时间的形状

3月16日，晴转阴。

阅读书目：《时间的形状》。

作者：科普作家汪洁，他的作品有《时间的形状》、《星空的琴弦》、《外星人防御计划》等。其中《时间的形状》一书获得了第八届文津图书奖。汪洁还是全国各科技馆和大、中、小学的人气嘉宾，也是科普栏目《科学有故事》的主播。因此，汪洁的著作既具有权威性，又具有趣味性。

时间的形状

金句：

1.科学的发展史永远都不会过时，科学家们的探索精神到了哪个时代都值得人们学习。

2.毫无疑问，开尔文说的第一朵乌云，就是麦克尔逊—莫雷实验，不但没有能证明以太的存在，反而貌似恰恰证明了以太的不存在。

3.加速度和重力，也就是加速度和万有引力，它们是完全等效的。

4.引力其实造成的是时空弯曲，也就是时间和空间同时被弯曲了。

5.首先，爱因斯坦从对狭义相对性原理的不满意出发，把狭义相对性原理推广到了等效原理加广义相对性原理；然后从这两个原理出发，推导出了引力使得时空弯曲，继而又推导出了黑洞；再从黑洞想到了虫洞，于是时空旅行有了理论可能性。

6.从光速不变这个起点出发，一路走来，最后，我们竟然看到了恢宏的宇宙大爆炸，又看到了一个神奇的有限无界的空间。

记录与感悟：本书的副标题是《相对论史话》，这本书主要介绍了物理学的坎坷历程和神奇的四维时空奇景。今天的物理学信仰，并非一蹴而就的，而是凝结了一代又一代科学家们的心血。在作者看来，科学精神比科学故事更重要。毫无疑问，《时间的形状》对我们建立一个崭新的宇宙观是大有裨益的。

一、麦克尔逊-莫雷实验为什么被称为科学史上最成功的失败？

麦克尔逊-莫雷实验是麦克尔逊、莫雷这两个物理学家做的一个测量光速的实验，实验的直接目的是：证明光速在顺风、逆风中是有差异的。如何证明呢？那便要利用到光的干涉性质。

光的干涉现象，是英国人托马斯·杨发现的。当光通过双缝照射到白墙上，我们会看到白墙上是明暗相间的条纹，这就是光的干涉现象。

麦克尔逊、莫雷猜想，由于这两束光的速度不同，因此它们产生的干涉条纹肯定和我们正常实验所产生的干涉条纹有差别。如果转动实验装置的话，由于两束光的速度会相应地发生变化，那么干涉条纹的条纹也应该慢慢的移动。

最终的实验结果出乎意料，麦克尔逊和莫雷的干涉仪没有观察到条纹的任何移动。

这个实验震惊了物理学界，颠覆了人们常识，给整个经典物理学说都笼罩上了一层乌云。因为麦克尔逊-莫雷实验是建立在伽利略变化式、牛顿的绝对时空观和以太学说上的，按照预期的实验结果，恰好可以证明以太的存在。但这个实验反倒证明了光速不变，以太不存在。

20世纪初，麦克尔逊-莫雷实验这朵乌云终于掀起了狂风大浪，使物理学迎来了新纪元。

1905年是物理学的奇迹年。巨星阿尔伯特·爱因斯坦登场了，那年他发表了五篇论文，论述了他的几大成果。汪洁说，这五篇论文，每篇都像一颗耀眼的超新星，照亮了宇宙，改变了物理学的纪元。

二、物理学史上著名的双生子佯谬是怎么回事？

双生子佯谬是在应用狭义相对论时发现的，根据狭义相对论，时间会膨胀。时间膨胀，就是时间变慢了。这里说的时间变慢了，不是指计量时间的任何外在机械的问题，而是指时间本身变慢了。

双生子佯谬是一个思维实验，假设有对双胞胎，哥哥坐上了一艘亚光速飞船，飞离了地球，离开了地球上的弟弟去太空旅行。弟弟见哥哥飞上太空，想到的是，等哥哥回来，我就比哥哥老了。而坐在飞船上的哥哥却不这么想，他会觉得是地球载着弟弟飞离自己而去，所以感慨道，等再次与弟弟见面时，自己就更老了。那么，你觉得等他们再次见面时，究竟是谁更年轻了呢？

汪洁从广义相对论的角度对双生子佯谬进行了解释。

在狭义相对论中，研究的是时间、空间和运动三者之间的关系。在广义相对论中，爱因斯坦加入了引力。根据等效原理，爱因斯坦又得出了引力使得光线弯曲的结论。因为引力就是加速度，同样，加速度也会造成光线弯曲。

因为信号传递需要时间，所以哥哥和弟弟都会觉得双方的时间变慢了。因此，只要哥哥乘着宇宙飞船离地球而去，匀速飞行，那么兄弟两个都知道，对方跟自己相比是越来越年轻了。

但是如果哥哥掉头回去追弟弟，那么哥哥必须先减速，再加速，由于等效原理，加速度就是引力，引力就是加速度，加速度让时空弯曲，所以时空弯曲效应在哥哥那里显现出来。哥哥的时间变慢，弟弟的时间飞逝，因此哥哥变得比弟弟更年轻。

三、我们能不能回到过去？

广义相对论研究的课题之一就是时间旅行。我们知道，引力会使时空弯曲，引力越大，弯曲的程度就越大。这就是说，时空其实不是平坦的，而是有形状的。

在广义相对论中，回到过去是通过一个时空圈环实现的。时空圈环在霍金的《时间简史》中被称为“类时闭合曲线”。时空圈环，其实正是爱因斯坦和他的助手罗森一起发现的虫洞的某种特性。

在说虫洞前，我们要先说说黑洞。假如我们把宇宙空间想成一个网，任何有质量的物体放在这张网上都会下陷，质量越大，体积越小，在网上陷入的就越深。随着下陷程度的增加，这张网好像就有了一个洞。

开始黑洞只是作为一个数学概念，不过随着研究逐渐深入，人们运用很多方法观察到了黑洞。黑洞，其实就是宇宙这张网中时间和空间形成的一个洞，就像漏斗一样。如果宇宙中，有两个这样的漏斗，漏斗嘴与漏斗嘴接上了，就形成了虫洞。

虫洞是爱因斯坦和助手罗森共同发现的，人们称为爱因斯坦-罗森桥。虫洞不仅可以连接遥远的宇宙空间，也可以连通时间，因而可以让你突然跨越几百光年，出现在另外一个地方；也可以让你从现在飞越到未来，或者穿越到过去。

但要实现时间旅行，以目前人类的技术是不可能达到的。因为要扭曲时空，就必须要有巨大的引力，要产生引力，就要有巨大的质量，而质量和能量又是互相转换的。因此，归根结底，要想时间旅行必须要有巨大的能量。但即使用上全球一年消耗的能量，也不能打开一个只有几纳米大小的虫洞或者让时空弯曲成一个时空圈环。

最早知道汪洁是在网易课堂上，他善于讲科学故事，喜欢听他用生动的情节装点科学理论的大厦。《时间的形状》也是这样的书，时间有形吗？虽然看不见，这却是相对论的基础。坦白说，虽然讲得很生动，仍然不能清晰的理解。如作者所言，科学精神比科学知识更重要，个人理解，科学精神是假设和实证，是勇于探索，不断钻研和敢于自我否定的精神，这世界尚有太多的未知和神秘有待被发现和解读，真理和谬论其间只有一线之隔，而学习、实践是探索发现世界的根本路径。