 可能前几天洗澡的时候脑袋被门夹了，一吹完头发，就迫不及待地抄起了十五年前买的《狭义与广义相对论浅说》，作者正是被誉为地表最强公务员，业余小提琴演奏者，犹太社会活动家的兼职物理学达人，埃尔伯特·爱因斯坦。书的英文全名叫Relativity the Special and the General Theory (A Popular Exposition)，译者是天津师范大学的杨润殷老师。这个书名看起来有点意思，尤其是popular这个词，深得专利局办事员三昧，我觉得翻译成“浅说”当然挺好，但是好像就少了点爱因斯坦式的幽默。说到这里，估计又会有喷子闻风而至——你说杨老师翻译的不好，you can you up！那我只能告诉他，让您失望了，我不行，我不上，我就是一只曳尾泥涂的绿毛龟，看人挑担不吃力站着说话不腰疼。反正，一个当年拿绿色奥迪当过婚车的中年油腻男人是不可能被激将的。  尽管爱因斯坦在序言中写道：“本书假定读者已具备大学入学考试的知识水平……力求以最简单明了的方式来介绍相对论的主要概念……”，我依然认为我会完全看不懂这本书，毕竟，多年的数学学习经验告诉我，这些大咖的“显然”、“易证”、“同理可得”、“不难看出”永远是我们这种普通读者的噩梦。但是随着阅读的进程，我陡然间发现，爱因斯坦所描述的，不是一般书本中字斟句酌的定理和公理，而是自己发现这些规律的过程。他把自己的相对论变成了一个故事，这个故事，可以上溯古希腊的黄金时代，而且似乎至今仍未结束。 故事是从几何学开始的，爱因斯坦首先叙述了欧几里得几何学的基本概念——点，线，面的性质，并不失礼貌的质疑了它们的真实性。正如他所说，我们不能过问“过两点只有一条直线”这个命题是否真实，因为欧几里得几何研究的仅仅是他称之为“直线”的东西，而这样的东西在现实中并不存在。随后，他稍微回顾了伽利略坐标系（使牛顿的惯性定律始终成立的坐标系）中的经典力学，就直接进入了狭义相对论原理。他通过一个极其简单的例子，就讲清楚了狭义相对论的基点，即由于所有的物理量必须由测量来决定，而测量的精确性都依赖于光速。 这个例子是这样的，假设有一列火车在铁路上行驶，火车上的M’点对应于铁路上的M点（见上图），现在，有一道雷电同时击中了铁路上的A,B两点。那么，什么叫“同时”呢？实际上，我们只能说，我们同时看到了雷电击中了A,B两点，而所谓“同时看到”，又依赖于射入观察者眼睛的光线。于是，稍有几何知识的人就会发现，上面那个“雷电同时击中A,B两点”的论断，只有在观察者位于AB垂直平分线上时才成立，因为此时，观察者到A,B两点的距离相等，所以A,B两点发出的光线，会同时到达他的眼睛。我们不妨假设观察者在A,B中间的M点，然后，我们考虑一列在铁路上以速度v行驶的火车，在雷电击中铁轨时，火车上与M对应的M’点也有一个观察者，这时，我们发现，位于火车上的观察者由于火车的运动，将先看到B点射来的光线，再看到A点射来的光线，因此对于M’的观察者，“雷电击中铁轨上A,B两点”这个事件就是不同时的。 这就是同时性的相对性，爱因斯坦由此断言，时间和距离不是绝对的，由于测量的关系（不幸的是，这可能是我们认识世界的唯一方法），它们可能会发生变化。于是，结合光速不变原理和一系列不太复杂的数学推导（可以参看书的附录），他断言，如果一个坐标系相对于另一个作匀速直线运动，这两个坐标系中的长度和时间都会有所不同，其变化规律正好符合大名鼎鼎的洛伦兹变换。  这看似是一个极为违背常识的论断，但是，它却深深植根于爱因斯坦对宇宙根本规律的想法，他认为，宇宙中并没有“特别优越”的坐标系来参照物理规律，相反的，一切参照系都应该是相对的，因此，在所有坐标系中，物理规律都应该具有某种相同的形式。 借着这个想法，他把相对论往更广义的道路延伸，这迫使他考虑引力场的问题。他发现，如果从一个坐标系观察另一个相对于它作均加速运动的坐标系，光是沿着曲线传播的，这也就是我们常说的，光线在引力场中弯曲的现象。 由此，直接导出的结论是，光速不变并不具有无限的有效性，它在某些情况下，是不对的。那么，是广义相对论推翻了狭义相对论吗？爱因斯坦告诉我们，不是的。狭义相对论实际上是广义相对论的一个特例，在没有引力场影响的情况下，光速确实是不变的。也就是说，作为广义相对论的特例，狭义相对论仍然正确。 这时，爱因斯坦说道，任何物理理论都不会获得比这更好的命运了，一个理论本身为创立一个更全面的理论指出了道路，而在这个更全面的理论中，原来的理论，作为它的一个极限情况继续存在下去。 那么，既然狭义相对论中使用的传统坐标系是一个特例，那有没有更一般的坐标系呢？爱因斯坦告诉我们是有的，这个坐标系称为高斯坐标系，它更一般的在非欧几里得连续的时空中，界定了物理规律之间的关系。这终于促成了广义相对论的一个较为严格的表述：“所有的高斯坐标系对于表述普遍的自然界定律在本质上是等效的。”  于是，我们终于发现，使用了多年的牛顿经典力学中，引力定律的假设是一个过强的假设，它的命运已经走到了尽头，它不是相对论的一个特例，只是洛伦兹变换的幂级数展开中一个二阶近似项，在物体低速运动时往往拥有一个可以接受的误差。实际上，在我们所处的世界中，合理的定义时间是不可能的。我们的时钟和标尺，都由于引力场的关系，在时空里或多或少的扭曲，因此无法通过测量，描述事件的真相。虽然高斯坐标系能帮助我们等效的表出自然规律，但一个令人沮丧（或欢呼雀跃？）的事实是，在广义相对论中，不再有脱离物质独立存在的绝对时间和空间。我们经验上所熟悉的时间和空间，都会因物质而改变，没有物质也就没有时空。换句话说，是物质创造了时间和空间。 反观自身，我们这些常被誉为上帝造物的人类，其实只是不停地在我们的存在之中，无意识的经验着自己不能理解的经验。正如爱因斯坦在本书中常用的例子一样，我们就像一个个趴在三维中的“软体动物”，在不同参照系的夹缝中，徒劳的找寻真实的自我。 微信号： never_doctor 四页博士 因一条线而出发 因无数结果而存在 我就知道你“在看” |
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