作者：汪洁

自小到大，你可能一直会有这样的疑问：

时间到底是什么东西？

我们能跨越未来吗？

我们能回到过去吗？

光到底是什么东西？

宇宙到底长什么样？有大小吗？有生死吗？

我们能像星际迷航一样穿梭在银河系吗？

这个世界的物质到底是由什么构成的？

物质可以无限分割吗？

……

这些令人不可思议的问题，科学家到底是如何找到答案的？

所有这一切，都要从爱因斯坦发现的相对论开始讲起。这的的确确是一个伟大的理论，这是20世纪人类对这个宇宙秘密最深刻的一次发现。你可能还是在茫然地看着我：“我听说过相对论，可是它跟我们的日常生活有关系吗？”

当然是有关系的。比如，GPS导航系统现在已经是一个常用设备，手机里面就有一个。

如果没有相对论，那么这玩意可就会出大问题。因为根据相对论，卫星上的时钟会比地面上的时钟走得快，每天大约快38微秒（0.000038秒）。这个时钟的快慢并不是因为计时器精度不够造成的，

而是因为卫星上的时间真的变快了。你设想一下，如果人类没有掌握相对论的知识，那么就不会知道发射到天上的卫星哪怕用再精确的计时工具计时，也不可能消除这个误差。你千万不要小看这似乎微不足道的38微秒，如果不校正的话，那么GPS导航系统每天积累的误差将超过10千米（当然这个误差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美军用这个来导航导弹的话，那麻烦可就大了。因此在GPS卫星发射前，要先把其时钟的走动频率调慢100亿分之4.465，把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫，这些数字全靠相对论才能精确地计算出来。

“神奇！”你大概会惊呼一声，“相对论原来就是这个啊。”哦不，这并不代表相对论，卫星上的时间变快只不过是相对论无数推论中的一个，我们通过相对论可以精确地计算出卫星上时钟和地面上时钟的误差到底是多少。相对论还有很多很多推论，小到推测水星的运行轨道、发生日全食时星星的位置，大到可以推演太阳的过去与未来，甚至宇宙的过去与未来。

相对论是研究时间、空间、运动这三者关系的理论体系的总称，它是这一百多年来人类最伟大的两个理论之一（还有一个是量子理论），诺贝尔物理学奖是不足以来评价相对论的伟大的。

你必须了解的四个概念

波普尔的证伪说——科学与伪科学的量尺。

波普尔是一个著名的科学哲学家，他阐明了一个被科学界广为接受的道理：所有的物理规律（或者说科学定律）都是无法真正完全“证实”的，通俗来讲就是科学规律永远不可能用摆事实讲道理的方法来给你证明，尤其是证明给那些伪哲学家们。

奥卡姆剃刀原理——科学需要什么样的假设？

奥卡姆剃刀原理说的首先是这样一个道理：如果你发现了一个很奇怪的现象，要对它进行解释就不得不做很多假设，可能不同的解释需要不同的假设，而根据奥卡姆剃刀原理，那个需要假设最少的解释往往是最接近真相的解释。

思维实验——在大脑中运行的实验。

你有没有想过，有一种实验叫作“思维实验”，而正是这种思维实验极大地推动了科学的发展。可能你已经在心里嘀咕了：“真的假的”？我这就给你一个例子。关于思维实验，科学史上最著名的例子就是伽利略以此推翻了亚里士多德重物下落更快的论断。

“伽利略：“亲爱的亚里士多德先生，您不是说重的东西比轻的东西下落得更快吗？那么如果我们把一个铁块和一个木块用绳子拴在一起，从高处扔下来会发生什么？按照您的说法，较轻的木块下落得慢，因此它会拖累铁块的下落，所以它们会比单扔一个铁块下落得慢一点，是不是这样？”

亚里士多德：“没错，逻辑正确。”

伽利略：“但是，铁块和木块拴在一起以后，总重量却要比一个铁块更加重了啊，那么岂不是它们又应该比单个铁块下落得更快？”

亚里士多德：“呃……”

伽利略：“这个实验不用实际去做了吧，单单就在我们脑子里面做一下就可以发现您的理论是自相矛盾的。”

亚里士多德：“你让我想想，你让我想想……”

佯谬——乍一看肯定是不对的，但没想到却是真的。

在物理学中，经常会遇到一些很有趣的事情，这些事情一开始让你觉得不可能发生，但恰恰最后又被实验证明是千真万确的。像这样的事情，中文里有一个词就叫作“佯谬”。佯，是佯装、伪装的意思，谬，是谬误、错误的意思；佯谬就是佯装是错误的，其实是正确的。

所以说，这个世界的奇妙往往远大于你的想象，还有无数更加不可思议的佯谬在前面等着我们。在本书中你会看到，发生在一对双胞胎兄弟身上的佯谬推动了爱因斯坦的深度思考，让相对论发生了质的飞跃。

第二章　伽利略和牛顿的世界

相对性原理

伽利略在力学和物体运动规律方面的贡献是无与伦比的，是他打下了牛顿经典力学的基桩，而牛顿在这片基桩之上盖起了足以让后人仰视的经典力学大厦。

伽利略第一项最广为人知的成就是提出了自由落体定律，这个定律说的是：如果不考虑空气阻力的话，那么任何物体的下落速度都是一样的，且都是呈一个固定的加速度（g≈9.8米/秒2）。

伽利略把类似自由落体定律这样的现象和规律统称为“力学规律”。

我们再来看一个伽利略发现的著名的“惯性定律”，其实这就是牛顿第一运动定律（当然，伽利略没有像牛顿那样精确地表述出来，因此这一定律的正式发现权仍然归于牛顿）。伽利略发现这个定律，也是从一个思维实验开始的，这个思维实验具备非凡智慧。伽利略设想把一个小球放到一个U型管的一端，松手让小球自由滑落，那么这根U型管表面越光滑，小球在另一头就上升得越高。伽利略假想如果能发明一种完全没有阻力的材料，则小球应该能恰好在另一头到达跟起点同样的高度。这个现象就好像在一根绳子上挂一个小球做一个钟摆，如果完全没有空气阻力的话，小球从一头摆到另一头的高度应该是完全相同的。

伽利略的这个思维实验没有停，他继续往下想：好，现在假设找到了一种完美的材料，那么我把U型管的另一端拉平，则小球从起点滑落后，为了能在终点达到和起点同样的高度，它只能不停地，永远地滚下去，不可能停下来。

从这个思维实验中，伽利略得出了关于运动的又一个力学规律，那就是在一个完美光滑的表面运动的物体，会保持这个运动的“惯性”，除非有外力阻止这个惯性，伽利略称之为“惯性定律”。

伽利略相对性原理：在任何惯性系中，力学规律保持不变。

伽利略在提出了相对性原理之后，觉得用一句话来表述这个原理还是显得不够简洁、不够酷。伽利略想，好歹我也是个数学家，怎么着也应该用数学的语言来描述我发现的这条伟大原理吧。于是没过多久，伽利略就提出了几个数学公式，用来描述相对性原理，后人把这几条数学公式就叫作伽利略变换式。

有了伽利略变换式，我们就能证明对于同一个力学实验，不管是站在小明的角度观测，还是站在小红的角度观测，所得到的规律是相同的。

伽利略变换式的伟大意义就在于，他用数学的方法证明了伽利略相对性原理。

史上最牛炼金术士牛顿

牛顿是历史上最伟大的炼金术士，没有之一，最伟大的物理学家、天文学家、数学家、自然哲学家、神学家之一。纵观古今中外所有的“家”们，能集如此众多的“家”于一身的，古往今来可能就只有牛顿一人。

牛顿用其一生追求点石成金之术，不过没有证据说明他是为了财富才炼金，我想他去炼金也应该是出于对大自然奥秘的追求。牛顿多次说过他最大的兴趣是炼金术，而且他用自己的实际行动证明了这一点，他流传下来的关于炼金方面的著述超过50万字，他在炼金方面花费的时间，相当于他在其他学科所花费的时间的总和。

但大多数人都不知道牛顿是炼金术士，主要还是因为他在这个方面没有成就，因为以当时人类对自然科学的认识，是不可能掌握点石成金之术的。

牛顿在自然科学方面到底有哪些贡献，那真是可以用多如牛毛来比喻。在物理学方面，他提出了著名的牛顿运动三定律；在天文学方面，他发现了万有引力定律（还记得那个苹果掉在牛顿头上的传说吗？苹果只是个传说，别太当真），发明了反射式望远镜；在数学方面创立了微积分；在光学方面发现了色散现象、牛顿环现象，写出了《光论》；在经济学方面，奠定了英国的“金本位”体制，牛顿是英国皇家造币局局长。

牛顿写过的一本书，李敖曾说过“牛顿其人，五百年不朽；牛顿其文，一千年不朽”就是指的这本书，书名叫作《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）。这本书代表了经典物理学的巅峰，牛顿把从远到天上的皓月星辰，近到海边的潮起潮落，一切的自然规律都纳入到这本震烁古今的《原理》中。这本书就像是神话中的魔法书，读懂了它就可以预测一切天文奇观。我们前面说过伽利略为经典力学打下了基桩，牛顿在上面构筑了雄伟的大厦，而这本书就是这座大厦的丰碑，

牛顿的绝对时空观

宇宙中充满了空间，宇宙延伸到哪里，空间就延伸到哪里。这个巨大的空间本身代表的就是宇宙的母体，处处均匀，永不移动，所有的东西，天上的星星，地上的蝼蚁，我们所居住的地球都在这个空间中运动。如果把空间本身看作是一个参考系，这个参考系就是一个‘绝对空间’，所有物体在这个参考系中的运动速度就是一种‘绝对速度’，它们就可以比较快慢了，我们会发现，原来地球的绝对运行速度比太阳的绝对速度要快。

时间是它自个儿的事情，它真实存在但又与外在的一切事务都无关，它绝对地、均匀地流逝，不与任何性质相关，任何力量都无法改变它绝对不变的频率。威斯敏斯特大教堂的钟声12点整敲响，它就是12点整敲响，不会因为你在洗澡还是在跑步而改变它12点整敲响这个本质。Tom在伦敦，Jerry在巴黎，如果忽略声音的传播时间的话，当钟声响起的时候，你们都应当听到钟声，在听到的那一刹那你们俩若有心灵感应，你们会同时感受到对方传递的感受。

牛顿的时空观符合我们大多数人的日常生活体验，因此，牛顿的这套思想体系我相信也很容易被各位读者所接受。况且，和牛顿的想法一样本身就是一件多么值得自豪的事情啊，牛顿那就是跟神一样的存在，他是当时物理界的泰山北斗，他是物理界的教皇，牛顿说出的话就像是来自上帝的启示。

然而，就在牛顿死后又过了一百多年，一系列的物理实验都得到了让人匪夷所思的结果，这些结果让物理学家如此诧异，以至于他们一次次地怀疑自己的实验设备是不是出了问题。但是所有的实验被一再地重复，而且实验结果都在无情地推翻着牛顿的绝对时空观，整个物理界都陷入了疯狂，物理学遇到了前所未有的危机。

第三章　光的速度

如果说相对论是隐藏在山谷中的桃花源的话，那么正是“光”引导着懵懂的人类拨开草丛，沿着蜿蜒的小溪进入一个幽暗的洞穴。穿出洞穴后，一切豁然开朗，桃花源就在眼前。

说相对论就必须要谈谈人类对光的传播速度的探索历程，你必须再耐着性子，压着对相对论到底是什么的强烈好奇，和我一起回顾一下人类和自然界中最普通也最神秘的光的故事。注意，这绝对不是废话，“光”是我们本书最重要的主角之一。

伽利略吹响冲锋号

在人类漫长的历史中，大家曾一度认为光线的传播是不需要任何时间的，也就是光的传播速度无限大。这非常符合我们的常识，你在漆黑的房间里面划亮一根火柴，火柴的亮光发出的一刹那，整个房间就被照亮了。

伽利略却想测试一下光的速度，做了一个伟大的科学实验。然而不幸的是，虽然有必胜的信念，但这却是一个不可能完成的任务。如果伽利略地下有知光速是30万千米/秒的话，他也只能用他的那句名言“追求科学需要特殊的勇气”来自嘲一下了。用煤油灯和钟摆计时器测量光速，无异于把比萨斜塔抱起来去测量细菌的长度，但我们仍然要向伽利略致敬，是他吹响了人类向光速测量进攻的号角。

光速测量大赛

伽利略死后又过了三十多年，也就是到了1675年左右，人类终于首次证明了光是有传播速度的。这个荣誉要授予一个丹麦天文学家，他的名字叫罗默。

罗默特别喜欢观测木星（这是最容易在地球上看到的一颗星星，很大很亮。

当年伽利略第一个发现木星原来也有卫星，而且至少有四颗。这四颗卫星围绕着木星公转，从我们地球的角度看过去有时候这些卫星会转到木星的背面去，于是就产生了如同我们在地球上看月食一样的现象，木星的卫星慢慢地消失，然后又在木星的另一侧慢慢出现。罗默对木星的“月食”现象整整观察了9年，积累了大量的观测数据。他惊奇地发现，当地球逐渐靠近木星时，木星发生“月食”的时间间隔会逐渐缩小，而当地球逐渐远离木星时，木星发生“月食”的时间间隔会逐渐变大。这个现象太神奇了。

罗默经过思考，突然灵光一现：我的天，这不正是光速有限的最好证据吗？因为光从木星传播到地球被我们看见需要时间，那么地球离木星越近，光传播过来的用时就越短，反之则越长，这用来解释木星的“月食”时间间隔不均现象真是再恰当不过了。罗默的计算结果是光速为22.5万千米/秒，已经和真相差得不远了。罗默最大的贡献在于，他用翔实的观测数据和无可辩驳的逻辑证明了光速有限，并且还精确地预言某一次木星“月食”发生的时间要比其他天文学家计算的时间晚10分钟，结果事实与罗默的预言分毫不差。从此，光速有限还是无限的争论画上了句号，整个物理学界都认同了光速是有限的。

接下来的事情就像一场比赛，大家比赛看谁能更精确地测量出光速。在这场比赛中，有两大阵营，就是天文学家阵营和物理学家阵营。天文学家用天文观测的方法来计算光速，而物理学家试图在实验室中精确地测量出光速。刚开始，天文学家一直跑在前面，毕竟光的速度太快了，在天文的大尺度范围内显然更容易观测到因为光速有限而产生的各种天文现象，但对实验物理学家来说，要想让实验的精度提高到足以测量光速，那真是比登天还难。不过，普通大众总是更愿意相信实验室中的数据，因为天文观测离我们太遥远，人们迫切地希望能在实验室中真正测量出光速来，毕竟看得见摸得着的实验设备还是更让人觉得温暖一点。

但是想要提高实验精度谈何容易，因此一直到罗默证明光速有限后又过去了一百七十多年，直到1849年，法国物理学家菲索（Fizeau，1819-1896）才想出了一个绝妙的主意来测量光速。这个点子实在是太棒了，下面我们来看看菲索的旋转齿轮法是如何测定光速的，凡是见过这套实验设备的人无不拍案叫绝。

菲索的旋转齿轮法的原理图

一束光穿过齿轮的一个齿缝射到一面镜子上，然后光会被反射回来，我们在这个镀了银的半透镜后面观察（这种镜子有种特殊的性质，就是一半的光会被反射掉，一半的光会被透射过去。这种现象一点都不稀奇的，你在家里对着窗户朝外看，如果明暗合适，就既能看到自己的影像又能看到外面的景物，这就是光的半透射现象），想象一下，如果齿轮是不转的，那么被反射回来的光原路返回，仍然通过那个齿缝被我们看到。此时，你开始转动齿轮，在刚开始转速比较慢的时候，因为光速很快，光仍然会通过这个齿缝回来。但是当齿轮越转越快，越转越快，到一个特定的速度时，光返回的时候这个齿缝刚好转过去，于是光被挡住了，我们就看不到那束光了。当齿轮的转速继续加快，快到一定程度时，光返回的时候恰好又穿过了下一个齿缝，于是我们又能看见了。这样的话，我们只要知道齿轮的转速，齿数，还有我们的眼睛到镜子的距离，就能计算出光速了。

这个实验的最伟大之处就是不再需要一个计时器，在这之前所有的实验室测量都失败的根本原因，就在于找不到有足够精度的计时器。但是你们也别以为菲索很轻松，事实上因为光速实在太快了，菲索只能不断地加大光源到镜子的距离，这样就对光源的强度提出了更高的要求，还要不断地提高齿轮的齿数，齿数太少精度也不够。就这样，在菲索不懈的努力下，终于当齿数上升到720齿，光源距镜子的距离长达8千米之遥，转数达到每秒12.67转的时候，菲索欢呼一声，他首次看到了光源被挡住而消失了，当转速被提高一倍以后，他又再次看到了光源。菲索终于胜利了，他计算出了光的速度是　31.5万千米/秒，和光速的真相已经咫尺之遥了。

当然，之后光速测量的比赛还在继续，各种各样的新方法被发明出来。

惊人的发现

菲索在实验室测算出光速的二十多年后的1873年，英国科学家麦克斯韦（Maxwell，1831-1879）出版了堪与牛顿《原理》比肩的物理学经典巨著《论电和磁》，不过这本书并不像《原理》那样一诞生就技惊四座、光芒四射。《论电和磁》刚开始的时候并未得到大多数人的认同，这也难怪，电和磁都是虚无缥缈的东西，对它们进行描述的理论总不像对小球的运动规律进行总结的理论那样让人觉得实在。麦克斯韦认为电和磁是同一种物质的不同表现形式，麦克斯韦用一组简洁优美的方程组描述出它们之间的性质和相互作用力，这个方程组叫作“麦克斯韦方程组”。

根据这一套优美的方程组，麦克斯韦预言了一种神奇的叫作电磁波的东西。麦克斯韦说：“随着时间变化的电场产生了磁场，反之亦然。因此，一个振荡中的电场能够产生振荡的磁场，而一个振荡中的磁场又能够产生振荡的电场，于是，这些连续不断同相振荡的电场和磁场循环往复，永不停歇，就像一粒石子扔入湖中产生的涟漪，电磁场的变化也会像水波一样向四面八方扩散出去，这个扩散出去的电磁场我把它叫作——电磁波。虽然我现在还无法用实验的方法证明它的存在，但我坚信它一定存在。”

很遗憾，天才麦克斯韦只活到48岁，到死也没能亲眼见证电磁波的诞生。

一位德国的青年物理学家赫兹出场了！“1888年，赫兹终于在实验室里发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。

既然电磁波是一种波，那么它的传播速度就可以用频率乘以波长算出来。频率很好办，是由实验设备的各种参数决定的，而波长也不难测，只要拿着一个感应器找到波峰（感应电流最强）和波谷（感应电流最弱）即可算出波长。赫兹没有费多大劲就拿到了波长和频率，他把两个数值一乘，得出了电磁波的传播速度是31.5万千米/秒（限于实验精度，和真实的速度有误差），一个惊人的速度。

等等，等等，我相信你和赫兹一样，看到这个数字突然觉得很熟悉。这个数字好像在哪里见过，31.5万千米/秒，31.5万，啊！这个数字不正是菲索旋转齿轮法测出的光速吗？难道天下竟有如此的巧合？这真是一个巧合呢还是说，还是说……光就是一种电磁波？赫兹被这个想法弄得兴奋不已。不光是赫兹，全世界还有很多的物理学家都因为这两个一致的数字在猜测光是否就是一种电磁波。正所谓众人拾柴火焰高，很快，大量的实验数据接踵而至，各种电磁波和光的相同特性被发现，科学界很快就达成一致意见：没错，光就是一种电磁波！

众所周知，光是一种能够在真空中传播的东西，遥远的星光穿过空无一物的宇宙空间到达我们的视线，那么这个参考系、这个介质到底是什么？

那不就是牛顿所说的绝对空间和以太吗。

既然已经知道了光相对于以太的传播速度约为30万千米/秒，那么光速就成为能证明以太存在的最佳证人。

于是，科学家构想了一个实验：我们的地球以30千米/秒的速度绕太阳公转，在宇宙空间中飞行，换句话说，我们的地球在以太中高速地飞行。如果把我们的地球想象成一艘大船，我们站在船头，就会迎面吹来强劲的“以太风”，那么通过伽利略变换和速度合成公式，我们很容易得出光在“顺风”和“逆风”中的传播速度，这两个速度显然会不一样。我们只要能用实验证明以上猜想，那么就确定无疑地证明了以太的存在。

最终的实验结果大跌所有人的眼镜，麦克尔逊的干涉仪自始至终没有观察到条纹的任何移动，干涉条纹就像被定格在了干涉仪里面，不论怎么旋转实验装置，干涉条纹都纹丝不动。本来这个实验计划要做半年，要分别测量地球在近日点和远日点时对干涉条纹的影响，因为地球在近日点和远日点的公转速度不一样。但是实验仅仅做了四天就停止了，因为实验结果如此确定无疑地表明了光速没有丝毫变化，干涉条纹根本不动，实验值和理论预测值相差十万八千里。这个实验没必要继续做下去了，一定有什么地方不对。

第四章　爱因斯坦和狭义相对论

时间终于走到1905年，后来这一年被人们称为物理学的“奇迹年”，100年后的2005年被定为“国际物理年”，全球举行了各式各样盛大的纪念活动，就是为了纪念1905年这个特殊的年份，或许人类文明史上再也不会出现这样的奇迹年了。这一年之所以被称为奇迹年，是阿尔伯特·爱因斯坦先生在这一年中连续发表了5篇论文，每篇论文都像一颗耀眼的超新星照亮了宇宙，改变了物理学的纪元。

爱因斯坦工作之余，开始他的思考：光为什么传播得那么快？因为它是一种电磁波；电磁波是怎么传播的呢？根据麦克斯韦那组漂亮的方程组可以看出来，振荡的磁场必然产生振荡的电场，而振荡的电场又必然产生振荡的磁场，如此循环下去就成了电磁波。那么，我是不是可以这样认为，电磁波的传播速度正是第一个“振荡”引起第二个“振荡”的反应速度呢？嗯，没错，这就好像一队人站成一排报数一样，听到一的人报二，听到二的人报三……

光速其实就是这个报数的传递速度，它和我们常见的小球或者火车的运动速度显然有很大不同。火车从这里运动到那里，就是火车这个实体的位置从这里移动到了那里，但是电磁波，也就是光，它的传播速度其实是“每一个报数的人，他们的反应速度”，真空充当的就是这个报数人的角色，而交替变换的电、磁场就是报出去的这个“数”。

电磁波的速度和波源的运动速度无关，也就是光速和光源的运动速度无关，让我来想象一下这是什么概念。当我朝平静的湖中扔下一颗石子，不管我是垂直地从上空扔下去，还是斜着像打水漂一样地扔过去，这颗石子产生的涟漪都应该以相同的速度在水中扩散出去。

我可不可以做这样的一个思维实验：假设我现在一个人在黑漆漆的宇宙中飞行，虽然我飞得跟光一样快，但是因为没有任何参照物，我感觉不到自己的速度，就我自己的感觉而言和静止是一样的。这时候如果我身边有一束光，或者一个电磁波，我将看到什么呢？一束和我保持静止的光吗？一个静止的电磁波吗？也就是看到一个虽然在振荡的电磁场，但是它却不会交替感应下去吗？哦，不，这显然违背了麦克斯韦的方程组，波的速度和波源的运动速度无关，虽然我在以光速飞行，不论是我自己用发生装置发生一个电磁波，还是我飞过一个电磁波发生装置，我看到的电磁波都应该是相同的，因为介质没有变。我将看到一个振荡中的电场能够产生振荡的磁场，而一个振荡中的磁场又能够产生振荡的电场，这个交替反应绝不会停下来。再想象一下报数的情况，如果我和这队报数的人都在一节火车车厢中，火车高速行驶，但是我并不能感觉到火车是静止的还是运动着的，我会看到报数人的反应速度提高了吗？这也显然很荒谬，火车跑得再快也应该跟报数人的反应速度无关，我应该仍然看到它们以同样的反应速度传递着“一、二、三……”才对啊。

这么说来，光速应该相对于任何参照系来说，都是恒定不变的。哦，我这个想法实在有点疯狂。

他拿起笔在草稿纸上写下一句话：光速与光源的运动无关，对于任何参考系来说，光在真空中的传播速度恒为c。

第二个原理：物理规律不变

在任何惯性系中，所有物理规律保持不变（相对性原理）。

爱因斯坦接受光速恒定不变这个新观念，以此为基石，继续往下推演，看看到底会得到些什么结论。不论这些结论是多么的光怪陆离，至少应该有这个勇气往下想，再奇怪的结论都可以交给那些实验物理学家们用实验去检验真伪。

小爱想出了一个例子，它后来被写入了那本广为流传的著作《相对论浅说》中，书中是这样描述的：

在铁路的路基上，雷电同时击中了相隔很远的A点和B点。我们这么想，如果有一个气象学家宣称他发现某种闪电总是能同时击中A点和B点，这时候总要提出一种实验的方法来验证他所说的对不对吧。对于严谨的物理学家来说，首先要给出一个同时性的定义，然后还得有实验

“方法能验证该定义是否能被满足，如果这两个条件没有达成的话，那么那个气象学家就是在自欺欺人了。好了，经过一段时间的思考后，你提出了一个检验同时性的方法，你说：请把我放到铁路上A、B两点的正中间的位置，然后通过一套镜子的组合能让我看到A、B两个点；如果闪电发生之后，我能在同一时刻感觉到闪光，那么这两道闪电必定是同时击中了A、B两点。于是你提出同时性的定义，就是一个人能在同一时刻感受到闪电的闪光。我很高兴你能提出这个定义，当然这个定义的前提还得加上你在A、B两点的中点上。

好了，让我们想象一下：有一列火车正在铁轨上从A点开向B点，此时，你正站在A、B两点中间的路基上。突然，有两束闪电击中了A、B两点，过了一小会儿儿，两束闪光经过相同的距离到达你的眼里，你同时看到了它们，所以你毫不犹豫地认为这两束闪电是同时发生的。但是我们再设想一下：这次你站在了火车里，正从A点开向B点。

当A、B两点被闪电击中时，你正好经过A、B两点的中点。你经过中点后，继续跟随火车向B点行进，因此在闪电光到达你眼睛之前的这点时间里，你又向B点前进（同时向A点远离）了一段距离，而因为A、B两点闪光的光速恒定不变，所以B点闪光一定会先于A点闪光到达你眼里。于是就出现了这样的结论：你认为这两束闪电以路基为参考系时是同时发生的，但是以火车为参考系时，对于火车上的你来说，却是先后发生的。

这是怎么回事呢？这说明“同时”也是相对的，当以路基为参考系时是同时发生的事情，但换成了以火车为参考系时，却不是同时发生的了，反之亦然。每一个参考系都有自己的特殊时间，如果不指明参考系，宣称一件事情同时发生是没有任何意义的。这乍一听起来似乎很荒谬，在我之前的物理学家一直都在给时间赋予绝对的意义，而我却认为这种绝对的意义与我们前面讲的那个最自然的同时性定义并不相容，如果我们能坦然地抛弃我们对时间的绝对化的概念，则真空中光速恒定不变就会变得可以理解和接受了。

时间会膨胀

首先我们先想一下什么是“时间”，怎么定义这个词。你很快就会发现这个词很难定义，在做了各种试图定义它的尝试之后，我们不得不承认，我们总是会陷入不得不用时间来定义时间的逻辑怪圈。最后会发现，借助一个外部衡量工具来描述时间，可能是一个避免落入逻辑怪圈的最好方法。

设计一个光子钟。

现在我们运用光速不变原理来看一下，由于宇宙飞船上的光子飞行的路线比我手里的光子更长了，那么也就意味着，当我手里的光子钟“嘀嗒”一次的时候，飞船上的光子钟还来不及“嘀嗒”一次呢。换句话说，当我手里的光子钟“嘀嗒”了10亿次的时候，我看到飞船上的光子钟可能只“嘀嗒”了5亿次（打个比方，不要纠结5亿次是怎么算出来的）。根据我们前面已经达成共识的对时间最自然的定义，我得出这样的结论：在宇宙飞船上，你的时间过得比我慢！

时间本身变慢了，不是任何机械的或者化学的原因，就是时间本身变慢了，与时间有关的一切都变慢了，用一个很酷很形象的说法就是——时间膨胀了。还是回到刚才那个宇宙飞船的实验，在地面上的我会看到，不光是你的光子钟变慢了，你的动作、你眨眼的速度、你的新陈代谢、你一切的一切都变慢了。

比如飞船的速度如果能达到0.99c，则γ≈7，也就是你的1年相当于地球人的7年，如果达到了0.99999c，则γ≈224，你的1年比地球人的两个世纪还长。我们不用再算下去了，因为我知道你已经禁不住开始狂喜了，哈哈哈！原来长生不老真的可以实现啊。对不起，我不得不再次粉碎你的这个长生不老梦。我的计算确实没错，如果你坐上0.99999c的飞船飞了1年后回来，地球确实已经过去了224年之久，但是对于你自己的感受来说，你真真切切的还是只活了1年，一秒钟也不会多，一秒钟也不会少。如果你的寿命是100年，你一直在飞船上飞，当你回到地球的时候，地球确确实实过去了22400年，但是对于你自己来说，仍然只能感受到你自己生命中的100年，一天也没多，一天也没少，每天仍然是24小时，1小时仍然是60分钟。

只是在走出飞船舱门的那一刹那，你看见的地球上的景物，已经隔世。你用自己的一生验证了你向前穿梭了22400年的时间。从我们地球人的眼里来看，其实你也并没有比我们潇洒多少，虽然你的1分钟相当于我们的224分钟，可是在我们眼里，你的一切动作全都变慢了，我们吃一个包子1分钟就完了，而在我们眼里，你吃一个包子却要224分钟；我们打一个响指只用1秒钟，而在我们眼里，你却花了224秒钟才慢慢腾腾地把一个响指打完。我们在地球上仰望着飞船中的你，感慨道：“噢，可怜的人啊，行动得比蜗牛还慢，活着还有什么意思呢？”

所以，很遗憾，相对论无法让你长寿。

空间会收缩

洛伦兹是电磁理论方面的大师级人物，麦克斯韦的电磁方程组在洛伦兹眼里美得不可思议，多少次在梦中都惊叹它的简洁、深刻和美。但是，洛伦兹在研究电子运动的时候，惊讶地发现，伽利略变换和麦克斯韦方程组不可能同时正确，这件事情让洛伦兹非常郁闷，伽利略变换似乎是天经地义的，但是麦克斯韦的方程组更是神圣的。经过一番痛苦的纠结，洛伦兹决定放弃伽利略变换式，麦克斯韦的电磁方程组是神圣不可侵犯的。

洛伦兹用他高超的数学技巧，通过微积分推出了一个变换式，如果用这个坐标变换式取代伽利略的变换式，就和麦克斯韦的电磁方程组不矛盾了。洛伦兹在1904年正式发表了这个著名的变换公式，被人们称为“洛伦兹变换”。

爱因斯坦想：“让我们从洛伦兹变换式出发，让我们来研究一个关于长度的问题。局长你现在到一列飞驰的火车上去，火车上有一根铁棍，我们想测量一下在我眼中铁棍的长度L和在你眼中铁棍的长度L＇有什么不同，该怎么办？在此之前，我们先来给长度做一个定义。我们只要同时读出铁棍两头在我们各自坐标系的坐标值，将两头的坐标值分别相减，得到的数值就是铁棍的长度。跟拿尺子测量是一样的，但是火车一旦运动起来，就没法实际去拿把尺子量一下了。好在我们有坐标变换公式，你只要把你读出来的坐标值记录下来，然后我们只要知道火车的速度，用公式一变换，就可以求出在我眼中铁棍两头的坐标值，完了把两个坐标值一减就可以得到长度了。把我所在地面的坐标系设为K，你所在火车的坐标系设为K＇，现在K＇正在运动，于是我们就要用到坐标变换式来求出我眼中正在运动的铁棍的长度了。假设现在的坐标变换式是伽利略变换，我们很容易就可以得到你我眼中的铁棍长度是一样的结果。就像这样：

根据定义，两个坐标值相减就是长度，但问题是，现在的坐标变换式已经不是伽利略变换了，我们刚刚推导出坐标变换式应该是洛伦兹变换，那就让我们算一下。

铁棍在运动方向上的长度缩短了！总是小于1，所以运动的物体在我们眼里会在运动方向上发生长度收缩现像。虽然洛伦兹先生也得到了长度在运动方向上收缩这个结论，但我跟他的解释不一样。洛伦兹先生认为这种长度收缩是由于某种压力效应产生的收缩，他并不是从光速不变这个原理出发的；而我的观点不一样，从我们刚才推导的过程中也可以看出来，其实不需要用铁棍打比方，用任何东西打比方都能得到同样的结果，我的结论是空间本身收缩了！就跟没有绝对相同的时间一样，也没有绝对相同的空间，牛顿先生再次错了。运动物体的收缩不是任何机械的、化学的、材料的原因，跟任何外力无关，这是我们这个宇宙的物理规律，看似空无一物的空间本身也必须当作一个实体来看待。

这样，爱因斯坦已经通过两个基本原理，推导出了同时性的相对性、时间膨胀、洛伦兹变换、空间收缩这几个推论，但他并没有停止他非凡大脑的思考活动，紧接着又从洛伦兹变换推导出了新的速度合成公式。

不论你速度多快，两个速度的合成速度最终都超不过一个c，哪怕两束光背道而驰，利用这个速度合成公式简单一算，结果最多也还是c。当然了，其实这个公式本身就是在光速不变的基础上推导出来的。但这绝不是文字游戏，这叫作物理公式的“自洽性”，也是非常重要的一条物理定律法则。

爱因斯坦整理了一下自己的劳动成果：

1．相对性原理：在任何惯性系中，所有物理规律保持不变。

2．光速不变原理：光在真空中的传播速度恒为c。

3．同时性的相对性。

4．洛伦兹变换。

“5．时间膨胀。

6．空间收缩。

7．新的速度合成公式。

爱因斯坦用5周时间把以上这些成果写成了一篇论文，题目叫作《论运动物体的电动力学》。

质速神剑

这个公式正是爱因斯坦解决超光速问题的神奇一招——“质速神剑”，通常我们也把它叫作“质速关系式”，就是说明质量和速度的关系。这个公式中m0表示物体相对静止时的质量，m表示物体以速度v运动后的质量。一看到m0旁边有我们的老朋友γ，你一定能马上反应过来，这就是说物体的运动速度越快，质量就越大。

刘慈欣在他的科幻小说神作《三体》三部曲中，描写了一个外星文明用一个玻璃弹珠大小的物体，击毁了另一个外星文明的“太阳”，其中的理论正是这个质速关系式。当“玻璃弹”的速度接近光速的时候，其相对论质量就会变得无比巨大，足以击毁一颗恒星。

非常有趣的是，爱因斯坦虽然是相对论的创立者，却并非这个名称的创造者，他自己并不喜欢这个名称，完全是“被迫”接受。在他的这个新学说渐渐受到重视，被越来越多的学者讨论时，也许是受到文章中无处不在的“相对”一词的影响，大家很自然地提出了“相对论”这个新词，并且普遍使用。时间一长，爱因斯坦也只好无奈地接受了这个新名称。

正当相对论逐渐被更多物理学家和数学家接受时，爱因斯坦本人却冷静地看到了其中的两个缺陷。是什么呢？请大家注意一下，爱因斯坦的相对性原理前半句是什么——在任何惯性系里。惯性系也就是相对静止或做匀速直线运动，但问题是，我们的生活中真的有惯性系存在吗？船在海浪中颠簸，火车要加速减速，孩子们扔出去的小球的轨迹是个抛物线……即便是我们一直把它当成惯性系的地球本身，也是在绕着太阳做圆周运动，真正的惯性系几乎找不到。而放眼宇宙，更是非惯性系主宰了我们的世界。同时，无论他如何尝试，都无法将引力纳入到相对论的理论中，新的障碍横亘在了爱因斯坦面前。然而10年后，爱因斯坦便再次做出巨大突破，将相对论极大地提升到了一个全新而更广阔的高度。于是人们把1905年的相对论称为“狭义相对论”（Special Relativity），把1915年的称为“广义相对论”（General Relativity）。

四个搞脑子问题

你以为你全都明白了，其实也许并非如此，让我来问你这么几个问题，请你思考一下：

第一个问题：

想象一下，爱因斯坦和哈勒各自驾驶着一艘同一型号的宇宙飞船，在黑漆漆的太空相遇。在爱因斯坦的眼中，哈勒的飞船开始是一个小亮点，然后越来越大，最后以高速从他身边飞过，一转眼就不见了。“爱因斯坦心里想，根据狭义相对论的时间膨胀和空间收缩效应，哈勒的时间过得比我慢，哈勒的飞船相对我的飞船缩小了。但是，让我们跑到哈勒那里，在刚才那起相遇事件中，哈勒看到爱因斯坦的飞船开始是一个小亮点，然后越来越大，最后以高速从他身边飞过，一转眼就不见了。哈勒心里也在想，根据狭义相对论的时间膨胀和空间收缩效应，爱因斯坦的时间过得比我慢，爱因斯坦的飞船相对我的飞船缩小了。亲爱的读者，请问，他们到底谁比谁的时间变慢了？谁比谁的飞船缩小了？

第二个问题：

想象一下，你即将坐上一艘亚光速飞船，告别地球上的双胞胎弟弟去太空旅行，当你弟弟看到你的飞船瞬间冲上云霄，一下子就飞得不见踪影时，他在心里想，等哥哥回来的时候，我就比他老了，哥哥会比我显得更年轻。可是，你在飞船上可不一定这么想，对于你的感觉来说，你觉得是地球载着你的弟弟突然飞离你而去了。你越想越觉得有道理，所以感慨道：“等我再见到弟弟的时候，我就更老了。”亲爱的读者，你觉得你们见面的时候，你到底是变得更年轻了，还是更老了？（双生子佯谬）

第三个问题：

“洛伦兹开着一辆亚光速飞车正在平坦的北极冰面上飞驰，他越开越快，真是爽极了。突然，车载雷达显示，前方有冰面出现了一道裂缝，裂缝的宽度刚好和飞车一样宽，情况十分紧急，到底要不要刹车？洛伦兹突然想到，啊哈，那个裂缝正相对我做着高速运动，它会在运动方向上收缩，于是会小于我的车长，我应该能顺利地冲过去。这么一想，洛伦兹心里一宽，反而踩下了油门加快速度。可是马上就要到裂缝时，一个念头突然冒出来，他吓呆了：如果裂缝里有一个人，从他的眼里看来，我正在朝他飞速运动，因此我的车子在运动方向上会收缩，我会更容易一头跌入冰缝，天哪，得赶紧刹车！可是此时已经来不及了。亲爱的读者，请问倒霉的洛伦兹先生到底有没有掉入那个冰缝中呢？（长棍佯谬）

第四个问题：

庞加莱先生正指挥着一艘潜水艇在大西洋中游弋，海里的景色真是美不胜收，看上去比数学公式要有趣得多。突然，一阵凄厉的警报声把庞加莱的思绪拉回现实。中士慌慌张张地跑来报告说一个不明物体击中了潜水艇，撞坏了深度控制箱，潜水艇正在下沉，情况危急。庞加莱不愧是久经考验的大师级人物，临危不乱，他想：只要我加快潜水艇的前进速度，那么对面的海水就会相对潜水艇做高速运动，根据狭义相对论的质速公式，海水的质量会增加，那么密度就会增加，浮力就会增大，我们的潜水艇就能顺利上浮了。当庞加莱正要发出以亚光速加速前进的指令时，他突然又想：哎哟不对，一加速，在海水看来，潜水艇的质量就增大了，我岂不是下沉得更快？庞加莱这时也无法保持镇定了，看着全体艇员焦灼的目光，大颗汗水从额角落下。亲爱的读者，请问可怜的庞加莱先生到底该不该下达加速前进的命令？（潜水艇佯谬）”

要搞清这些问题，不是我三言两语就能说得清的。请你系好安全带，我们的旅程才刚刚过半，更刺激、更惊险、更不可思议的故事和风景还在前面等着我们。犹豫什么，这就跟我继续出发吧！

想要继续看明白，找到这些问题的答案，请购买《时间的形状》一书自己弄个究竟吧。

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本书摘作者Sting发起了乐读创业社（http://ledu.omeng.co/），从2015年4月开始进行的“一周读一本书”活动，已经持续135周，欢迎参加，并阅读800多人提交的4000多篇读书笔记（http://www.jianshu.com/c/d3950a9c3431），也可看Sting的书摘笔记汇总。

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