第7章 相对论物理学
7.1 重论时空
相对论是研究物体运动的科学理论，为了更好的描述运动，我们将重新探索时空的本质。在这里，我们讨论的不再是哲学意义上的时间和空间，而是物理学意义上的时空。一张地图能否为我们指示正确的方向，不在于地图上每一个点的绝对大小是否合理，而在于地图上各个点之间的相对位置是否准确。同理，我们能否正确认识时空，也不在于我们能否通过自然语言表述时空的定义，而在于我们能否通过时空的物理测量手段，厘清时间、空间和运动之间的相互关系。
按照经典力学，速度被定义为运动物体在单位时间内通过的空间距离。然而，狭义相对论却告诉我们，当物体高速运动后：时间变慢了，空间压缩了，唯有光速却始终保持不变。为何上帝如此偏爱光速？相对论最不可理解的问题恰在于此！按照速度的定义，它只是空间和时间的比值，只是时空概念的衍生物，所以自然应该先有时间和空间的概念，才能产生速度的概念。然而且慢，如果我们仔细探究一下时间和空间的测量方式就会发现：三者的关系将要发生一系列微妙的变化。
我们不用解释什么是时间，因为时间理应是一个不释自明的概念。但请尝试思考如下问题：什么叫1秒？在过去，秒的定义是一个小时的1/3600，而一个小时是地球自转一周所用时间的1/24。不过，现在秒的概念有了全新的定义，它是铯133原子能级跃迁周期的9192631770倍。毫无疑问，秒的定义之所以会发生改变，是因为后者的定义方式更加精确。但无论是新定义，还是原有的定义，时间的定义都是某种周期性运动的倍数。
当我们说汽车绕城走一圈需要4个小时的时候，实际上是在说在汽车绕城一周的过程中，地球自转了4÷24周；或者说在汽车绕城一周的过程中，铯原子能级跃迁发生了4×3600×9192631770次。
显然，如果我们不通过运动速度来定义时间，时间就失去了意义。从这个意义上讲，速度不再是时间和空间这两个概念的儿子，反倒成了时间这一概念的母亲。即使我们不用周期性运动作为标准，也需要以另一种运动为标准，但是如果这种运动没有循环往复的周期性，我们何以知道相邻的两个时间段是相等的呢？假如我们采用了某种匀速直线运动为标准，规定物体每经过一定的空间距离就需要消耗1秒的时间。虽然原则上这样处理没有任何问题，但是，如果我们采用这样的方式定义时间，就必须借助一定的空间长度作为时间定义的标准，而这又意味着时间概念成为了空间概念的儿子。况且，在时空定义出现之前，我们又何以知道这个物体的运动一定是匀速直线的呢？
通过上述分析不难发现：虽然在哲学层面上，时间是一个像数轴一样的基本概念；但在物理层面上，它却只能是一种运动和另一种运动的比值。当时间作为一个基本概念出现时，你会觉得时间随着运动速度的增加而变慢的说法是不可思议的。但是当你知道时间本身只是两种运动速度的比值时，还会产生这样的感觉吗？
接下来，我们再讨论空间，让我们思考一个类似的问题：什么是1米？为什么地球的周长恰好是4万千米呢？原来，这与米的最初定义有关，米最初被定义为通过巴黎的子午线北极点到赤道长度的千万分之一。从北极点到赤道的长度恰为地球周长的四分之一，因此，我们也可以认为米最初被定义为地球周长的四千万分之一，因此地球周长四万千米不是偶然的，它是人为约定的结果。由于测量地球周长实在是太不方便了，于是人们用一些合金制作了国际米原器，这曾是世界上最标准的米尺。
与时间的定义不同，空间的定义最初和运动没有任何关系。无论是地球的周长还是国籍米原器，都可以抽象的看作一个形状不变的固体。如果我们以这个固体的长度为标准，其他物体的长度与这个固体长度的比值就可以视作物体长度的数值。这样看来，空间原本是一个与时间和速度无关的基本物理量。然而，由于光速不变已经成为了科学界的共识，2019年，米的最新定义被修正为：光在真空中行进1/299 792 458秒的距离。这个定义意味着，空间的概念成为了时间概念和光速概念下的子概念。什么原因使米的定义发生了改变？除了光速不变原理之外，恐怕还与固体本身的性质有关，无论是地球的周长，还是国籍米原器的长度，恐怕都不能永远保持不变。
以国籍米原器为例，我们姑且不考虑风化磨损这些外在因素，仅仅固体热胀冷缩的性质就很难被完全忽略。虽然我们可以人为规定，必须在室温和一标准大气压的环境下米原器的长度才是1米。然而，这不就意味着空间的定义必须依赖于温度和压强的定义吗？虽然温度可以视作一个基本物理量，但是压强却不是一个独立的物理概念。压强是压力与面积的比值，而面积又是长度和宽度的乘积。我们在确定长度的单位前，即不知道什么是米，又不知道什么是平方米，又怎么可能预先知道什么叫一个标准大气压呢？从本质上讲，放弃原有的空间长度定义的根本原因在于：固体长度不变这个假设并不成立！
今天我们都知道，绝大多数物体都有热胀冷缩的性质，因此温度对物体长度的影响同样是不能忽略的。然而，一个有趣的问题在于，人类为什么会发现热胀冷缩这一普遍规律呢？乍看上去这个问题似乎非常简单，只要在温度不同的条件下对同一物体的长度做出测量不就知道了吗？然而，如果你真去这么做了，结论一定会让你大吃一惊。
假设我们用一把木尺分别在冬天和夏天测量同一根木棍的长度就会发现：木棍根本不存在热胀冷缩的特性！为什么？因为虽然木棍的长度发生了变化，但由于木尺也是使用同样的材质制作而成的，木尺以及木尺上的刻度都会与木棍发生等比例的缩放。因此，我们在任何温度下用木尺测量木棍，都会发现木棍的长度保持不变。此时，如果我们用木尺去测量一根钢管的长度，还会发现：钢管的长度似乎会冷涨热缩。这是因为：虽然钢管同样发生了热胀冷缩的效果，但是钢管伸缩的比例很小，而木尺伸缩的比例却很大，因此通过木尺测量钢管的结果就是，钢管会热缩冷涨。反过来，如果我们使用钢尺测量钢管，也会发现钢管的长度不会随温度变化而变化，木棍的长度则会热胀冷缩。总之，无论用哪一种材质做尺子，我们都不能准确的得出所有固体都是热涨冷缩这一规律。
当温度增加时，如果包括尺子在内的所有固体的尺度都增加了，我们还能以什么为标准来判断呢？当然，具体的办法还是有的，我们可以通过隔热或非接触的方式来测量，只要在测量过程中始终保持尺子的温度不变即可。但这一问题的关键并不在于我们有没有办法测量，而在于我们是否会意识到热胀冷缩这一问题的存在！由于这一变化并不明显，所以很长时间内不会有人注意到尺子的微妙变化，就像有史以来很长的时间内，色盲的人群都不会发现自己色盲一样。
通过上述分析可以发现，如果依靠固体形状不变这一性质来测量空间的尺度，不仅测量的结果是不准确的，甚至通过这种测量发现的物理规律都是不可靠的。
尽管从表面上看来，空间的测量似乎非常简单，但实际上它却比时间的测量困难的多，宇宙中各种物质内部存在大量周期性的运动，几乎随意选择一个都可以用作时间的标准。然而，宇宙中却没有哪个物体或者组成哪种物质的基本粒子的空间尺度是永远不变的：星系的尺度不是固定的，恒星行星的尺度也不是固定的，原子的尺度不是固定的，甚至质子、中子、电子的尺度也是不固定的。从宏观到微观，只要有一个物体的尺度永恒不变，我们就可以以此为标准，用作空间的定义。
比如在我们常见的手机或电脑屏幕上，像素是组成每一块屏幕的最小单位，像素大小不会因为屏幕上显示的内容不同而发生变化，而且在任何一块屏幕上，像素都呈矩阵状均匀分布着，所以像素就可以成为衡量电子屏幕尺寸的基本单位。遗憾的是，宇宙空间和电子屏幕完全不同，它不是由某一种基本微粒组成的，更不会有屏幕上那样均匀的矩阵格子。无论是在宏观世界还是微观世界里，我们都找不到任何一个尺度不变的物体！为什么所有物体都没有固定的空间尺度呢？答案只有一个：空间不是一个独立的物理量，大小和形状也不是物体的本质特征，它只是物体在运动变化的过程中表现出来的一种现象。
从宏观的角度来讲，一个恒星系的尺度大小主要取决于恒星的质量和行星的动能，恒星的质量越大，对行星的引力就越大，星系的尺度就越小；反过来，行星的动能越大，其运行的周长和半径也就越大，星系的尺度就越大。从微观角度来讲，一个原子的尺度主要取决于原子核的电荷数、核外电子数目以及核外电子的能量级数，电子越多，电子的能级越高，原子总体的尺度就越大。那么，我们为什么不直接指定某一种原子在某个能级下的直径作为长度的标准呢？因为按照量子力学的解释，电子在运行时根本不存在确定的轨道，它只是按照一定的概率，随机出现在原子核附近的某个范围内，这就意味着任何原子都没有一个确切的直径。同时，由于测不准原理的存在，比原子尺度更小的那些基本粒子，我们也只能模模糊糊的测算出一个大致的空间范围，而不能绝对精确的测出它们的具体大小。
通过上述分析不难发现，所谓的空间尺度，不过是质量、能量、电量之间所形成的一种微妙的平衡关系。总体而言，一个物体的质量和电量是相对稳定的，因此在一定条件下，物体内所含的能量越高，尺度就越大，能量越低，尺度就越小，这也就是热胀冷缩现象的本质原因。
有时候，我们对一个事物越是不了解，就越会用最简单最直白的方式去理解它，比如我们把晚霞想象成天女织就的绸缎，我们把银河系现象为天上的河流，我们把雷电想象为上天在发怒。所有这些绝不仅仅是某一个古老民族的偏见，在几千年的历史长河中，类似的观点几乎成为了所有民族的共识。基于同样的原因，牛顿把时间和空间想象成了与一切外物无关的稳定的存在，时间如数学一般均匀流逝，空间如几何图形一样稳恒不变。与那些古老的传说类似，这样的观点也绝不是牛顿个人的见解，它只是说出了近代时期全人类的共同心声。
今天，我们必须承认，我们无法看到空间，我们也无法感知时间，我们所能看到的只有具体的物体，我们所能确切感知的只有物体的运动，因此时空只能通过运动来定义，也必须通过运动来描述。于是，我们就从一切运动中找到了一种相对稳定的速度光速，并以此为标准开始了时空的测度。
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