的理论体系的总称。这一理论是由爱因斯坦提出来的。

在很多人看来，爱因斯坦的相对论是一个非常神秘且深奥的理论，只有大科学家才能够理解。而《时间的形状》这本书，就是专门为那些对相对论敬而远之的人准备的。这是一本人人都能够看懂的相对论普及读物，能够填补我们缺失掉的那些关于科学的兴趣和遗憾。它为每一位想了解并走进相对论的人提供了捷径，与《上帝掷骰子吗？》一书并称为国内科普两大经典。

本书作者汪杰是一位科普作家，凭借《时间的形状》这本书获得第八届国家文津图书奖，这一奖项被誉为中国出版界的奥斯卡奖。另外，他还著有《星空的琴弦》《亿万年的孤独》《未解的宇宙》等科普作品。

下面我将从三个阶段为大家讲解爱因斯坦的相对论是如何提出来的。

第一阶段，绝大多数人都相信牛顿和伽利略的观点，认为时间是绝对的。尽管一系列的实验都在推翻时间绝对论，但是并没有人敢否定原来的看法。在当时那个年代，大多数人的时间观念都还停留在三四百年前，他们对伽利略和牛顿的世界观深信不疑。

在牛顿看来，时间对于世间万物是绝对公平的，它真实存在着，但是又与外界的事物毫无关系。它始终保持着自己的频率，绝对均匀地流逝着，不受任何外界因素的影响。这便是牛顿经典物理学中的绝对时空观。

在爱因斯坦成名之前，几乎每个人都把绝对时空观作为最基本的常识。但是到了19世纪末，人们一直信奉的绝对时空观受到了前所未有的质疑。一系列物理实验都在无情地推翻着牛顿的世界观，物理学家们苦心研究的实验结果都与之相悖，在物理学界引起了巨大的轰动。

在所有的实验中，最具代表性、最著名的就是科尔逊·莫雷实验。他们通过这个实验测量光速的“泰山北斗”，从而观察地球在绕日公转中光速的变化。根据伽利略的相对性原理，地球绕着太阳公转，假设公转速度是一的话，两束光的运动方向应该是相反的，而它们的运动速度应该是相差二。但是科莫逊·莫雷实验的结果显示，两束光的速度是一致的。

让人无奈的是，实验结果并没有获得人们的认同。大部分科学家为了解释这个现象，找出了各种各样的理由，没有人去否定所谓的常识。因此，这个实验被人们称为科学史上最成功的失败。

转眼间到了1905年，这一年对于物理学领域来说，是极具意义的一年，也被人称为奇迹年。因为26岁的爱因斯坦在这一年登上了历史的舞台。那时的他提出了一个至关重要的思维实验：假如我和光飞得一样快，那么会看到什么？

这是一场特殊的实验，它不需要仪器设备，只需要在大脑中想象就可以了。而爱因斯坦就是这样一个思维实验的大师，他会经常使用思维实验去研究相对论。他认为有些时候在头脑中运行的实验，往往要比真正的实验更加简单明了。因此，相对论的诞生和思维实验密不可分，甚至可以说，没有爱因斯坦在大脑中运行的那些实验，相对论就不可能诞生。

实验中，爱因斯坦想象：假如我们快速经过手电筒的一刹那，手电筒打开，我们会看到什么？关于这个问题的答案困扰了他很久。按照人们以往的认知，答案便是看到一束静止的光。但在思维实验中证明，这是根本不可能的。因为光是一种电磁波，那什么是波呢？

对于这个问题，爱因斯坦这样解释：当你拿着一根绳子猛地抖动一下，绳子会形成一个凸起的波峰，然后带动下面的点运动，连续传递下去，就形成了波。电场和磁场的交替感应，便是光波的本质所在。就像是一群体育运动者在按照一、二、三、四的顺序报数，每个人都必须依次传递下去，假若谁在中间停止了，就相当于破坏了大自然的规矩。所以在爱因斯坦看来，一束光不可能是静止的。

第二个阶段，面对学界流传的各种解释，爱因斯坦勇于坚持自己的见解，大胆探索，提出狭义相对论。

就在大部分物理学界为了证明科尔逊·莫雷实验是错误的，迫不得已进行各种各样的假设的时候，为了证实自己的观点，爱因斯坦勇敢地拿起了奥卡姆的剃刀，将多余的假设全部刮去。运用奥卡姆剃刀原理，做了一个很大胆的假设，便是光速本来就是不变的。这个原理称为“如无必要，勿增实体”，旨在说明当遇到奇怪现象的时候，需要假设最少的解，往往是最接近真相的解释。换句话说，我们应该把所有一切不能被我们所感知和检验的条件，都毫不留情地刮去，像剃刀一样毫不犹豫。

奥卡姆剃刀原理从提出到现在，已经过去800多年了。这个原理是人类智慧的精华，也是帮助我们看清这个纷繁迷乱世界的第三只眼。这个假设在当时的物理学家看来，是非常荒谬的，但是爱因斯坦仍然坚持自己的观点，并根据这个假设进行颠覆常识的推导。

下面让我们用思维实验来重温爱因斯坦的实验过程。我们同样运用爱因斯坦的光速本来就是不变的假设作为实验的基础。想象一下，我坐在一艘接近光速运动的飞船上，手里拿着手电筒，手电筒的光能够从船头照射出去，而你此时就在地面上观察我乘坐的这艘飞船和这束光。我们分别来想象一下你我看到的这束光有什么不同。

因为飞船的速度是接近光速的，所以在你看来，飞船与光之间几乎是同时前进的，可能观察了一个小时，会拉开一定的距离。但是对我而言，光速依旧是每秒30万公里，而我手中手电筒射出去的那束光，一瞬间就已经和我拉开了几十万公里的距离。很明显，我们看到的结果是截然不同的，并且相差巨大。

假设我们双方看到的景象都是正确的，那就只能说明我在飞船上的一秒钟，相当于你在地面上的一个小时。我们所感受到的时间是完全相同的，这个解释就完全颠覆了牛顿的绝对时空观。

通过推导，爱因斯坦便得出了狭义相对论的核心观点：时间是相对的，它与运动密不可分，不存在什么绝对的时间。

1905年，爱因斯坦发表了一篇论文，证明了自己的观点，并且还整理出了能够精确计算时间和速度之间关系的数学公式。但是这个观点的提出，在当时并没有引起物理学界的重视，因为这个理论太过于反常识，而当时的爱因斯坦只是一名小职员，在物理学界也没有什么声望。

尽管爱因斯坦提出狭义相对论是划时代的理论，但是这个理论在爱因斯坦去世后的很多年，才通过实验证明了它的正确性。

第三阶段，在狭义相对论发表后的没多久，面对众多反对的声音，爱因斯坦终于提出了广义相对论。

狭义相对论的提出，尽管在物理学界没有引起轰动，但是反对声还是比较响亮的。有人为了推翻狭义相对论，便提出了一个绝妙的思维实验。这个人假设一对双胞胎兄弟，一个乘坐飞船往右飞，一个乘坐飞船往左飞。在弟弟眼中，哥哥以飞快的速度离他而去，按照狭义相对论来说，哥哥的时间比弟弟过得慢。但是在哥哥的眼中，弟弟也是以飞快的速度离他而去的，同样根据狭义相对论，弟弟比哥哥的时间过得慢。这就导致了两者矛盾的产生，到底谁会更年轻一些呢？

这就是物理学领域著名的“双胞胎佯谬”。这是物理学中比较拗口的术语，在相对论发现的过程当中，把那些反直觉乍一听肯定是错误的，却是正确、颠覆三观现象称之为佯谬。

这个问题乍听上去肯定觉得兄弟两个谁更年轻应该是绝对的，但是答案却让人惊讶。因为通过详细的推导之后，结果显示，在两兄弟的眼中，各自的时间都比对方慢，还真的是相对的。

通过这两个双胞胎问题的论证，爱因斯坦最终推开了广义相对论的大门。

或许我们会有这样的疑问，为什么相对论会分为狭义和广义呢？狭义相对论的英文翻译过来就是特殊相对论的意思，而广义相对论翻译过来是普遍相对论的意思。狭义相对论有两个地方是比较特殊的，一是它的公式只能用来处理匀速直线运动，也就是物理学领域所说的惯性系；二是万有引力，作为物理学领域普遍研究的宇宙对象，狭义相对论里面并未涉及。

最终，爱因斯坦经过十几年的苦心研究，终于将惯性系和引力统统搞定，从此相对狭义论便升级为广义相对论，并且适用于一切时间、空间、运动以及引力之间的相互关系，被人们称之为世界上最美的理论。

之所以称之为最美，是因为相对论将公理演绎思想运用到了极致。爱因斯坦把三个基本的公理作为切入点，一是对于任何参考系，真空中光速保持不变；二是对于任何参考系，普通的物理规律保持不变；三是引力和加速度局域等效。这样人们既找不到任何反例假设，也无法证明，进而根据自己的思路一步步地推导出了整个理论大厦，过程堪称绝妙。

对于这三条公理，大家不理解没有关系，也不用过度的深究，我们只需要看一下爱因斯坦由此推导出了什么就可以了。例如时间和质量都是相对的，两者可以相互转换，这便是著名的质能公式。还有一些我们经常会在新闻上看到的黑洞，也是通过三条基本公理推导出来的。

按照相对论的理论来说，时间、空间都是有形状的，在引力的作用下，它们会变得弯曲，甚至会打结，而黑洞就是时间和空间的死结。又比如我们所说的宇宙大爆炸，并不是科学家们凭空捏造出来的，也是通过相对论方程式计算出来的。再一个就是近年来物理学领域比较热门的名词引力波，这也是来源于三条基本公理。其实引力波从本质上来说，就是时空的一连串通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。

其实早在1916年，爱因斯坦就基于广义相对论预言了引力波的存在，只是在2016年才被进一步证实。

当然，除了已经被推导出来的这些，还有许多亟待证实的理论，例如在宇宙当中是否存在虫洞这一说法。假若真的有虫洞，人类便可以像电影《星际穿越》中演绎的那样，可以穿越时空，真正实现人类梦寐以求的星际旅行。

那从物理学的角度出发，到底什么是虫洞呢？通过对相对论的了解，我们知道时空是能够弯曲或者折叠的，原本相距甚远的两个点，一经折叠就会离得很近。就好比我们从中国的上海到非洲，不再是从地球表面经过漫长的时间飞过去，而是直接在地球上打个两地互通的洞，从中穿过去，可想而知，这中间的距离就会大大缩减。

其实我们在很多太空宇宙题材的科幻电影当中，看到过各种异想天开的说法或者是脑洞大开的科幻镜头，很多是源于相对论的推论。

读完了这本书，我不得不感慨，《时间的形状》真是一本有趣的书。它不仅是一本科普读物，更是一段堪比好莱坞大片的科学史话，让我们在轻松自然的状态下，重温了相对论的前世今生以至未来。书中涉及许多各种各样的原理，有些原理让人晦涩难懂，也有些原理让我们大家觉得相见恨晚。书中众多原理，哪怕我们只深入了解一个，也会让大家收益颇丰。

当然，为大家传递知识也是作者写这本书的初衷。就像作者在后记里说的：“我这一辈子最大的愿望之一是，在老的快要死掉的时候，收到几张世界知名科学家的或者卡片，或者电子邮件什么的任何东西，上面写着：年轻的时候曾经看过您写的一本好像是讲科普的书，虽然名字和内容已经都想不起来了，但是我记得我当时看完以后，就毅然决定投身物理学，以至于有了今天的一点点小成就。非常感谢您，祝您老一路走好。”

纵观古今，我们人类对于研究世界的好奇心从来没有间断过。不管是过去、现在、将来，还是对空间、宇宙，人们始终保持高度的好奇心，去研究、去探索神秘的宇宙时空。好像具备着一种神奇的力量，能够让我们对它保持足够的兴趣，并且潜心研究，积极探索不知道的时空奥秘。尽管在探索的过程当中困难重重、满腹艰辛，但是并没有打消我们探索宇宙奥秘的执着和信心。因为我们相信，只要不断的努力，就一定会在这个领域有所收获，破解更多的时空之谜，不断更新我们对于宇宙时空的认识，让生活变得更加丰富多彩。

好了，今天的分享就到这里。我是泥巴，下期读书会我们再来一起解读精品好书，记得收听哦。

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