第一章 空間和時間

想想看，什么是“空間”？“時間”又是什么？你或許會把空間描述成，寒冷冬季，當你凝視夜空時，星星背后的黑暗區(qū)域。又或許，你會指著月亮和地面間的大塊空白說，那就是空間。看！那閃閃發(fā)光、點綴著星條圖案的飛船在里面航行，它載著一個叫巴茲的光頭探險家駛向洪荒之地。而提到時間，你也許聽到了手表的嘀嗒聲，或是想到隨著太陽第五十億次向北緯傾斜中，漸漸變黃的葉子。這些都是我們對空間和時間的直觀感覺，與生活密不可分。我們立足于這藍色星球的表面，隨時光的流逝穿行在宇宙之中。

19世紀末，科學在不同領域取得突破，迫使物理學家重新審視空間和時間的直觀圖景。等到20世紀初，基于直覺的時空觀落下帷幕，它已不再扮演承載星球偉大旅程的舞臺。對此，阿爾伯特·愛因斯坦的導師兼同事赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski）深有體會，他激動地寫道：“從今往后，作為空間的空間和作為時間的時間都銷聲匿跡了，一個時空的結合體已取而代之。”這是一則著名的訃告，古老時空觀被宣判死亡。

閔可夫斯基所說的時空結合體是什么呢？想要明白這聽起來近乎神秘的說法，就需要理解愛因斯坦的狹義相對論。這個理論帶來了世界上最著名的一個方程：E=mc2。同樣也因為這個理論，符號c（也就是光速）成為解釋宇宙造化時占據中心位置的符號。

愛因斯坦的狹義相對論是關于空間和時間的理論。其核心是一個非常特別的速度。宇宙中任何東西，無論多么強大，無論如何加速，都無法超過它。這個特別的速度也就是光速，299792458米/秒是它在真空中的數值。地球發(fā)出的光以這個速度飛行，8分鐘到達太陽，10萬年穿過銀河系，200萬年抵達它最近的鄰居仙女座。與此同時，地面上最大的望遠鏡正在凝視夜空，捕獲著來自遙遠恒星的微光。這些微光在100億年前就出發(fā)了，它們從可觀測到的宇宙邊緣開始了旅程，出發(fā)時，比地球的誕生還要早幾十億年，那時地球還是一團星際塵埃，而現在那些恒星早已滅跡。光速很快，但這也不是絕對的。相對于恒星間遙遠的路程和星系間巨大的間隙，光速可是慢得令人心急；并且，在瑞士日內瓦歐洲核子研究中心，27千米長的大型強子對撞機可以把足夠小的物體加速到光速的百分之一[2]。

這個特別的速度也叫作宇宙上限速度，這是一個非常古怪的概念。盡管光在愛因斯坦的宇宙中扮演著深刻的角色，它有充分的理由能以宇宙上限速度傳播，但隨著閱讀的深入，你會發(fā)現將這個特別的速度和光速相關聯(lián)，就是一個障眼法。關于愛因斯坦的宇宙我們稍后再談。現在只需要知道當物體接近這一特殊速度時，奇怪的事情就會紛至沓來。是什么限制了物體的加速超過上限速度呢？這就好比有一個普遍的物理定律限制著汽車，使它永遠不能超過70英里[3]每小時的速度行駛，無論引擎有多強大。這和高速公路的限速不同，不需要警察來強制執(zhí)行。這是時空在建構自己時所遵循的規(guī)律，從來沒被打破過。我們應該為此感到慶幸，否則就會災難不斷。若假定光速可被超越，我們便能制造時間機器，穿越歷史，回到過去的某一時刻。比如，抵達我們出生前的某一刻，巧做安排，使得父母永遠不能相見[4]。命運悖論是科幻小說里常見的精彩情節(jié)，可是宇宙并不是這樣構建的，愛因斯坦的發(fā)現也證實了這一點。真實的時間和空間巧妙交織在一起，防止著悖論的出現。要進入愛因斯坦的宇宙，唯一讓我們付出的代價便是拋棄根深蒂固的時空觀念。在愛因斯坦的宇宙中，運動的時鐘緩慢地嘀嗒作響，運動的物體尺寸收縮變小，人們可以穿越數十億年進入未來；人的一生幾乎可以無限期地延長，直到太陽死亡，海洋沸騰，太陽系陷入永恒的黑夜；我們可以觀察到恒星從旋轉的塵埃云中誕生，行星的形成，還有創(chuàng)世之初生命的蠢蠢欲動。總的來說，在愛因斯坦的宇宙中，遙遠的未來大門敞開，過往卻被牢牢地鎖死。

愛因斯坦描繪的宇宙光怪陸離，他是如何“被迫”構建這樣的宇宙觀的呢？在本書的結尾，你會一探究竟。你還將了解到這些概念在科學實驗和技術應用中是如何一遍遍地被印證的。例如，車上的衛(wèi)星導航系統(tǒng)就證實了衛(wèi)星軌道上時間的律動與地面上的不同。愛因斯坦的觀點是激進的：空間和時間并不像它們看起來的樣子。

我們進行得有點快。我們必須回到相對論的核心，也就是空間和時間這兩個概念上來，只有對它們仔細琢磨，才能理解和欣賞愛因斯坦的重大發(fā)現。

設想你正在航行中的飛機上看書，12點鐘，你放下書，離開座位，沿著過道去找前面10排處的朋友聊天。在12點15分，你回到座位重新拿起了書。直覺告訴你，你回到了同一個地方。因為返回時你走過了同樣10排的距離，而書本仍然靜靜地躺在那里。現在，讓我們深入地思考一下“同一個地方”這個概念。這可能看起來迂腐可笑，當我們這樣形容一個地方時，指向豈不是顯而易見的事情？打電話給朋友想碰頭喝一杯時，我們可以約在酒吧里，酒吧會一直在那，就在前一晚我們離開的同一個地方，一動不動地等著我們。乍一看，本章開頭的許多內容都顯得可笑。盡管如此，我們還是要堅持下去。這樣，我們才能跟上亞里士多德、伽利略、牛頓和愛因斯坦的步伐，對這些顯而易見的概念進行思索。如何準確地定義“同一個地方”呢？我們已經知道如何在地球表面做到這一點：地球儀表面畫有一組網格線，即緯線和經線。地球上任何一地方都能用兩個數字標示出在網格上對應的位置。例如，英國的曼徹斯特市位于北緯53度30分，西經2度30分。有了這兩個數字，沿著赤道和格林尼治子午線，我們就可以輕易地找到曼徹斯特。接著，通過類比，還可以建立一個巨大的三維網格，來確定任意一點的位置。想象一下，網格可以從地球表面向上，往空中延伸；向下，穿過地心到達地球的另一邊。基于這張網，空中飛禽、地面建筑和地下巖石都可被準確定位。假如網格從我們生活的世界繼續(xù)向外延伸，掠過月球，經過木星、海王星和冥王星，再穿越銀河系，達到宇宙最遙遠的地方，它便可以包羅萬物，為萬物標定位置。用伍迪·艾倫的話來說，如果你是那種永遠記不起東西放哪的人，這非常管用。總之，這張大網是萬物運行的舞臺，是裝著宇宙的巨大盒子，我們不妨叫它“空間”。

讓我們回到飛機上，繼續(xù)探討“同一個地方”是什么意思。在飛機上，你可以說12點和12點15分你在同一地方。可對于一個坐在地上看飛機的人，情況并非如此。當飛機以600英里每小時的速度飛過頭頂，他會說在12點到12點15分之間你已經移動了150英里。也就是說，12點和12點15分，你處在不同地方。誰是對的？誰是運動的，誰又是靜止不動的？

如果你答不出來這個看似平常的問題，別擔心，很多人有同樣的苦惱。古希臘圣哲之一亞里士多德都完全搞錯了。他會毫不含糊地說，是你——飛機上的乘客——在運動。亞里士多德認為地球是靜止的，它的外面是55個同心的水晶球面，像俄羅斯套娃一樣層層套在一起。太陽、月亮、行星和恒星附著在這些水晶球面上圍繞著地球旋轉。他展示了一個順應直覺的空間，裝著地球和水晶球殼的盒子或舞臺。這幅宇宙圖像只由地球和一組旋轉球殼組成，讓現代人聽起來很可笑。但是稍做思考，你會得到什么宇宙圖像呢？前提是你尚未被告知地球繞著太陽轉，也不知道恒星是遠處類似太陽的星體，其中一些甚至比太陽亮幾千倍，只是相距太遠，有數十億英里。你肯定也難以想象地球是在一個巨大的宇宙中流浪的星體。現代宇宙圖像是通過幾千年的實驗和思考形成的，來之不易，而且常常違反直覺。若非如此，像亞里士多德這樣的舊時代偉人早就自己解開謎團了。因此，如果你覺得本書中的每一個概念都很難理解，那么請記住：古代最偉大的思想家也有同樣的感受。

現在讓我們暫時接受亞里士多德的解答，看它會得出什么結果，從而找出其中的漏洞。亞里士多德認為人們可以用以地球為中心的虛擬網格線來填充空間，借此來確定萬物的位置和運動狀態(tài)。如果空間是一個盒子，裝滿物體，地球被固定在它的中心，那么飛機上的你很明顯已改變了位置，而看著你飛過的人靜止地站在地球表面，在空間中一動不動。也就是說，這個假設中絕對運動是存在的，相對應的絕對空間也因此存在。如果一個物體隨著時間的流逝改變了它在空間中的位置（以地球為中心的假想網格就可以把運動測出來），它就被認為處于絕對運動的狀態(tài)。

問題來了，地球并不是靜止的，也不是宇宙中心，它是一個圍繞太陽公轉的球體。地球正以67000英里每小時的速度相對太陽運動。從上床睡覺到早晨起床，8個小時內，你已經走了不止50萬英里了。你可能會說，當地球用大約365天時間完成繞太陽一周的軌道運動時，你的臥室就回到了空間中完全相同的地點。因此你決定把網格的中心放在太陽所在的位置，這樣稍做修改就保持了亞里士多德觀點的精髓。這個想法很簡單，但還是錯了，因為太陽在以銀河系為中心的軌道上。我們身處的銀河系是一個擁有超過2000億個太陽的島嶼，大得超乎你的想象，轉上一圈可需要不少時間。而太陽距離銀河系中心156000萬億英里，以48.6萬英里/小時的速度繞其運行，完成一周需要2.26億年。因此不得不進一步移動網格的中心，來嘗試拯救亞里士多德的觀點。把網格的中心放到銀河中心呢？你可以想到：上次地球經過你在床上所躺的這個位置時，一只恐龍正在清晨的陰影里吃史前的葉子。事實上，星系正在彼此飛離，距離我們越遠的星系，飛離的速度越快。所以把銀河系作為中心的空間也難以描述。總之，在包含無數星系的宇宙中，想要精準地錨定我們的運動狀態(tài)確實非常困難。

物體“靜止不動”的這種狀態(tài)無法被準確定義，這正是亞里士多德體系的問題。也就是說無法給他的網格系統(tǒng)找到一個中心，以此為原點確定物體的位置和它們的運動狀態(tài)。亞里士多德本人卻從未受到這個問題的困擾。因為在之后的2000年中，他所倡導的地心說[5]也從未受到過嚴重的挑戰(zhàn)。或許早該有人提出疑問，但正如我們前面所說的，即使對于最偉大的思想家，看透本質也絕非易事。公元2世紀，在埃及亞歷山大圖書館工作的克勞迪斯·托勒密斯（Claudius Ptolemaeus），也稱托勒密（Ptolemy），他是一個細心的夜空觀察者，五顆在空中運動相當奇怪的星星讓他感到憂心忡忡，這五顆星星又叫“游蕩的星”，而“行星”一詞就起源于此。通過數月的觀察，他發(fā)現行星并不沿一條平滑路徑穿行于星空，反而會迂回前行。這種奇怪的運動被稱為“行星逆行”，事實上，這早已為人所知，比托勒密早了幾千年的古埃及人將火星描述為“向后移動的行星”。托勒密深信亞里士多德的地心說。但是為了解釋行星逆行，他不得不將行星安置到不以地球為中心而旋轉的更小輪軸上，再把這些輪軸安置在繞地球旋轉的球殼上。這個模型能夠解釋行星在夜空中的運動，卻相當復雜，更談不上優(yōu)美。直到16世紀中葉，尼古拉斯·哥白尼（Nicholas Copernicus）才提出了更為正確而美妙的解釋，即地球并非靜止在宇宙中心，而是與其他行星一起繞太陽運行。哥白尼的作品飽受批評，直到1835年才從天主教會的禁書名單中移除。通過第谷·布拉赫（Tycho Brahe）的精確測量和約翰內斯·開普勒（Johannes Kepler）、伽利略（Galileo）和牛頓（Newton）的大量工作，才終于證明了哥白尼的理論是正確的。這些工作還促進建立了以牛頓力學定律和萬有引力為基礎的行星運動理論。在1915年愛因斯坦的廣義相對論問世之前，這些規(guī)律很好地解釋了從炮彈到行星，再到旋轉星系在內的所有重力作用下的物體運動。

人們對地球和行星的位置以及它們在天空中運動狀態(tài)的觀點不斷改變，這為所有對自己的認知深信不疑的人上了一課。乍一看，許多事情似乎不言而喻，例如，當我們不動時，就認為自己是靜止的。而未來某天的觀察總能讓我們大吃一驚。或許不應該太驚訝大自然有時會違反我們的直覺，畢竟我們只是類人猿后代中比較善于觀察的一支，拖著碳水構成的血肉之軀漫游在一個巖石堆積的行星表面。而這顆行星所圍繞著的一個恒星又是銀河系邊緣最普通的一顆中年恒星。事實上，本書中所給出的時空理論也僅僅是為更加深奧的理論提供近似的初步探討。科學是一門擁抱不確定性的學科，認識到這一點是取得科學成功的關鍵。

在哥白尼提出日心說宇宙模型后的第二十年，伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）出生了。他對運動的定義進行了深刻的思考。盡管他的直覺很有可能和我們一樣：地球在腳下靜止不動。然而，行星在天空中運動的有力證據表明事實并非如此。伽利略偉大的洞察力讓他從這個看似矛盾的現象中得出一個深遠的結論。感覺上，我們是靜止不動的，內心卻知道我們在繞太陽運動。不可能有辦法提出一個準則決定什么是靜止的，什么是運動的。也就是說，只有相對于其他物體時，談論運動才有意義。這是一個非常重要的想法，又似乎是明擺著的事情，但要充分理解它的內涵需要做些思考。很明顯，當你在飛機機艙里讀書時，書就在你手里，你把它放在桌子上，書就會和你保持固定的距離，書相對于你并沒運動。對于地面上某個人，這本書卻是隨著飛機在空中運動的。伽利略真知灼見的真正意義在于，這是唯一可以成立的解釋。當你描述書本是如何運動時，只能描述為它是如何相對于你運動的，是如何相對于大地、太陽、銀河系運動的，總是需要相對于其他某個物體運動的，那么絕對運動便是一個多余的概念。

這聽起來像算命先生的禪語。然而，結果表明這是偉大的洞見，伽利略絕非徒有虛名。為說明伽利略工作的重要意義，我們首先建立一套能判斷物體是否處于絕對運動狀態(tài)的亞里士多德網格系統(tǒng)，進一步看它是不是一套有效的科學理論。有效的科學理論可以預測可觀察的結果，能夠通過實驗測量得到驗證。在這里，“實驗”指的是對事物的測量，如，測量鐘擺的擺動，測量燃燒的蠟燭火焰發(fā)出的光的顏色，或者測量歐洲核子研究中心大型強子對撞機中的亞原子粒子的碰撞（我們稍后再討論這個實驗）。如果從一個科學觀點不能得出可觀察的結果，那么無論它多么迷人，都不是理解宇宙運作的必要理論。

在一個充斥著各種各樣想法和觀點的世界里，這種方法行之有效，它可以把正確的觀點選出來，就像把小麥從麥殼里揀出來一樣。哲學家伯特蘭·羅素（Bertrand Russell）曾用中國茶壺打比方來說明，堅持那些沒有可觀測效果的概念是徒勞的。羅素聲稱，他相信在地球和火星之間有一個中國茶壺在運行，它太小了，無法被現有最強大的望遠鏡發(fā)現。如果人們建造了一個更大的望遠鏡，并對整個天空進行了長時間的仔細觀察，仍沒有發(fā)現茶壺存在的證據，羅素會說茶壺比預想的要小一些，但仍然存在。這是我們通常所說的“移動的球門門柱（moving the goalposts）”[6]。但羅素接著說道：“盡管茶壺可能永遠不會被觀察到，對于懷疑它存在的人來說，‘存在一個茶壺’仍然是一個‘無法容忍的假設’。”事實上，無論多么荒謬，其他人應該尊重羅素的立場。羅素并不是主張他有權獨自妄想，而是說，一個無法通過觀察來證明或反駁的理論是毫無意義的，因為無論你對它多么的深信不疑，它卻什么也教不了你。為了理解宇宙，你可以發(fā)明任何自己喜歡的理論，但如果這些理論無法被觀測或者導致可以被觀測的結果，那么它們就是非科學的。依據這樣的邏輯，如果能夠設計出一個實驗來驗證絕對運動的觀念，那么絕對運動的概念將具有科學意義。例如，我們可以在一架飛機上建立物理實驗室，通過對所能想到的物理現象進行高精度的測量，進而再一次挑戰(zhàn)有關運動的問題。架設一個鐘擺，測量它擺動的時間，利用電池、發(fā)電機和電動機進行電學實驗，或者觀察核反應并對核輻射進行測量。如果空間足夠大，我們可以在飛機上進行人類歷史上所有的實驗。本書的一個核心觀點是如果飛機沒有加速或減速，無論在上面做任何實驗，結果都不能告知我們的運動狀態(tài)。即使往窗外看也沒有用，因為可以這樣說，我們站在窗前靜止不動，而地面卻從身邊以600英里每小時的速度飛過。能得到的結論是“相對于飛機我們是靜止的”，或者“相對于地面我們是運動的”。絕對運動并不存在，因為它不能被實驗測量。這就是伽利略的相對性原理，現代物理學基石之一。對我們來說，這事并不為奇，因為我們已有了相對運動的直觀經驗，例如，如果你坐在靜止的火車上，旁邊站臺的火車緩緩駛出車站，也許一瞬間，你會感覺到好像自己在移動。我們很難檢測到絕對運動，因為它并不存在。

這種相當哲學的思考得出了一個有關空間性質的深刻結論，我們向愛因斯坦相對論邁出了第一步。從伽利略的論證可以得出關于空間的什么結論呢？這個結論是：如果不能檢測到絕對運動，那么用來定義“靜止”的特殊網格就沒有價值，因此，絕對空間也沒有意義。

讓我們更進一步研究這一重要認識。我們已經確定，如果可以定義一個覆蓋整個宇宙的亞里士多德特殊網格，那么相對于該網格的運動即是絕對運動。我們認識到，特殊網格的想法應該被拋棄，因為不可能設計出一個實驗能來確定我們是否在運動，也無法確定網格應該被固定在什么位置。如果沒有亞里士多德的特殊網格，那么我們應該如何定義一個物體的絕對位置？我們在宇宙中的什么地方？這些問題就毫無科學意義。唯一能確定的是物體的相對位置。也就是說，無法在空間中確定物體的絕對位置，促使我們認定絕對空間沒有意義。把宇宙想象成一個包含運動物體的巨大盒子，是無法被實驗所證實的。以上分析非常重要，值得一再強調。偉大的物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）曾經說過，無論你的理論多么美麗，你多么聰明，還有你是誰，只要它們與實驗不符，那就是錯誤的。這是科學的關鍵。反過來說，如果一個概念不能通過實驗來檢驗，那么它的對錯就無從判斷，也沒有意義。當然，我們仍然可以假設這個不可測試的想法是正確的。這樣做帶有偏見，具有阻礙未來進步的風險。所以，既然沒有辦法來確定亞里士多德網格，我們不如從絕對空間和絕對運動中解放出來。那又會怎樣？接下來我們會在第二章中發(fā)現，從絕對空間的重擔中解放出來對下一個世界的愛因斯坦發(fā)展他的空間和時間理論起到了至關重要的作用。現在，我們已經從絕對空間中獲得自由，但我們還沒行動起來。為了激起讀者的興趣，這里提前透露一下，如果沒有絕對空間，兩個觀察者就沒有依據就一個物體的大小達成一致。如果我說隨著絕對空間的消失，“一個球的直徑是4厘米”這么板上釘釘的事情，也變得不確定了，你一定會驚掉下巴。

至此，我們已經詳細討論了空間和運動的聯(lián)系。那么，時間呢？事實上，時間已經進入我們的思維。用來描述運動的速度可以用英里每小時來衡量，或者用在特定的時間間隔內運動的距離來定義。那么有什么關于時間的說法嗎？我們是否可以做實驗來證明時間是絕對的，或者是否應該拋棄時間這個更加根深蒂固的概念？伽利略摒棄了絕對空間的概念，但他的理論根本沒有觸及絕對時間的觀念。他仍認為時間是絕對的，絕對時間是指完美的時鐘可以在宇宙的任意角落嘀嗒嘀嗒地同步運作。飛機上的時鐘、地面上的時鐘、太陽表面上的時鐘（需要足夠堅固），還有一遙遠星系的軌道上的時鐘，若能正常計時，它們將永遠顯示相同的時間。令人驚訝的是，這個看似顯而易見的假設與伽利略所說的——沒有任何實驗可以告訴我們是否處于絕對運動狀態(tài)的說法，是直接矛盾的。更難以置信的是最終摧毀絕對時間的證據，竟然來自中學物理課上，與電池、電線、電機和發(fā)電機有關的實驗。為了擯棄絕對時間這一概念，我們必須要進入19世紀——發(fā)現電和磁的黃金時代。

[2]光速并非快不可及。

[3]1英里約等于1.6千米。

[4]類似于祖父悖論。

[5]多個球體環(huán)繞靜止的地球進行旋轉。

[6]“moving the goalposts”，表達此行為有失公允。