相对论

第一章：时间和空间

爱因斯坦狭义相对论的核心内容是对时间以及空间的描述。其中，最重要的一个概念是一种速度，一个宇宙中任何事物都不可能超越的极限速度——光速。在真空中，光速达到每秒299,792,458米。光以这个速度，从地球出发，经过8分多钟可以到达太阳，10万年后能穿越我们所在的银河系，超过200万年后可到达仙女座星系——我们在宇宙中最近的邻居。每当夜幕降临，地球上最大的天文望远镜就会将目光投向宇宙的深处，尽全力地去捕捉最深处的点点光芒，而发出这些光芒的恒星可能此刻早已消亡。比地球从一团星云中诞生还要早几十亿年，也就是在大约100亿年前的时候，这些星光便开始了自己的旅程。光速极快，但面对星际间的遥远距离，也显得那么微不足道了。我们能通过类似于欧洲核子研究中心（CERN）在瑞士日内瓦的大型强子对撞机这样的设备把一些非常小的物体加速至接近光速的百分之一。
这个特殊速度的存在，或者说是宇宙速度上限的存在，本身就是一个奇怪的概念。如同我们接下来会在本书中揭示的那样，将这个速度和光速联系起来其实是一个障眼法。而在爱因斯坦的理论中，它将扮演更重要的角色，同时光为什么以光速（299,792,458米/秒）前进也自有其原因。当然，这些都是后面的内容。现在，我们仅仅需要知道当物体以接近于光速的速度移动时，意想不到的事情便会接踵而来。有没有任何其他的原因在阻止物体以超越光速的速度运行呢？因为给我们的感觉是，“没有任何物体的速度能快得超过光速”，就好像在说“不论发动机的马力有多大，自然法则导致我们的车速无法超过每小时70英里”一样让人费解。显而易见，自然法则不像一条限速交规那样需要交通管理部门来贯彻执行，因为整个时间和空间都是依照自然法则形成的，这些自然法则是无法在这样的世界里被打破的。如果它们被打破，这个世界便会产生很多无法预料的结果，这不能不说是我们的幸运。在本书靠后的章节里，我们将发现，如果我们能超光速地移动，那么人造时间机器就能回到历史上的任意时刻。可以想象，出于某种目的或是不小心，我们回到了自己出生之前的某个时刻，并阻止了自己父母的相知相识。这类情节经常出现在精彩的科幻小说里，但是真实的世界却无法如此编排，爱因斯坦的研究也表明我们的世界不是那样形成的。时间和空间以一种精妙的方式交织在一起，避免了这些似是而非的观点产生。但是，为了究其原理，我们需要付出代价——必须舍弃一些根深蒂固的关于时空的观念。在爱因斯坦所描述的宇宙中，移动的钟表会变慢、运动的物体会缩小、人们可以到几十亿年之后的未来世界旅行。同样在这个宇宙中，人们的生命可以被无限延长，长到人们可以看到太阳燃尽、海水蒸干，目睹整个太阳系陷入永恒的黑暗。人们还能见证新的恒星以及行星从星尘中诞生的过程，甚至可以看到新的生命萌发在宇宙的某个角落，即使作为他们家园的那颗星球目前还不存在。爱因斯坦的宇宙能开启人们通往遥远未来的高速通道，同时也能将回到过去的大门死死关闭。
看完整本书后，读者们将明白爱因斯坦如何“被迫”得出这如梦似幻的宇宙观，而他的观点又是如何被许多科学实验以及实际科技运用证明是正确的。以车载卫星导航系统为例，它的设计中就考虑到了地球卫星轨道中时钟的走动和地面上时钟的走动快慢不一的问题。爱因斯坦的想法是大胆的：时间和空间的真面目并不是它们表面看上去的那样！




第二章：光的速度

通过进行这样简单的实验，科学家们可以测量电场和磁场的强度，另一方面，麦式方程组预测两者的强度比就是波的速度。法拉第的实验联手麦克斯威尔的数学天赋，预测到的电磁波的速度到底是多少呢？麦克斯威尔的波以每秒299,792,458米的速度前进。这是一个极具突破性的关键时刻，也是一个极好的例子，证明物理学是一门精妙、强大并且意义深远的学科。令人惊讶的是，这是光的速度，麦克斯威尔偶然间发现了一个关于光本身的解释。你能看见色彩斑斓的世界，是因为光进入你的眼睛带你穿过黑暗，而它的速度和麦克斯威尔只用线圈和磁铁就能推导出的电磁波的速度相同。麦式方程组就像门上的一道裂缝，光线从中透过来，进入了我们的故事，其意义不亚于由它本身所引发的爱因斯坦的那些发现。自然界中有这样一个特殊的、不变的、唯一的、数值为每秒299,792,458米的速度存在，指引着我们开启新篇章，让我们抛弃绝对时间的观念，就如同它曾经指引着爱因斯坦那样。
无论是对于十九世纪的科学家们还是身在二十一世纪的我们，打破绝对时间的概念都是让人难以接受的。出于直觉，我们对绝对时间和绝对空间的概念有强烈的认同感，尽管这样，我们也必须认识到它们仅仅是直观感觉而已，并不代表事物的真相。时至今日，大部分工程师的设计发明都是以完全支持绝对时空的牛顿定律为基础的。在十九世纪，牛顿定律看上去很完美，似乎无懈可击。当法拉第在皇家学会里揭示电与磁的基本工作原理的时候，伊萨姆巴德? 金德姆?布鲁内尔正在把大西部铁路从伦敦延伸到布里斯托。布鲁内尔最有象征意义的克里夫顿吊索桥于1864竣工，而就在同年，麦克斯威尔成功地完成了对法拉第研究所得的总结归纳，并揭示了光的秘密。8年之后，布鲁克林大桥建成并对外开放。在巴黎，埃菲尔铁塔也在1889年竣工，高耸云霄。所有这些蒸汽时代的伟大成就都是基于牛顿的理论基础。我们可以清楚地看到，牛顿力学远不是抽象的数学冥想，它的成功展现在了全世界的各个角落，见证了人类科学的发展以及科技知识被更广泛的应用。不难想象，当十九世纪的科学家们面对麦式方程组——一个直接从根本上挑战牛顿力学世界观的理论时，脸上所显现的惊愕表情。伟大的牛顿和恒定不变的光速如头顶上挥之不去的乌云，困扰着人们，因为大家都不知道到底谁说的才是真理。直到1905年，一位名叫阿尔伯特?爱因斯坦的物理学家终于向世人证明，大自然与麦克斯威尔站在了同一边。



第三章：狭义相对论

如此一来，空间也是具有延展性的。就和时间可以被延长一样，这是个真实存在的效果。当物体移动的时候，它们的确变小了。想象在一个有点荒唐的例子里，一辆全长为4米的车将尝试进入一个只有米深的车库。爱因斯坦预测说，如果这辆车能以22%光速的速度前进，那么它将刚刚可以挤进车库，至少是在它撞上墙之前的一瞬间。如果你理解了我们刚刚所做的数学计算，那么你会发现22%正是所需要的数值。任何更快的速度将使这车缩小至米以下，任何更慢的速度则不足以将车缩小到所需的程度。
我们把时间流逝可以被减缓、距离可以被缩小的发现，运用到次原子级微粒的世界中已经是够奇特了，但爱因斯坦的理论也同样适用于人类大小的物体。也许有一天人类的生存将依赖于这一奇特的自然现象。想象一下生活在遥远的未来。几十亿年之后，对于这个世界来说太阳不再是一个带来生命之光的稳定来源，而是变成了一个极度沸腾的可怕怪物。在它晚年不断变红的过程中，地球也许就被它的阵阵喷发所吞噬。如果在这一切出现之前人类还没因为其他原因而灭绝的话，那么我们就必须离开地球这个古老的家园，向星际间进发。我们本身所在的银河系里有上千亿颗恒星，它的直径跨越10万光年。也就是说光需要经过10万光年的旅行才能穿越它，当然这是从地球的视角来看。我们希望在讨论了这么多以后，读者们都能认识到上句话里加上最后那句限制条件的必要性。看上去人类在银河系中的活动范围将永远被限制于离地球非常靠近（在天文学数量级上来说）的一些恒星所在的区域中，我们很难奢望到达那些光本身都需要经过10万年才能到达的角落。但这正是爱因斯坦能为我们解决的问题。如果能建造一艘可以带着我们用接近于光速的速度飞行的太空船，那么我们和星星之间的距离就会缩短。如果我们能以光速的速度疾驰，我们就能在短短五十年的时间里冲出银河系，到达几乎三百万光年之外，我们的邻居星系——仙女座星系。说实在的，这看上去是一个非常远大并且艰难的目标，而实际上也的确如此。一个巨大的困难就是怎样推动这样一艘太空船让它达到这样快的速度，但抛开此点不说，不变的是：随着时间和空间的扭曲，向遥远的宇宙深处进发这一目标从来没有像今天这样，变得如此可期。如果你是第一批经过50年旅行后，到达仙女座星系的远征军里的一员，那么你在太空中诞生的孩子也许希望回到地球，第一次亲眼看看家乡。对于他们来说，这个蓝色的星球或许只相当于睡前一个关于太空的童话。将太空船调头，再花50年回到地球，与仙女座星系之间的一次往返就要花上100年。再次进入地球轨道的时候，他们会惊奇地发现，对于地球上的居民来说，六百万年的时光已经过去了。他们祖先的文明是否依然幸存于世呢？爱因斯坦为我们展现了一个怪诞而又神奇的世界。


第四章：时空

时空中的速度是被大家都认同且具有普遍性的。这个对于时空中事物如何运动的崭新思考方式可以帮助我们从一个不同的方面理解为什么移动中的钟表会变慢。把时空概念引入我们的思考后，发现一个移动中的时钟将它恒定的时空速度中的一部分用于它在空间中的移动，这样留给它用于在时间中运动的部分就减少了。换句话说，一块移动中的钟表在时间上没有一块静止的钟表运动得快，也就是说它的时针走得更慢一些。与之相反，一块静止不动的时钟可以保持在空间里移动距离为零的同时以c的速度仅在时间轴上飞奔。所以这时它的时针以可能情况下的最快速度行走着。
用时空来武装自己之后，我们便可以向狭义相对论中一个非常奇妙的谜题发起挑战，这便是双生子佯缪。在之前的章节里，我们提到爱因斯坦的理论使我们希望到达宇宙中极远处的梦想变得可以想象。当我们能以与光速仅相差毫厘的速度前进时，可以想象在人的寿命极限之内到达仙女座星系，尽管事实上这段旅程光线自己都需要走接近300万年的时间。在这当中，存在着一个我们之前并没有特别涉及的双生子佯缪。如果有一对双胞胎，其中哥哥成长为宇航员，并且参加了人类历史上首次远征仙女座星系的任务，而弟弟则留在了地球。成为宇航员的哥哥会以相对于地球来说超高速飞行，其生命也因此相对于留在地球上的弟弟来说变慢。但是我们刚刚花了本书很大一部分的篇幅来论证说绝对速度是不存在的。也即是说当回答“到底谁处在运动中”这个问题时，答案应该是“你认为是谁就是谁”。每个人都有权说自己是处于静止的，并以自己为参照说别人才是在宇宙里快速飞行着。那么对于哥哥来说，也能认为站在宇宙飞船中的自己处于静止状态，同时看着地球以超高的速度飞驰离去。这样就换成留在地球上的弟弟要衰老得慢一些。到底谁才是正确的呢？是不是真的对于双胞胎中的任何一个来说，自己都要比对方衰老得慢一些呢？的确是这样，这也是根据理论得出的。事实上这当中并没有矛盾。你觉得因为两个人都认为自己比对方老得更慢会产生问题事实上都只是因为你下意识里还是紧紧抓住绝对时间而造成的。可是时间并不是绝对的，只要弄明白这一点，那么所谓的矛盾就消失了。那么，现在让我们看看这个看似矛盾的问题：如果哥哥在将来的某一刻回到地球并和留在地球上的弟弟团聚的话，会发生什么事呢？很显然他们不可能都比对方要年轻啊！这到底是怎么回事？难道他们中有一个实际上比另一个更衰老吗？那到底是哪一个呢？
我们对于时空的理解可以提供这些问题的答案。

第五章：为什么E=mc2？

如果我们运用爱因斯坦的理论将质量转化为能量的话，需要大概多少质量就可以达到同样的目的呢？答案是所需的质量等于所需能量除以光速的平方，即是100焦耳除以30万公里每小时两次。其结果仅仅是克，或者说是百万分之一的百万分之一（一兆分之一）克。以这个比率来看，我们仅仅以每秒钟毁灭1微克质量的速度就能为一座城市提供能量。一个世纪大概有30亿秒的时间，那么区区3千克的物质就能满足一座城一百年的能量需求。有一点是肯定的，封印在质量中的潜在能量是我们日常生活中的普通能量源远远无法比拟的，如果我们可以将其释放出来，那么地球上所有的能源危机都会迎刃而解。在离开本章之前让我们最后说几句。质量中所蕴藏的能量对于地球上的我们来说也许是惊人地巨大。但如果认为这是由于光速是个很大的数字，就明显错误地理解了其含义。真实的原因是相对于mc2来说，mv2的数值极小。实际上，造成这种情况是因为日常生活中绝大部分事物都是以远远小于宇宙速度极限的速度在运动。我们这种处于相对低能量环境中的存在从根本上来说和自然界当中的力，特别是相对较弱的电磁力和万有引力有着很大关系。在第七章中，当我们走入粒子物理学的世界时，会更细致地谈到这部分内容。
人们在爱因斯坦之后用了半个世纪的时间才最终找到从质量中获取巨大能量的方法。如今世界各地的核能发电厂每天都在进行将质量转换成能量的工作。而另一方面，自然本身却早在几十亿年前就开始利用E=mc2背后所蕴含的原理。实事求是地说，这个原理便是孕育生命的种子。如果没有它，太阳将不会发光，地球也就永远笼罩在无尽的黑暗之中。

第六章：为什么能量都值得我们关注？

让我们做一次回到过去的旅行，来到宇宙大爆炸发生之后的5亿年。那时候的宇宙中只有氢、氦以及非常少量的其他轻量元素。宇宙慢慢地不断变大，温度也随之降低下来，这些原始气体在万有引力的作用下成片的向内收缩。在互相靠近的过程中，它们的速度不断加快，就如同你将本书扔向地面时它会不断加速坠落一样。快速移动中的氢和氦也由此变得十分热，从而出现了温度越来越高，密度也越来越大的巨大气团。当温度达到1万度时，电子就会脱离原子核周围的轨道，从而形成了一团包含质子和电子的气团，称之为等离子体。这些独立的电子和质子继续加速向气团内部高速坍塌。当温度达到1千万度的时候，这种不停向内坍塌的过程就停止了，取而代之的是气团发生一些重要的变化。这个变化赋予这团热质子和电子组成的气团以生命，将它们变成了宇宙之光、一个巨大的核能源、一颗恒星。质子融合在一起变成氘核，氘核本身又能和另一个质子融合在一起变成氦，随之而来的还有能量的释放。通过这个过程，这颗新星将自身最初质量中的一小部分转变成能量，这又为恒星的中心提供了高温，使之至少在接下来的几十亿年中能够阻止并抵抗任何进一步由万有引力引起的坍塌。这足以使寒冷的行星变得温暖，使水变成河流，使物种不断进化，使文明生根发芽。
我们的太阳是一颗正处于中年阶段的十分稳定的恒星，不断燃烧着，将氢变成氦。太阳每秒燃烧自身400万吨的质量来把6亿吨氢转换成氦。这样的“挥霍”虽然给人类的生存提供了所有必须条件，但即使是像太阳这样一个可以容纳一百万个地球的大等离子球也无法一直这样燃烧下去。那么当一颗恒星用尽了核心中的氢气时会产生怎样的后果呢？没有了原子能驱动的向外压力，恒星将会再次出现坍塌，并由此不断变热。最后，当温度达到1亿度时，氦便开始燃烧起来，恒星的坍塌又一次停顿下来。我们刚用了“燃烧”这个词，但其实它并不准确。我们真正想说的是，核聚变反应正在进行，其产物的质量小于反应之前反应物的质量。消失的质量和产生的能量之间所遵循的交换率便是E=mc2。

第七章：质量之源

E=mc2的发现标志着物理学家们在对能量的认识上所发生的改变，由此知道了质量本身也蕴含着巨大的能量，而且大到超越任何人的想象。一个质子能释放出的能量就已经10亿倍于一个普通化学反应中产生的能量。我们似乎找到了解决世界能源问题的方法。当然从长远的观点来看，这也许就是终极解决方案，然而离这个目的，我们还差一步，而且是很大一步，因为质量很难被完全摧毁。在一座通过核裂变来发电的核电站中，被摧毁的质量只是原反应燃料中极小的一部分；其他大部分都转变成更轻的元素残余，它们之中的一部分是危害极大的核废料。即使是太阳上所发生的核聚变反应，其把质量转换为能量的效率也不高。不仅仅是因为用于转化成能量而消失的质量很少，还因为对于任何质子来说发生聚变反应的几率非常低，而整个反应中，第一步将质子转变成中子的过程更是非常稀有。平均下来，在太阳的核心里，一个质子与另一个质子聚变成为一个氘核并释放出能量要花上大概50亿年的时间。事实上，要不是量子力学在如此细微的距离上处于主导地位，那么这种核聚变的过程根本不可能发生。在量子力学存在之前的世界观中，太阳的温度不足以达到使聚变发生的温度，因为目前太阳中心的温度是1千万度，而聚变发生所需要的比这个数值高出1000倍。当英国物理学家亚瑟?爱丁顿爵士于1920年提出太阳的能量之源有可能是核聚变时，他很快意识到自己理论中存在的这个问题。但是爱丁顿十分确定由氢至氦的聚变反应就是太阳的能源，并且坚信这个太阳身上的低温之谜很快就会有答案。“我们所讨论的这些氦一定是在某个时候于某个地点被合成产生的，”他说，“我们不必和那些持批评观点的人争论恒星们是否有足够的温度来满足这些过程发生的前提条件，我们只会告诉他们去找到那个所谓的更热的地方吧。”
同样让人有些难以满意的是质子转变成中子的过程。如果将等量的质量转换成能量，太阳的效率不及人体的几千分之一。太阳上1千克的物质只能产生大概1/5000瓦的能量，人体却能从同样质量的物质中得到超过1瓦的能量。当然，太阳要大得多，所以这也足够弥补其效率上的欠缺。本书里我们不断强调，自然界有自己恪守的法则。类似于E=mc2这样能够告诉我们自然界中有什么可能发生的方程出现，也就毫不奇怪了。但是我们的推理想象和事实之间存在着巨大的差别。虽然E=mc2中涉及的可能性使我们眼前一亮，但我们还必须理解在自然法则的框架下质量究竟是如何被摧毁，并释放出能量的。有了这个公式也并不表明我们有权随心所欲地转换质量和能量。

第八章：弯曲的时空

爱因斯坦的广义相对论不但得到了各种实验的证实，同时它也告诉我们时空并不是一成不变地时间与空间的结合体，而是一个更加富有变化的存在。时空因为物质以及能量的存在而会发生各种相应的变化。从另一方面来说，不断变化的时空结构又影响着物体在时空中的运动规律。我们再也不会将空间看做是一个万物繁衍生息的固定场所，也不会将时间看成高悬于天空中的一面拥有绝对权威并且恒久不变的大钟。也许这个看法上的剧烈改变给我们上的最重要的一课是，将旧有的经验随便拓展到它们所适用的区域之外的领域是不明智的。为什么高速运动的物体一定要遵循我们日常生活中那些低速运动物体才适用的法则呢？类似的，为什么我们有权利只通过研究那些质量很小的事物就以其结论去揣测质量很大的事物呢？
就像爱因斯坦所展示的那样，我们在日常生活中所积累的经验实际上不是个十分好的向导，而更深层次的理解则显得漂亮优雅许多。随着将如质量和能量、时间和空间以及最终的万有引力这些看上去毫不相关的概念联系起来，爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论将像两座丰碑一样永远屹立在人类探索自然的道路上。在以后的岁月里，新的观测和实验结果会给今天我们在本书中提出的理论带来相应的修改。毫无疑问，很多物理学家应该开始期待下一个更准确也更加具有实用性的新理论了。在没有实验或者观测依据的情况下不要随便使用经验来判断未知的事物，这种谦虚的科学态度并不仅仅限于相对论的讨论。二十世纪里另一项巨大的科学进步是人们发现了量子理论，这是一门研究原子级以及更小微观世界的学科。若是只根据日常生活经验，将没有人能够搞得清自然在微观世界里是如何运作的。对于目光仅限于“大东西”的人类来说，量子理论与直觉是极为相反的。但是在二十一世纪里，量子理论已经渗入了人类现代生活的方方面面，从医学成像技术到最先进的电脑制造工艺。不论我们对量子理论的感觉如何，都必须承认它给人类带来的价值。
如今的物理学家们陷入了一个两难的境地。当前我们对万有引力最好的理论——爱因斯坦的广义相对论无法和量子理论很好地结合在一起，它们当中至少有一个需要被修改。是否在微观世界里时空就“消失”了呢？也许它从来就不存在，关于时空的一切都只是由于“曾经发生的一些事情”给我们造成的一种假象。自然界中最小的物质是不是被称为弦的细微能量振动呢？又或者这一切的解释都还存在于一个人类未知的理论中呢？这些问题都处于基础物理学研究的最前沿，工作在那里的研究者们对于无限的未知有许多的期待，也必将得到很多惊喜。