老板给我来套煎饼果子:《时间的形状：相对论史话》

《时间的形状：相对论史话》

正文 第1节：前言(1)

    前言

    我可以保证，这是一本很有趣的书。这本书完全不同于传统意义上的科学知识普及类图书，这本书更像是一本可以用来当做茶余饭后休闲翻阅的书，就像阅读一本有意思的小说。在这本书里面，你会看到很多极富想象力的小故事：牛顿带着Tom＆Jerry来到一个大水桶里面观看神奇的水面凹陷；爱因斯坦化身大警长先是调查了一起环球快车谋杀案，然后又要奔赴云霄电梯处理可怕的超级炸弹，最后又在太空中建造了一个超级大圆盘以展示他那神奇的时空观。虽然这一切看上去都不像是正儿八经的科学知识，但我可以很负责任地告诉你，这些故事里蕴藏着我们这个世界中你所不知道的惊人秘密，都是些很靠谱的科学真相。很多科学真相用“不可思议”来形容是一点都不过分的，你平常之所以感受不到物理学的神奇，那是因为没有人告诉你普通物理现象背后隐藏的秘密。现在的高中生都会在实验室里面做一个观察光的双缝干涉图像的实验，这是一个普通得不能再普通的高中光学实验，可是却从来没有人告诉我们这个实验背后隐藏着的惊天大秘密，这个秘密足以撼动以爱因斯坦为代表的一代科学家们苦苦建立起来的物理学信仰。一个简单的光学实验，如果你了解了它藏在最深处的本质，你会惊讶地发现，这个世界不再是我们头脑中原来的那个世界了，我们脑袋中很多朴素的哲学观念，例如物质决定意识，原因决定结果等等都将受到空前强烈的冲击。而且，我确确实实是在讲科学，不是在讲神学或者宣扬神秘主义。

    我们这本书基本上可以分为上下两部分，上部和大家一起回顾物理学走过的300多年坎坷历史，这段历史中的悬念，其精彩程度不亚于任何一段战争史，因为物理学的发展本身就是一部精彩的好莱坞悬疑大片。在伽利略、牛顿等巨星纷纷谢幕之后，我们的超级巨星爱因斯坦闪亮登场，而他成为我们的主角的时候不过26岁，他就像是一个横空出世的大侠，无门无派，但是一出手就让天下震惊，他的绝招就是“相对论”，这是我们这本书上部的主题。中间的第六章是跨越半个多世纪的厚重和真实的历史故事，这个故事尘封已久，现在的很多年轻人甚至都不敢想象这就是发生在离我们生活的时代如此之近的故事，但我想告诉大家，真相往往比小说更惊人。最后四章是本书的下部，我可以非常自信地告诉大家，下部比上部更精彩，结构更宏大，故事更神奇，真相更惊人。在下部中，我将为你细致地剖析时空的真相，带你领略神奇的四维时空奇景。我们先一起去了解整个宇宙的终极图景，然后再回到原子的深处见识一下不可思议的微观世界，最后看一看当下物理学的最新进展——万物理论。你只要随便记住其中的一两段，就能让你在平时和朋友们的吃饭聊天中大放异彩，只是要当心别聊得兴起忘了吃菜，不要发生总是发生在笔者身上的悲剧：话讲完了，菜也被别人吃光了。

正文 第2节：前言(2)

    看完这本书，你对这个世界的看法一定会大大改观。潮起潮落，斗转星移，这些平常司空见惯的大自然现象会突然在你眼里产生完全不一样的意义。当你晚上抬头仰望星空，看着夜空中的皓月星辰，宇宙在你眼里将会换成另一番景象，过去的宇宙一去不复返了，一个崭新的宇宙观将在你的头脑中建立起来。

    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？

    看完这本书，你将不再对以上这些问题感到疑惑，不但不会疑惑，你还可以很自信地给你的亲朋好友解答他们心中同样的疑惑。

    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，这是上个世纪人类对这个宇宙秘密最深刻的一次发现，这个理论可以解答你心中无数的疑惑。你可能还是感到茫然地在看着我：“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满大街都可以看到的常用小电器了，我估计很多读者都有一个车载的，或者手机里面就有一个。我告诉你，如果没有相对论，那么这玩意儿可就会出大问题。因为根据相对论，卫星上面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，而是因为时间本身真正的变慢了。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公里（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，这些数字全靠有了相对论才能那么精确地计算出来。

    “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的时钟和地面上的时钟的误差到底是多少。相对论还有很多很多的推论，小到推测水星的运行轨道、在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。“神奇！”你再次惊呼一声，“不过你越说越玄乎了，我还是有点不信，你先别说得那么远，你前面说啥来着？时间本身变慢了？这个太让我难以理解了。在我眼里时间本身是均匀流逝的，我们感受的所谓快慢无非是我们自己的感觉在变化，即便是你的表和我的表走时不准那也不是时间本身不准，而是我们的手表精度不够造成的。中午12点整开饭对任何人来说都是12点整开饭，这是一个客观事实摆在那里，不会因为我用的是一块真的劳力士还是一块山寨劳力士而改变。”坦诚地说，我非常理解你的这种想法，并且，我还要恭喜你，你的这个思想和伟大的牛顿是一模一样的。但非常遗憾，这个想法错了，真的错了。

正文 第3节：前言(3)

    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100多年来人类最伟大的两个理论之一（还有一个是量子理论，那又将是一个长长的激动人心的故事，推荐阅读《上帝掷骰子吗？量子物理史话》，作者曹天元），诺贝尔物理学奖是不足以来评价相对论的伟大的。如果上帝真的存在的话，上帝过去总是说：“人类一思考，上帝就发笑。”人类有了相对论之后，上帝改口了：“人类一思考，上帝就发慌。”

    我们对相对论的误解实在是太多了。大多数人都觉得相对论很神秘、很深奥，是大科学家才能理解的东西。这种误解来源于一个广为流传的关于相对论有多难懂的故事，说的是一个记者问天文学家爱丁顿：“听说全世界总共只有三个人能懂爱因斯坦的相对论，您是其中之一，是不是这样？”爱丁顿一时沉默了，正当记者以为爱丁顿要反驳的时候，没想到爱丁顿说：“我正在想另外两个人是谁。”我估计当时这个记者就震惊了。不管这个故事是真是假，总之给我们的一个印象就是相对论很难懂。但是大家千万不要忘了，这个故事发生在100多年前的1906年，那时候相对论刚刚被爱因斯坦用严谨的数学语言描述出来，对那个时代的人来说确实是很难理解的。不要说相对论了，你想象一下如果你回到乾隆年间，对大知识分子纪晓岚说随便找一个三角形的东西，把三只角割下来拼在一起，不多不少，总是恰好能拼出直直的一条边。

    （图0-1：把三角形的石桌的三个角割下来拼在一起，必定可以得到一条直边）

    铁齿铜牙的纪晓岚一开始肯定不相信，真的去找了一些三角形的物件来，一验证，发现完全正确，即便是我们的大知识分子，纪晓岚也会表示这个现象很神奇。但要是在现代，随便找一个初中生就能给你证明三角形的内角和是180度，他会告诉你这是一个很简单的几何常识。

    同样，相对论的一些基本原理和概念对我们现代人来说，也一点都不高深，不神秘，很好懂，关键在于你是不是愿意听我娓娓道来。

    在正式开始我的叙述之前，我很想把我刚刚在网上看到的冷笑话讲给大家听，当然，你也可以直接跳过这部分从第一章开始看起，这并不会影响你对本书的理解。

    新闻报道：

    ※今年60岁的黄其德是宁乡县金洲乡箭楼村一名地道的农民。这位只有高中学历的农民，在对爱因斯坦的相对论进行了20多年的独立研究后，对这一著名理论产生了质疑和挑战，并做出了近30万字的论述，引起了有关专家学者的关注。

    ※天津农民称其证明相对论有错：“我已经证明出，从牛顿第一，二，三定律到爱因斯坦的相对论都有错！”说这些话时，“草根科学家”闫赤元眼神中闪烁着的一种光芒，让那 张饱经沧桑的面孔顿时有了生气。

    以上只是网上能搜到的众多反相对论的“民科”案例中的两例，如果你觉得这一点都不冷，OK，给你看几段真正冷的：

正文 第4节：前言(4)

    ※“世界文明的异化和倒退，人类社会伦理的堕落，虽然不能说完全是相对论的责任，但相对论也是最重要的原因之一。”在研讨会上表达对爱因斯坦相对论学说的深恶痛绝时，60岁的农民黄其德表情严肃，一字一顿。

    ※黄伯伯在《爱因斯坦相对论在科学和哲学上对人类思维的扭曲》一文中写道：“这是个人对相对论全部研究中最沉重的话题，然而必须如实说出来，才能惊醒地球人类。百年来，不单是爱因斯坦的相对论而是他的任何言论都被崇奉为人类心目中的神旨；尤其是许多上层知识分子，完全丧失最起码的独立思考与判断能力。在权威效应的魔障下，一切服从一人的任何臆想和武断。这是发生在地球人类历史上的极端反常的非理性狂潮。”“我做过粗略的调查：理科大学生知道相对论的，100个人中不到一个，约占0.3%；而认定相对论无比深邃高明的却占99.5%；理科大学教授中知道相对论的不到2%，也几乎都认可崇奉相对论；社会上一般知识分子中知道相对论的约占百万分之一，几乎无不崇奉相对论！这个数据说明了什么？首先说明地球人类崇奉相对论是由虚荣心支配着的极端盲目的权威效应。”

    ※黄伯伯写道：“我保证，只要有高中学历，都可以大致听懂我的论文，并取得评论相对论的有把握的发言权。认识到爱因斯坦相对论是一个伪科学大骗局。”

    我有一个直觉，各位看到上面那段黄伯伯的掷地有声的“保证”之后，立马激发了极大的一睹奇文的冲动，这种冲动绝对大过继续阅读我下面的正文的欲望。我表示压力很大，因此，在这里我先不给出黄伯伯奇文的链接地址，我会在本书的最后再给出，希望那个时候你再欣赏黄伯伯的奇文的时候能够产生与我一样的感觉——“当时我就笑喷了！”（你如果此时已经打开电脑开始搜索奇文了，我也拿你没办法，但还是最后拦你一下，看完此书再欣赏黄伯伯奇文，你一定会笑喷！）

    前言结束之前，让我借黄伯伯的文风写下：

    我保证，只要有高中学历，都可以完全看懂本书，并能充分欣赏黄伯伯奇文。认识到爱因斯坦的相对论足以让上帝对渺小的人类产生敬畏；作为人类的一分子，我以此感到深深的自豪！

正文 第5节：不得不说的废话(1)

    第一章?不得不说的废话

    本章之所以叫做不得不说的废话，那就是因为这章的内容跟相对论本身并不直接相关，如果你完全跳过不看，直接从第二章开始看起，也不会觉得有任何缺失的地方，但我又不得不写。本章的内容对于你理解相对论会有莫大的帮助，看似有点扯远的内容恰恰是教会我们如何用一种正确的思维去阅读，甚至去“挑刺”。

    关于相对论的谣言粉碎机

    一、某些伪哲学家最喜欢说的一句话就是：“伟大的爱因斯坦发现了这个世界的奥秘：‘世间万物都是相对的，没有什么是绝对的。’”

    胡说八道！尤其是每当我跟某些人说“这是不会变的”的时候，对方告诉我爱因斯坦的相对论禁止这种想法。我就忍不住大喊一声：“胡说八道，谁告诉你爱因斯坦说过这句话，别给爱因斯坦脸上抹黑！”事实上，爱因斯坦在晚年一直很不喜欢别人把他的理论叫做“相对论”，他自己觉得他的这个理论应该叫做“不变论”，因为他的理论中最重要的部分是那些数学方程式中的不变量。爱因斯坦深以为自豪的是他发现了宇宙中一些永恒不变的常量，更何况整个相对论都是从“在真空中光的传播速度恒定不变”这一实验基础上发展而来的。如果当年相对论真的如爱因斯坦所希望的那样叫做了“不变论”，我很想知道伪哲学家们是否又要说：“伟大的爱因斯坦发现了这个世界的奥秘：不管世界怎么变化，永恒的永远就是永恒的。”

    二、有很多人认为相对论是用来造原子弹的理论，爱因斯坦正是现在人类面临的核危机的罪魁祸首。日本大地震导致的福岛核电站的泄漏又一次带来了很多这样的谣言，例如“要不是爱因斯坦，要不是相对论，何至于此”。

    我只能表示无语。事实是关于原子弹，爱因斯坦唯一做过的一件事情是在一封由西拉德起草写给美国总统罗斯福的信上签了字，这封信主要讲的是希特勒有可能正在研制一种威力巨大的“新型炸弹”，如果研制出来，很有可能改变二战的进程，美国也应该组织力量进行研制，以阻止可怕的灾难性后果。而相对论只不过是对这种新型炸弹为什么会有如此巨大的威力的一种理论解释，即便没有相对论，这种炸弹也一样能造出来，只不过人类不知道为什么其威力如此巨大而已。这就好比我放了一个屁，把自己臭死了，大家都百思不得其解这个屁为什么会这么臭，直到有一天化学家和生物学家通过研究发现了臭屁的原理，但是没有理论仍然不能阻止我放出臭死自己的这个屁。正如有着“活着的爱因斯坦”之称的霍金指出的那样：把原子弹归咎于爱因斯坦的相对论，就如同把飞机失事的责任归咎于牛顿的万有引力定律一样（参见霍金《果壳中的宇宙》）。

    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，他阐明了一个被现在科学界广为接受的道理：所有的物理规律（或者说科学定律）都是永远无法被“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。乍一听这个说法，似乎很难理解，其实很好理解。比如说我现在发现了一个科学规律：天下乌鸦一般黑。那我怎么证明这个规律呢？我只能到全世界去抓乌鸦的样本，每抓到一只都发现是黑的，然后我就跟你说：“你看，我从全世界抓了那么多的乌鸦，无一不是黑的，这下你总该相信我关于天下乌鸦一般黑的理论了吧？”你说：“不，你又没有把地球上的所有乌鸦都抓来给我看，你怎么就知道没有一只白色的乌鸦呢？就算你把地球上所有的乌鸦都抓来了，你怎么能知道宋朝的乌鸦也都是黑的呢？你又怎么能知道以后会不会生出白色的乌鸦呢？总之你跟我说什么都不能让我相信天下乌鸦一般黑这个理论。”波普尔说得没错，确实我无法证明这个规律是正确的，但是我可以大胆地做出一种预言，哪一天你跟我说你又在非洲的某个丛林里面抓到了一只乌鸦，不用去看，我就敢说那只乌鸦是黑的。你每抓到一只黑色的乌鸦，我只能说给“天下乌鸦一般黑”这个理论增加了一分可信度，而一旦有一天我们发现了一只白色的乌鸦，这个理论就不攻自破了。而科学理论之所以能称之为科学，首先它要能做出一些预言，而这些预言恰恰是要能够被“证伪”的，也就是说这个科学理论做出的预言是有可能被实验所推翻的。只有满足了“预言”和“证伪”这两个条件，我们才能冠以科学之名。反过来说，如果你提出的一个理论并且做出的预言是永远不可能被实验推翻的，那么这个就可以称之为伪科学了。比如说，你给出了一个理论：有一种屁放出来是香的。于是我们把全天下的人放的屁都收集过来闻一下，发现都是臭的，但是这也没法推翻你的理论，因为我们并不能证明唐朝的人放的屁也都是臭的。另外，你的这个伟大理论却不能做出一个准确的预言：在何年何月何地何人会放出一个香屁来。因此，当一个理论只能“证实”而不能“证伪”时，我们暂不能承认它是科学的，只能当做一种“见解”来对待。波普尔认为所有的物理规律都能只能算作一种“假说”，它们可以做出大量的预测，指导我们的发明创造，但总有一天会因为找到一个不符合理论的反例来要求我们修正理论，但在没有找到反例之前，我们仍然认为该理论是正确的、科学的，相对论也不例外。

正文 第6节：不得不说的废话(2)

    奥卡姆剃刀原理——科学需要什么样的假设。

    大概是800多年前吧，英格兰有一个叫奥卡姆的地方，那个地方出了一个叫威廉（这在英国是一个超级大众化的名字，就跟一个中国人叫王刚一样）的哲学家，他说了一句话一直影响着科学界直到今天，甚至开始辐射到管理学界、经济学界等，这句话的原文是“Entities should not be multiplied unnecessarily”，译成中文意思是“如无必要，勿增实体”。这就是奥卡姆剃刀原理。为啥不叫威廉原理呢？你想啊，如果中国有一个住在桃花岛的王刚讲了一个流传后世的著名道理，如果叫“王刚原理”那多煞风景，这王刚也忒大众化了，这种原理听上去就没什么吸引力，但如果叫“桃花岛原理”，给人的感觉就完全不一样了，而且从此桃花岛也就出名了，还可以大力开发旅游资源。不过你看不出奥卡姆剃刀原理有啥深奥的内涵对吧？是的，要是不解释，我也跟你们一样糊涂。但是一经解释，就发现不简单了，那是大大的有道理。

    奥卡姆剃刀原理首先说的是这样一个道理，如果你发现了一个很奇怪的现象，要对它进行解释而不得不做很多各种各样的假设，可能不同的解释需要不同的假设，但是记住，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。童话《皇帝的新衣》大家都应该耳熟能详吧？看到皇帝在大街上光着屁股走路这个奇怪的现象时，总理大臣和邻居家流着鼻涕的小毛都各自有一番解释。先看总理大臣的解释：一、假设皇帝身上穿着一件世界上最华美的衣服。二、假设只有聪明人才能看见。三、假设我是蠢人。所以我看到的是光着屁股的皇帝。小毛的解释：一、假设皇帝根本没有穿衣服。所以我看到的是光着腚的皇帝。根据奥卡姆剃刀原理，小毛的解释最有可能接近真相！因为他的假设最少。奥卡姆剃刀原理还说明了另外一个道理：如果有某个条件是不能被我们感知和检测到的，那么和没有这个条件根本就是等价的。比如说，天上发生闪电的时候，李大师告诉我们，这是我发功召唤来的一条天龙正在吐火，但是这条天龙你们凡人是永远不可能看见的，也永远别想用任何科学手段检测到，只有我能看见。根据奥卡姆剃刀原理，李大师的说法和没有这条龙的存在是等价的。换句话说，我们应当把所有一切不能被我们所感知和检测的条件都毫不留情地像剃刀刮肉一样从我们的理论中刮去，毫不犹豫。奥卡姆剃刀原理从提出到现在已经过去了800多年了，这个原理是人类智慧的精华，也是帮助我们看清这个纷繁迷乱世界的“第三只眼”。我们将会在本书中看到爱因斯坦如何利用奥卡姆剃刀原理灵光闪动，他就像说破皇帝根本没有穿衣服的那个小孩（那一年他26岁，在物理界确实可以算是小孩），一语点醒整个物理界对于光速的普遍看法。如果用我的话说，奥卡姆剃刀原理说的就是——“上帝喜欢简单”。

正文 第7节：不得不说的废话(3)

    思维实验——在大脑中运行的实验。

    说到实验，你首先想到的是什么？是跟我一样永远不能忘记第一次看到老师用火柴点燃倒扣在塑料杯下面的氢气时，发出的那一声巨大的爆炸声和自己的惊呼声？还是想起传说中的伽利略在比萨斜塔上面扔下一大一小两只铁球（当然，这只是个传说而已），用它们的同时落地来推翻亚里士多德的论断“重的物体比轻的物体下落得更快”？你的脑海中一定翻腾起无数你曾经看到过或者亲自做过的实验。但是你有没有想过，有一种实验叫做“思维实验”，而正是这种思维实验极大地推动了科学的发展。我知道你心里已经开始犯嘀咕了，这就给你举例证明。关于思维实验的科学史上最著名的例子就是伽利略做的实验，用来推翻亚里士多德重物下落得更快的论断。

    （以下对话纯属虚构。）

    伽利略说：“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，因此他会拖累铁块的下落，所以他们会比单扔一个铁块下落得慢一点，是不是这样？”

    亚里士多德说：“没错，逻辑正确。”

    伽利略说：“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，那么岂不是他们又应该比单个铁块下落得更快？”

    亚里士多德说：“呃……”

    伽利略说：“这个实验我们不用实际做一下了吧，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。”

    亚里士多德说：“你让我想想，你让我想想……”

    上面就是一个思维实验的生动例子，在头脑中运行的实验有时候往往比真正的实验更具有说服力。爱因斯坦就是一个思维实验的大师，相对论的诞生和思维实验密不可分，甚至可以说没有爱因斯坦在大脑中运行的那些实验，相对论就不可能诞生。在本书中，我将带你一起领略很多奇思妙想的思维实验，感受头脑风暴所带来的快乐。

    佯谬——乍一看肯定是不对的，但没想到确是真的。

    在物理学里面，经常会遇到一些很有趣的事情，这些事情总是一开始让你觉得是不可能发生的，但恰恰最后又被实验证明是千真万确的。像这样的事情，中文里面有一个词就叫做“佯谬”。佯，就佯装伪装的意思；谬，就是谬误错误的意思；佯谬就是佯装是错误的，其实是正确的。在我们这本书中，会出现很多有趣的佯谬。我们先举一个统计学中著名的佯谬的例子给大家看（本例子来源于果壳网）：

    我高考终于考完了，考得相当不错呢，终于到了填写志愿的时候，东方大学（简称东大）和神州大学（简称神大）都是我向往的学校，录取分数都差不多，到底第一志愿要填报哪所大学呢？想来想去，为了终生大事我决定报考女生更多的大学，于是我开始在网上搜索两个大学的数据进行研究。“物理系，东大男女比例（就是男生数量比上女生数量）大于神大（东大是5：1，神大是2：1，两所学校物理系都是男生多）；外语系，东大男女比例又是大于神大（东大是0.5：1，神大是0.2：1，两所学校外语系都是女生多，但东大的男女比例更大一点）……哇，怎么所有专业东大的男女比例都高于神大啊？那还犹豫什么呢，我肯定报神大了！”两个月后我顺利地进入了神州大学，正当我得意于我的选择的时候，我悲剧地看到了一份资料，上面写得清清楚楚：东大的整体男女比例小于神大。我靠，什么？！有没有搞错？怎么可能东大的所有专业男女比例都高于神大，但是整体男女比例却低于神大了呢？！不带这样玩我的！！肯定是哪里算错了吧？于是我拿出计算器狂敲，却发现网上的数据没错，我也没有算错数据，结果却是千真万确的。这种情况真的可能发生吗？是的，这就是著名的统计学上的“辛普森佯谬”，看起来不可能的事情真的发生了。

正文 第8节：不得不说的废话(4)

    你可能还是不相信，那么我们来编造两份数据，你自己可以亲自动手演算一下：

    物理系数据：

    男生人数

    女生人数

    男女比例

    东方大学

    35

    7

    5：1（大）

    神州大学

    100

    50

    2：1

    外语系数据：

    男生人数

    女生人数

    男女比例

    东方大学

    50

    100

    0.5：1（大）

    神州大学

    10

    50

    0.2：1

    学校整体数据（两个专业之和）：

    男生人数

    女生人数

    男女比例

    东方大学

    85

    107

    0.8：1（大）

    神州大学

    110

    100

    1.1：1

    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。

正文 第9节：伽利略和牛顿的世界(1)

    第二章 伽利略和牛顿的世界

    相对性原理

    我们的故事要从400多年前开始讲起（你可能在嘀咕：有没有搞错，相对论不是100年前的爱因斯坦发明的吗，怎么一下子就要多倒回去300年？知足吧，我已经比谢耳朵好多了，他总是从古希腊开始说起），是的，为了让你能充分领略人类在通往相对论这条道路上所经历过的蜿蜒曲折、峰回路转，我们必须回到这条路的起点。

    现在请跟我一起回到16世纪末的意大利比萨，此时正值文艺复兴的后期，国富民强，文学、艺术、科学的春风从意大利席卷整个欧洲，空气中弥漫着新世纪即将到来的新鲜气息（中国此时正值明朝万历年间）。在比萨大学的一间大教室里，宫廷数学家玛窦?利奇（和我们熟悉的传教士利玛窦名字就差一点点，但不是他）正在讲台上开讲座，讲台下面坐得满满当当。玛窦是闻名全国的著名数学家，一向只在皇宫中为侍童们讲课，他要来比萨大学的消息在几个月前就已经传遍了整所学校。医学系的一个叫伽利略?伽利雷的学生起了个大早，终于抢到了最前排的好座位。

    玛窦开始讲解数学的新进展——代数学，并且用简洁流畅的手法向大家展示了什么是一元二次方程，并且给出了的通用解法的证明，进而开始讲解因式分解的概念以及现场演算了分解的过程。

    玛窦熟练的演算和生动的讲解博得了阵阵掌声，他注意到坐在第一排的一个年轻学生自始至终都在聚精会神地听讲，脸上不时闪过兴奋和满足的表情，玛窦一下子对这个学生产生了好感，讲课的间隙玛窦问道：“同学，你叫什么名字？”

    “伽利略。”伽利略回答道。

    玛窦问：“哪个专业的？”

    伽利略说：“我是医学系的。”

    玛窦说：“啊！真是了不起，学医学的也能对数学如此感兴趣，你一定会成为一名伟大的医生！”

    伽利略的脸一下就红了，说：“其实，先生，我不喜欢医学，我更喜欢数学和物理。但是我的父亲希望我能成为一名医生，我为此感到十分的苦恼。”

    玛窦说：“别泄气，年轻人。你可以自学，大学很短暂而生活很长，追随自己的兴趣，你一定能成功的。不管什么时候，你都可以来找我，我愿意成为你的良师益友。”

    伽利略受到了极大的鼓舞，从此更是疯狂地喜欢上了数学和物理，并且经常向玛窦请教问题。

    我们应该感谢玛窦对伽利略的鼓励，虽然使世上少了一名不错的医生，但是却催生了一位伟大的物理学家、天文学家和哲学家。

    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（这个加速度上过中学的人都知道，就是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的智慧。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能上升得越高，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。

    图2-1：小球从U型管一头落下应当滚到相同高度，钟摆每次都应当摆到相同高度

    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。

    图2-2：如果U型管的另一端是平的，小球就永远不会停下来

    从这个思维实验中，伽利略得出了他关于运动的又一个力学定律，那就是在一个完美光滑的表面运动的物体，会有一种保持这个运动的“惯性”，除非有外力阻止这个惯性，伽利略称之为“惯性定律”。

    自由落体定律和惯性定律我相信对于各位读者来说都是再熟悉不过的物理常识了，但是在400多年前能有这样的认识那可是大大的了不起，你或许想我要是能回到过去就好了，轻易就可以成为一名伟大的物理学家，这好像也不难想到嘛（本书的后面还真要讲讲时间旅行方面的内容呢）。讲到这里，我就要抛出本章的重点了，那就是伽利略相对性原理。因为你通过上面的阅读已经知道了什么是力学规律，有了这个基础，我们就可以继续往下了。

正文 第10节：伽利略和牛顿的世界(2)

    伽利略相对性原理：在任何惯性系中，力学规律保持不变。

    “得，我好不容易理解了什么是力学规律，你又马上冒出个‘惯性系’这个专业术语，你丫就是喜欢得瑟，能不能别卖关子，说点人话好吗？”边上一位同学看我打下上面的字后，忍不住就开始鄙视我。

    莫急，我这就开始解释“惯性系”是什么意思。

    为此，我们来假想一个伽利略和你之间的穿越时空的对话。

    伽利略：“我想问你一个问题，怎么区分静止和运动？”

    你：“这也叫问题？我开着法拉利一溜烟儿地从你身边开过，我就是在运动，难道这有什么不对？”

    伽利略：“对不起，请问法拉利是谁？”

    你：“哈，不好意思，忘记你是古人了，那我就不说法拉利了，我们说火车吧。”

    伽利略：“火车？”

    你崩溃状：“你那个时代连火车也木有！！伤不起啊！想想也是，蒸汽机还没发明，瓦特都没出生，好吧，那我们说船总可以了吧，船你总知道吧？”

    伽利略：“船，当然知道，你的意思是说如果你在开动的船上，我在岸上，那么我就是静止的，你就是运动的对吗？”

    你：“哈哈，我可不会上你的当，好歹我也学过几年物理，我知道你要说的是什么，我替你说了吧。说到运动，必须要有一个参照物，如果以你为参照物，那么你是静止的，我就是运动的。如果反过来以我为参照物，你就是运动的。对不对？你还真以为我是文盲啊，伽利略先生。”

    伽利略：“未来人果然牛啊。那好吧，我们继续，现在假设你在一个没有窗户的船舱里面，完全看不到外面的情况，你有没有办法知道船是相对于我运动的还是静止的？”

    你想了想：“你这个问题也难不倒我，如果船不是以匀速直线运动在开动的话，我很容易知道船是不是在开。如果船是加速的，我会感到有一股无形的力在把我向后推，如果船是减速的，我就会不由自主地往前踉跄。我天天坐地铁，对这种感觉太熟悉了。呃，你就不用问什么是地铁了，跟你解释不清，反正以此我就可以判断船是在加速还是在减速了。我说得没错吧？伽利略先生。”

    伽利略：“完全正确。那如果船的加速度很小，你又是固定在座位上的，很难察觉到微小的推背感的时候，你该用什么办法来判断呢？”

    你：“这个……让我想一下。有了，这也不难，我只要做一点力学实验就可以了，比如我用绳子挂一个小球，看这个小球是不是完全垂直的；或者，我把一个小球放在一张平稳的桌子上，我看小球会不会自动滚起来。通过很多的力学实验我都可以发现船的运动状态。”

    伽利略：“回答得完全正确，确实不能小瞧你。这也就是说，如果船做的不是匀速直线运动的话，在船上的力学实验的结果会被改变，换句话说，力学规律会被改变。比如惯性定律、自由落体定律（自由落体的方向和加速度都有可能改变）等等。但是，如果现在假设船是在做着完美的匀速直线运动的话，你还能通过力学实验来知道船是否在运动吗？”

正文 第11节：伽利略和牛顿的世界(3)

    你：“那显然就不可能了，如果船舱里面没有窗户的话，我就根本不可能判断出我是静止的还是运动的，不论我做什么样的力学实验，我都无法知道。”

    伽利略：“是的，也就是说，在匀速直线运动状态下面，所有的力学规律和你在静止的状态时都是完全一模一样的。况且，你也知道，没有什么所谓真正的静止，我们地球也是运动的，在地球上的每一个人哪怕站着不动，也在随着地球一起运动，运动不运动的关键在于怎么选取参照物。”

    你：“我感觉，被你这么一说，静止和匀速直线运动这两个词好像失去了准确的意义，我根本无法定义自己到底是静止的还是在做着匀速直线运动，静止和运动永远都是相对的。”

    伽利略：“你越来越接近真理了，没错，用我的话来说，静止和匀速直线运动这两个词的物理意义是相同的，或者说都是不精确的，我用了一个新的词来统一他们所描述的状态，这个词就是‘惯性系’。比如你站在岸上和你在一艘匀速直线运动的船舱里面做实验，在我眼里，你都是在一个惯性系里面做力学实验。我的相对性原理说的就是：在任何惯性系中，力学规律保持不变。”

    你：“哦，原来说来说去就是这个啊，嗯，不难理解，我完全同意。”

    伽利略的相对性原理对于我们现代人来说，是相当好理解的，但是请大家千万记住这个原理。在后面我们还会提到这个原理，它跟相对论的诞生可是有着莫大的关系，但是你千万别把伽利略的相对性原理当做是相对论了。

    伽利略变换式

    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，我怎么着也应该用数学的语言来描述我发现的这条伟大的原理吧。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做伽利略变换式。在我们现代人眼里看来，这个变换式其实是相当简单的，只需要用到一点点小学数学知识即可，现在我要给大家出一道小学数学的应用题（别怕别怕，我知道你已经N年没有解过数学题了，但我保证这道数学题能勾起你很多美好的童年回忆）：

    小明和小红一起来到公交车站，两人见面以后互相对了手表确定了时间，小红要坐的车先来，小红登上公交车开动的时候刚好是7点整，公交车以10米/秒的速度开走了。问：1分钟以后小红距离小明多远？小红和小明的手表分别是几点？

    麻烦你别跳过上段，稍稍有点儿耐心，看一下我们的问题。可能你脑袋里面一大堆问号，怀疑是不是我又在出脑筋急转弯的题了。小明和小红的手表走时完全准吗？公交车走的是直线吗？小明在一分钟内确实没动吗？你这个距离是按照公交车头还是车尾算？小明是一直站着的吗？真的没趴下来？

    我理解你这种心情，社会上混久了，总觉得简单的背后藏着什么陷阱。我现在很诚恳地告诉你，确实没有任何陷阱，忽略你的那些疑惑，这就是一道小学数学应用题。下面是解法：

正文 第12节：伽利略和牛顿的世界(4)

    1.一分钟等于60秒。小红距离小明的距离S=vt=10×60=600（米）。

    2.小明和小红的手表都是7点01分。

    上小学的时候，为了解这道题，老师一般喜欢给我们画一幅下面这样的图来解释这道题目：

    图2-4：这道数学题图示

    看到这幅图，有没有勾起点儿童年的记忆。好了，从这道题目出发，我们继续往下深入一步，我把这道小学数学题改写为一道初中数学题，如下：

    小明和小红各自代表一个坐标系的坐标原点，且初始位置相同，有一只大懒猫在小明的坐标系中的坐标x处睡大觉，此时小红以速度v沿着X轴方向做匀速直线运动，t时间以后，设大懒猫在小红的坐标系中的坐标为x’（注意这个是x一撇），求x’和x之间的关系式以及小明的时间t和小红的时间t’之间的关系式。

    我知道你对上面的题干看了不止一遍，读上去有点拗口，看上去也有那么一点儿专业了，但其实这道题目实质上和上面那道小学题是完全一样的，所要运用到的数学知识跟第一道题目完全一样，我们看一下这道题目的图解：

    图2-5：数学题图示

    画完上面这个图解，我必须顺便提一下，像这样一根横着的X轴加一根竖着的Y轴的坐标系叫做直角坐标系，这是数学家笛卡尔发明的，我们在高中的时候还学到过一种极坐标系，那个只需要一个极点和一根极轴就够了（任何一个点的坐标是用到极点的距离和与极轴的夹角来表示），但是直角坐标系因为特别容易理解，所以用得最广泛，以至于我们经常省直角两个字，直接叫坐标系。我教你一个“装”的招数，就是下次遇到机会就这样说：“各位，首先让我们来构建一个笛卡尔坐标系……”加上笛卡尔三个字，听众立马就会觉得你很厉害。如果你只是平淡无奇地说：“各位，首先让我们画个坐标系。”这效果立马大打折扣。

    言归正传，就着上面的图解，我直接写下答案，我想你一定能理解的：

    x’=x–vt

    t’=t

    以上这两个数学表达式我们称之为伽利略变换式，我知道你此时正在想：x’到x的变换马马虎虎还能算个数学公式，不过也真是够简单的，但这个t’=t真是要让我喷饭了，这算啥意思？就是告诉我们小明的手表过去了几分钟，小红的手表也过去了几分钟吗？这也需要伽利略来当做一个伟大的定理告诉我们？不可思议啊不可思议，我要是能回到古代多好啊，我也能成为像伽利略一样牛的科学家。

    你先不用这么愤愤不平，让我来解释一下这两个数学表达式的伟大意义。坐标x我们可以把它抽象地认为是小明眼中的世界，而坐标x’我们可以抽象地认为是小红眼中的世界，那么有了这个关系式以后，只要知道了小红的速度和时间，我们就能把小红眼中的世界转换为小明眼中的世界。嗯，上面几句话我承认还是有点费解，所以我需要来举例子了。

    现在你想象一下小红在一艘匀速直线开动的船舱里面做各种各样的力学实验，测量各种实验数据来推导各种力学定理。力学实验要测量什么？你仔细一想，你会发现，所有的力学实验对于物理学家来说只需要测量两样东西，一个是坐标（比如小球的起点坐标和终点坐标），一个是用一个尽可能精确的钟表测量时间（当然通常还要测量一个质量，不过那个一般都是一次性测量或者取一个标准质量的物体）。所有的力学实验无非就是测量各种各样的坐标和时间的数据，然后从这些杂乱的数据中寻找普遍规律，从而总结出力学定理。

正文 第13节：伽利略和牛顿的世界(5)

    现在小红是一个在船舱中做实验的物理学家，小明是一个站在岸上的物理学家，对于同一个实验，小红以自己为参照系可以很方便地测量出来一堆的数据，但是你想想如果小明也想测量小红所做的那些力学实验的数据，他该怎么办？小明既没有千里眼，也没有千里手，船每时每刻都在离他而去，小明对此只能望洋兴叹。

    伽利略突然出现了，他看着愁眉苦脸的小明。

    伽利略微笑着说：“不用发愁，山人自有妙计。”

    小明问：“什么妙计？”

    伽利略说：“你只需要知道船的速度即可，剩下的事情就都好办。”

    小明说：“船的速度不难知道，测出来以后接下来怎么办呢？”

    伽利略说：“你只要让小红把她测量到的所有实验数据下船以后给你，然后我给你我这个强大的伽利略变换式，你就能把她测得的所有坐标数据和时间数据变换成以你为参考系的数据。”

    小明说：“原来如此，伽利略你真了不起！”

    于是，小明按照伽利略的办法如愿得到了所有他想要的实验数据。然后，小明和小红分别用自己手头的数据开始研究力学定律了，研究完毕，两人把他们各自总结出来的规律一比较，竟然完全一致。

    你看，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。这说的不就是伽利略相对性原理吗？看来伽利略还真是有点不简单。

    大家是否还记得我们在上中学的时候学过一个关于自由落体的定理：，这个定理告诉我们的是，只要知道物体下落的时间，我们就能算出物体下落的高度。

    我本来想以这个为例子来说明虽然通过伽利略变换后实验数据的绝对值变了，但是最后用数学的方法倒腾来倒腾去，等式两边同时加加减减，居然所有的差异都神奇地抵消了，最后总结出来的公式不论是在小明的参考系中还是在小红的参考系中都是完全等价的。但是考虑到很多人对数学公式的天生惧怕，我别弄巧不成反成拙，偷鸡不成蚀把米，反而吓跑了各位耐心的读者，那就悲剧了！因此，我还是不卖弄数学风骚了。

    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。

    说到这里，我相信各位读者已经完全理解了伽利略相对性原理和伽利略变换，一点儿都不难理解。正因为简单好懂，符合我们日常生活中观察到的所有现象给我们造成的印象，因此，伽利略大侠的这一原理、一变换就像是倚天剑、屠龙刀，统治了物理学江湖长达200多年之久。在200余年的时间里，无人不臣服，无人敢于挑战，就好像此刻的你不也认为这是天经地义的事情吗？难道这真有可以挑战的地方吗？是的，200多年后一个叫洛伦兹（Lorentz,1853-1928）的侠士拿着一把锈迹斑斑的大刀，向伽利略变换发起了挑战，并且竟然一刀就将伽利略变换这把屠龙刀斩为两截。随后，一个26岁的年轻人，无门无派，不知道从何方冒出来，也携一把木剑向伽利略相对性原理这把倚天剑发出了挑战，这一战那真叫是刀光剑影，霹雳惊雷。这个年轻人，姓爱因斯坦，名阿尔伯特，那真是一位500年一遇的奇男子。当然，这些是后话，且听我慢慢道来。

正文 第14节：伽利略和牛顿的世界(6)

    1642年1月8日凌晨4点，在其故乡意大利，78岁的伽利略走到了人生的尽头，他不断地重复着一句话：“追求科学需要特殊的勇气。”声音越来越轻。终于，伽利略吐出了最后一口气，合上了眼睛，一位科学巨星陨落了。冬去春来，斗转星移，整整一年后，在英格兰的林肯郡有一名男婴呱呱坠地，一位新的科学巨星诞生了，力学的接力棒从伽利略手上交到了这名男婴的手上，这名男婴叫做艾萨克?牛顿。

    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），是最伟大的物理学家、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，古往今来就只有牛顿一人。不但空前，而且必将绝后，因为现代科学的分支越来越细，研究越来越深，任何一个领域想要成为“家”都得穷其一生才行……打住打住，你说什么？牛顿是最伟大的炼金术士，还没有之一，真的假的？对于这个事情，我没有半分开玩笑的意思，是千真万确的。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。牛顿自己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五十万字，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合。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。

    说到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形容。在物理学方面，他提出了著名的牛顿运动三定律，以及质量守恒、能量守恒、动量守恒等定律；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）。这个清单如果继续往下还能写得很长很长，但是上面说的这些你都可以在看完本书后忘掉，只有一样，你一定要记住，记住这一样，以后跟人谈起牛顿，你只要一提起，人家就会认为你对牛顿了解得不少，那就是你一定要记住牛顿写过的一本书。李敖曾说过“牛顿其人，500年不朽；牛顿其文，1000年不朽”，就是指的这本书（虽然有大量的证据表明李敖是一个科盲，也没读过牛顿的这本书，但是这句话说得还算靠谱）。书名全称叫做《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica），我们一般简称为《原理》。这本书代表了经典物理学的巅峰，牛顿把从大到天上的皓月星辰，小到地上的潮起潮落，一切的自然规律都纳入到了他那本震古烁今的《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《原理》就是这座大厦的丰碑，希望你能记住。好了，毕竟我们这本书是讲相对论的，不是给牛顿著书立说，总之我们只要知道一点，牛顿是一个光芒万丈的天才科学家即可。对了，他的墓志铭必须要说一下，诗人波普为牛顿所作的墓志铭中写下了这样的名句：

正文 第15节：伽利略和牛顿的世界(7)

    自然和自然的规律隐藏在黑夜里，上帝说：降生牛顿！于是世界就充满光明。

    看看，诗人就是诗人，你说牛顿哪里还是个人，简直就是神的化身啊。你说就这么一个神一样的人物，用了自己生命的一半时间去研究炼金术，这世界上还有谁能比他炼得更出色？牛顿炼金炼累了，顺便想一下物理、数学、天文的事情，想出来的东西就够我们后人仰视一辈子了，这样的人如果还不是史上最牛炼金术士，谁敢是？

    但我们毕竟要说的是相对论，因此，说牛顿，我只谈他跟相对论有关的内容，牛顿在其他方面的成就我就不再多说了。

    牛顿的绝对运动观

    下面，我要虚构一段牛顿在剑桥大学给物理系的新生们授课的场景。有史料表明牛顿的讲课水平出奇的烂，据说常常在他的课堂上，到第一节结束的时候，座位上的学生已经寥寥无几，牛顿只好对着空荡荡的教室快点把剩下的内容讲完，然后匆匆回到实验室做研究去。以至于后来牛顿把每节课的时间减少到15分钟，这样才不至于要对着空气讲课，可见，牛顿实在不能算得上一个称职的老师。但为了让各位可敬可爱的读者能坚持看下去，我会尽可能地把牛顿的这个短板补上，把这个课讲得有趣一点。特别申明，场景和对话纯属虚构。

    牛顿说：“同学们，上课了！下面开始点名。Tom,ok,Jerry,ok，嗯，不错，今天来了两个，比昨天多了一个。今天我们要讲的是时间、空间和运动。

    “我们假设有一艘船正以10米/秒的速度开着（画外音：船，怎么又是船，我说你就不能新鲜点吗？换个火车啥的。唉，我也不想啊，那个时代没有火车、飞机、火箭，能开的东西不是马车就是船，所以那会儿的物理学家一说起运动，就只能说船，但我跟你保证我们这本书的后面不但有飞机还有宇宙飞船，包你过瘾），Tom，现在我把你扔在船尾，你以1米/秒的速度朝船头方向走动。Jerry，你站在岸上，我想问一下，Tom在你眼里的速度是多少？Jerry，Jerry，这才刚开始你怎么就打瞌睡了，振作点，这还有读者呢！好吧，Jerry，看在你这么诚恳地看着我的分上，我就不难为你了。

    “我们利用伽利略变换式可以很容易的就算出，在Jerry的坐标系里面，Tom的移动速度是船的移动速度加上Tom自己走路的速度，也就是10+1=11米/秒。

    “那么，问题一：如果Jerry自己在岸上用2米/秒的速度和船做同方向运动，在Jerry眼里Tom的速度是多少呢？问题二：如果Jerry和船做着反方向运动，在Jerry眼里Tom的速度又是多少呢？

    “我们再次利用伽利略变换，可以算出，问题一是10+1-2=9米/秒，问题二是10+1+2=13米/秒。Tom＆Jerry，你们的老师我如此婆婆妈妈啰啰唆唆地问你们这些看似很无聊的问题，是希望你们能自己总结出速度合成的规律，给出速度合成的定理。怎样，你们俩个谁先表现一下？”

正文 第16节：伽利略和牛顿的世界(8)

    Tom举手，说：

    “教授，我知道了，假设A的速度是v，B的速度是u，那么他们的相对速度w的公式是：

    w=v±u

    “取加号还是减号关键看两个速度的方向，如果一致就取减号，否则取加号。”

    牛顿说：“非常好。那么，Jerry，你同意Tom的结论吗？”

    Jerry说：“我完全同意，教授。我想补充说明的是，速度到底是多少，绝对不能脱离参考系，同样运动的物体，在不同的参考系中，速度是完全不一样的。比如，在我眼里Tom的速度是11米/秒，但是如果从一个站在太阳上的人眼里看来，Tom的速度还得再加上地球绕太阳运行的速度。”

    Tom说：“我再补充一句，当我们说某某的运动速度是v的时候，必须先设定该速度的参考系，否则就会失去物理意义。按照这个道理，速度也不存在绝对的快慢。当我站在船上Jerry站在岸上，在船上飞舞的苍蝇眼里，Jerry运动得比我快；反过来，在岸上飞舞的苍蝇眼里，我运动得就比Jerry快。”

    牛顿说：“说得很好，你们两个今天果然精神多了，有观众和没有观众真是不一样啊。但是接下来我就要问你们一个有深度的问题了，请问，什么东西可以做参考系？”

    Tom＆Jerry异口同声地说：“任何东西都可以做参考系。”

    牛顿说：“很好，那空间本身是不是也可以做参考系？”

    Tom＆Jerry：“呃……这个，还真是没想过这么深奥的问题。”

    牛顿说：“请你们想象一下，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。如果把空间本身看做是一个参考系，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’，他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。”

    Tom说：“教授，您的这个思想真是太深刻了，学生佩服。”

    Jerry说：“可是，我还是有点无法理解。”

    牛顿说：“Jerry，在上帝的眼里，我们的宇宙就像一个巨大的玻璃球，玻璃球中充满了水，水安安静静地待在那里，没有一丝一毫的流动。太阳星辰和我们就像水中的鱼儿一样在里面游动，鱼儿感受不到水的存在，我们也同样无法感受到空间中的某样实体的存在。亲爱的Jerry，就像水充满宇宙这个大玻璃球一样，我们的宇宙也被一种叫做以太的物质充满，宇宙万物的运动都相对于这个以太有一个绝对速度。你能理解了吗？亲爱的Jerry。”

    Jerry说：“是的，教授，我理解了。但是，您说的这个以太总是让我心里有点不安，因为他无法被我们所感受到，根据我们老家奥卡姆很流行的一句话来说，似乎这样的东西就跟没有是一样的。教授，您能设计一个实验来证明绝对空间的存在吗？”

正文 第17节：伽利略和牛顿的世界(9)

    Tom说：“我说Jerry，你是不是想多了，教授是多么伟大的人，他的思想还能有错吗？”

    牛顿说：“不，Tom，别这么说，我可不是胡克（牛顿当时很讨厌的一个物理界的权威，他发现了胡克定律，也就是弹性定律，我们中学都学过）那个小矮子，不容得别人质疑。我是站在巨人肩膀上的人，当然比胡克那个小矮子看得远点，哈哈哈！Jerry，你提的问题很好，我已经想到了一个思维实验来证明绝对空间的存在。”

    牛顿水桶实验中的绝对时空观

    牛顿转身在黑板上画了一个大大的水桶的俯视图，又在水桶的里面画了一些水，要不是牛顿一边画一边解释这是什么，Tom＆Jerry都会以为牛顿在画大饼。

    牛顿说：“我们下面来做一个水桶实验。Jerry你看到我画的这个装着半桶水的水桶了吗？外面这一圈就是桶壁，里面都是水。

    图2-6：牛顿的水桶实验

    “现在Jerry你想象你的身体突然缩小了，缩得很小，然后我把你固定在水面附近的桶壁上，让你可以很方便地看到水的状态。注意了，我现在用一根绳子把水桶给吊起来，然后我把水桶这么用力一转，于是水桶就转起来了。Jerry，你在水桶里面感觉好吗？”

    Jerry说：“教授，感觉很不好，我的头要晕了，我的眼睛在冒金星。”

    牛顿说：“坚持住，孩子，集中精神，观察水面。”

    Jerry说：“放心吧，教授，我能坚持。”

    牛顿说：“Tom，我已经跟你们讲过我的第一运动定理，物体会保持自己的惯性。所以，水桶在刚刚开始旋转起来的时候，整个水体因为要保持惯性，所以不会马上跟着转起来，水桶会转得比水快很多，这一点不用怀疑。那么在水桶刚开始旋转起来的时候，在Jerry眼里看来，水相对于他开始转动起来了，我们现在向Jerry求证一下，看看是不是这样。Jerry，快点告诉我你看到了什么？”

    Jerry说：“教授，我听到你跟Tom说的话了，正如你所说，我看到水转动起来了。”

    牛顿说：“很好，Jerry，我们都知道一个旋转的物体会产生向外的离心力（准确地说是向心力），这个离心力表现到一个呈圆柱形的水体中，就会使得水面中心向下凹陷，这是我们在生活中经常观察到的现象。Jerry，你看下水面发生了什么？”

    Jerry说：“教授，我看到水面依然平静如故，没有往下凹陷，这可真奇怪了，我明明看到水在围着我转动啊？”

    牛顿说：“Tom，看到了吧，在我们眼里，转动刚开始的时候水面不凹陷非常正常，因为在我们眼里水由于惯性还没转起来嘛。换句话说，水相对于绝对空间尚处于静止状态。现在我们稍等一下，因为水的黏着力，我们会看到最终水桶会带动着水一起开始旋转了，最后，水相对于桶壁上的Jerry来说，静止了。Jerry，你现在看到了什么？”

    Jerry说：“教授，我看到水越转越慢，越转越慢，现在已经不动了。哦天哪，太不可思议了，水面凹下去了，这真是我这辈子见过的最不可思议的景象，水面凭空就凹下去了，但是又没有旋涡，就好像水面上面有一个无形的大铁球把水给压下去了一样！”

正文 第18节：伽利略和牛顿的世界(10)

    牛顿说：“你看，在Jerry眼中的神奇景象，在我们眼里看来平常无奇，原因很简单，此时的水相对于绝对空间开始旋转起来了，这个旋转的本质不因观察者所取的参考系而改变。好了Jerry，我现在把你复原，你回来吧。”

    Jerry擦着汗说：“这真是一次奇妙的经历，教授！”

    牛顿说：“让我们再来回顾一下刚才那个水桶实验，如果运动都是相对的，没有一个绝对参考系的存在的话，那么Jerry应该看到水面是先凹后平，但是实际上Jerry和我们一样都看到了水面是先平后凹的，这就是绝对空间存在的证明。”

    牛顿得意地说完，看着Tom和Jerry，俩人还愣着呢，一时半会儿反应不过来。牛顿的水桶实验虽然具备大智慧，但却并不能让所有人满意，物理学界对这个实验的质疑声从来就没有停过，但毕竟牛顿的光芒实在太耀眼了，其他人的声音很难发得出声响。

    Tom说：“教授，你的这个思维实验太伟大了，我折服了。”

    Jerry说：“教授，我恐怕一下子还不能完全理解，让我回去再想想。”

    牛顿说：“Jerry，看不见摸不着而又真实存在的东西有很多，不止是以太，还有一样东西，你也看不见摸不着，但是我们谁也无法否认它的存在，那就是——时间。你们说说看时间是什么？”

    Tom说：“时间就是生命，时间就是金钱，时间就是知识，时间就是胜利，时间就是丰收，时间就是灵感，时间就是思考。”

    Jerry说：“时间就是教堂的钟声，时间就是太阳的东升西落，是斗转星移，我说不清楚时间是什么，但我分明感受到时间在流逝。”

    牛顿说：“时间是它自个儿的事情，它真实存在但又与外在的一切事物都无关，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。时间对于世间万物都是公平的，上帝他老人家既像一个慷慨的施主又像是一个超级吝啬鬼，不论你是国王还是乞丐，他老人家从不……”

    此时，下课铃响了，Tom＆Jerry几乎是在和下课铃声响起的同时消失在教室门口了，消失速度之快甚至让牛顿都怀疑时间是不是真的存在。

    “……多给一点也不少给一点。”牛顿对着空气（他早就习惯了）把最后一句话说完，也夹着讲义走出了教室。

    牛顿的时空观符合我们大多数人的日常生活体验，因此，对于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，牛顿是如同神一般的存在，他是当时物理界的泰山北斗，他是物理界的教皇，牛顿说出来的话就像是来自上帝的启示。牛顿的绝对时空观被郑重地写入他那本神书《自然哲学的数学原理》中，神书之所以是神书，因为用神书中所描述的定理可以精确地预测月食、日食发生的时间，精确到分秒不差，还能通过计算预言当时尚未被观测到的太阳系行星的存在（海王星），当预言被证实的时候，牛顿本人和他那本神书的声誉达到了空前的顶峰，再没有人怀疑神书中描述的任何事情，牛顿的经典世界观大有千秋万载、一统江湖之势。

    然而，就在牛顿死后又过了100多年，一系列的物理实验都得到了让人匪夷所思的结果，这些结果如此地让物理学家诧异以至于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，整个物理界都开始陷入了疯狂，物理学遇到了前所未有的危机。如若牛顿地下有知，一定会说：“上帝啊，这一切到底是怎么了？”

    如果说到目前为止，本书所说的一切都还让你觉得这个世界就是我所认识的那个天经地义的世界，那么，接下来发生的一切，都将慢慢颠覆你的常识，挑战你的思维底线。

正文 第19节：光的速度(1)

    第三章?光的速度

    经过了漫长的前面两章的阅读，我们终于要开始真正进入到相对论的世界了，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，然后一切豁然开朗，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（不是罗大佑的光阴的故事，而是光的故事），注意，这绝对不是废话，“光”是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，曾经大家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，火柴的亮光发出的那一刹那，整个房间就被照亮了，谁也没有看到过自己的手先亮起来，然后是自己的脚再亮起来，再看到房间的墙壁慢慢从黑暗中显现出来。当太阳从山后升起来的那一刹那，地面上所有的东西都同时披上了金色的外衣，谁也没有看到过阳光像箭一样朝我们射过来。

    但是，在今天，连小学生都知道，之所以我们无法感觉到光的传播速度，不是因为光的传播不需要时间，而是光传播的速度竟然达到惊人的30万公里/秒。这是一个多么快的速度啊，如果用这个速度跑步，一秒钟可以绕地球7圈半。如果用这个速度从地球跑去月球，1秒钟多一点就到了，而目前人类最快的飞行器阿波罗登月飞船要飞4天。你可能很好奇，这么快的速度，到底是怎么测量出来的？这正是本章要讲述的故事——测量光速。但是所有参与这个故事的人都只猜到了开始，却没有猜到结局，人类对光速的测量本是一个普普通通的物理实验行为，没想到最后却给整个经典物理学说笼罩上了一层乌云。

    第一个对光速无限大提出质疑的人就是我们的老熟人伽利略先生。伽利略从哲学的角度思考，认为物质从一个地方到达另一个地方不需要时间是一件无论如何都无法想象的事情，上帝既然创造了空间，那么就不应该再创造出可以无视空间存在的东西。伽利略毕竟是伽利略，他不仅仅是停留在对光速无限大提出质疑的层面上，而且开始着手用实验来测量光速。

正文 第20节：光的速度(2)

    我们来看看伽利略是怎么做的。伽利略一行四人，分成两组，分别登上两座相隔甚远的山峰，每组各自携带一个光源。很不幸的是，那个时代能够让伽利略他们挑选的光源只有两样：火把和煤油灯。伽利略他们只好带上两盏自己改良后的煤油灯，其实只是做了一个简单的改进，就是在煤油灯的一面加上了一个滑盖，这样亮光就被挡住了。如果把滑盖迅速地拉起，亮光就会照射出来，通过快速地拉动滑盖就能制造出从远处看来煤油灯一闪一闪的效果。除了两盏煤油灯外，还需要两只一模一样的钟摆计时装置（这种装置也是伽利略发明的，利用钟摆的等时性原理制成，是摆钟的前身），以及记录数据的纸笔。好了，这就是伽利略他们全部的装备。各位如果你们现在来到山顶，拿着这些装备，得到的任务是测量光速，你会怎么办？你是不是会一筹莫展呢？且看我们的大科学家伽利略是怎么做的吧。

    在上山前，伽利略开始给队员们布置任务：“卡拉齐，你和我一组去A区，贝尼尼和卡拉瓦乔一组，你们去B区。我和贝尼尼负责掌管煤油灯，卡拉齐和卡拉瓦乔负责数据记录。贝尼尼，你给我记住，当看到我的煤油灯发出的信号时，你也立即拉开滑盖给我信号，我一看到你的信号我就会关上灯，然后你一看到我的灯灭了，你也赶紧把灯关上，我看到你关上了灯我就迅速的又把灯打开发出信号，于是你按照前面的步骤重复，我们就这么循环做下去，只要我给信号你就不要停。听明白了吗？贝尼尼。”

    贝尼尼说：“是！”

    看到这幅场景，如果不知道的人，保证以为伽利略是特种部队的头，正在打真人CS呢。

    伽利略说：“卡拉齐，卡拉瓦乔，你们两个负责记录数据，你们听好了，你们的任务是记录在钟摆的一个来回内，你们总共看到你们的同伴发出了多少次信号。任务大家都清楚了吧？还有没有问题？”

    众人齐声：“没有了！”

    伽利略：“有没有信心完成任务！”

    众人齐声：“保证完成任务！”

    于是，带着必胜的信念他们上山去了。伽利略的智慧是过人的，他已经有了用统计学的方法来消除误差的想法。他很清楚，他们在打开关闭煤油灯的过程中，必然会有很多来自方方面面的误差，要消除这个误差，就必须重复做大量的次数取均值。你可以想见在那个寒风凛冽，伸手不见五指的山顶（为了实验效果，他们还要特意选择没有月光、星光干扰的阴天），伽利略和他勇敢无畏的助手们为了探求光速的秘密，不知疲倦地做着开关煤油灯的机械动作，边上还有两个人一边数着煤油灯开关的次数，一边还要注意钟摆的摆动，其难度可想而知。

    然而不幸的是，虽然有必胜的信念，但却是一个不可能完成的任务。如果伽利略地下有知光速是每秒30万公里的话，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想要测量光速无异于把比萨斜塔抱起来去量一下细菌的长度。虽然如此，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。

正文 第21节：光的速度(3)

    光速测量大赛

    伽利略死后又过了30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（Olaf,Romer,1644-1710）。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，像我在上海，夜晚的灯光很亮，天上只能看见少数的几颗星星，一般来说，那颗最亮的，那颗像灯泡一样挂在天上的星星就是木星）。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“月食”发生的时间间隔也会逐渐缩小，而当地球逐渐远离木星时，木星“月食”发生的时间间隔也会逐渐变大。这个现象太神奇了，因为根据当时人们已经掌握的定理，卫星绕木星的运转周期一定是固定的，不可能忽快忽慢。罗默经过思考，突然灵光一现：我天，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”时间间隔不均现象那真是再恰当不过了。罗默的计算结果是光速是22.5万公里/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“月食”发生的时间要比其他天文学家计算的时间晚10分钟到来，结果与罗默预言的分毫不差，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传播的。

    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（除了利用我们前面说到的类似罗默观测木星卫星的方法来观察其他行星的卫星，还有一种方法叫光行差，这里不多介绍，有兴趣的可以自己网上查），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，毕竟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170多年，直到1849年，法国物理学家菲索（1819-1896）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。

正文 第22节：光的速度(4)

    菲索的旋转齿轮法的原理图如下：

    图3-1菲索的旋转齿轮法测量光速的原理图

    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。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），你想一下，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，光返回的时候齿缝刚好转过去，于是光被挡住，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，还有我们的眼睛距离镜子的距离，就能计算出光速。注意，这个实验的最伟大之处就是不再需要一个计时器，之前所有的实验室测量光速都失败的根本原因都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，因为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公里之遥、转数达到每秒12.67转的时候，首次看到了光源被挡住而消失。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31.5万公里/秒，这离光速的真相已经咫尺之遥了。

    光速测量的比赛还在继续，各种各样的新方法被发明出来，实验精度一步步地提高，但是我们就不再继续深究下去了。我只想通过前面的讲述让你明白人类在对光速的测量之路上是如何艰难跋涉的。光速也绝不是某人的凭空想象，是几代人的不断努力才发现的大自然的奥秘。但本章关于光速的故事才刚刚开始，好戏即将上演。

    惊人的发现

    菲索在实验室得到光速的20多年后的1873年，英国科学家麦克斯韦（Maxwell，1831-1879）出版了堪与牛顿的《原理》比肩的物理学经典巨著《论电和磁》，但这本书却不像《原理》那样一诞生就技惊四座、光芒四射。《论电和磁》刚开始的时候很难得到大多数人的认同，这也难怪，电和磁都是虚无飘渺的东西，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，它们之间的性质和相互作用力被麦克斯韦用一组简洁优美的方程组所描述，这个方程组叫做麦克斯韦方程组。你只要随便翻看一本讲物理学或者科学史的书，基本上都会提到麦克斯韦方程组是数学美的典范，无数大科学家都被它的美所震撼，单从它完美的表现形式来说，它就不可能是错误的（事实上直到今天，所有经典物理学中的公式除了麦氏方程组以外，都被相对论所修正。唯独麦氏方程组仍然保留着简洁优美的形式，似乎添加任何一笔都是多余的）。不过，我不需要在这本书中把这个方程组写下来，我和各位读者一样也是电磁学的门外汉，无法体会它的美，如果读者当中恰好有这么一两个懂行的话，我相信麦氏方程组已经深深印在了他们的头脑中，也不需要我再抄出来。

正文 第23节：光的速度(5)

    根据这一套优美的方程组，麦克斯韦预言了一种神奇的叫做电磁波的东西，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，这样子，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做——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岁就死了，到死也没能亲眼见证电磁波的诞生。他死后没过几年，一位德国的青年物理学家赫兹（Hertz，1857-1894）接过了麦克斯韦的衣钵，终于在1888年，赫兹在实验室里发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。赫兹的实验公布后，轰动了整个物理学界，全世界的物理学家都纷纷效仿此实验，所有的实验结果都证明了麦克斯韦电磁理论是正确的，麦克斯韦方程组取得了决定性的胜利，麦克斯韦的伟大遗愿也终于得以实现。既然电磁波是一个波，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31.5万公里/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，31.5万公里/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不是就是一种电磁波。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。

    现在我们再从电磁波的角度来研究一下光的传播速度到底是相对于什么而言的。波的传播速度等于介质震动的频率乘以波长，因而这个速度是相对于介质而言的。比如我们熟悉的水波，当一颗石子扔到水中产生涟漪的时候，这些涟漪在产生的瞬间也就脱离了跟石子的联系，他们会在水中按照相对于水的恒定速度传播出去，因而我们在讲水波的传播速度的时候，隐含的参考系是水而不是那颗石子。同理，当我们谈论光的速度的时候，那么根据前面这种思想，隐含的参考系也不应该是光源，而是光的传播介质，但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眼睛里面，那么这个参考系、这个介质到底是什么？

正文 第24节：光的速度(6)

    那不就是牛顿所说的绝对空间和以太（注意，以太这个词并不是牛顿发明的，牛顿是以太学说的主要支持者）吗？牛顿的绝对时空观在统治了物理学界200年后达到了顶峰，伟大的艾萨克?牛顿爵士，您的光芒无人能挡，您为物理学构建起了雄伟的大厦。现在，就差最后一个能证明以太存在的实验来为这座雄伟的大厦砌上最后一块砖。但俗话说盛极必衰，物极必反，人往往是在最得意的时候忘了看脚下的路而跌倒。

    既然已经知道了光相对于以太的传播速度是30万公里/秒，那么光速就成为了能证明以太存在的最佳证人，关键是要说服它出庭作证。我们看看让光速出庭作证的这个实验是怎么构想的：我们的地球以30公里/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，至少要相差30公里/秒。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，物理学界举杯同庆，新世纪就要到来了，这个实验无疑将是献给新世纪最好的一份厚礼。具体的实验设计众望所归，落到了两位实验物理学的泰山北斗级人物身上，他们就是麦克尔逊（Michelson，1852-1931）和莫雷（Morley，1838-1923），这二位也的确是当仁不让的人选，尤其是麦克尔逊，此人一生痴迷于光速的测量。

    科学史上最成功的失败

    本章的压轴大戏即将上演，在上演之前，我必须提醒你本书中提到的所有实验你都可以看完之后忘掉，唯独这个“麦克尔逊莫雷实验”你千万不能忘掉，随便打开任何一本物理学史书，或者打开任何一本关于相对论的书，甚至随便打开一本科学史书，都一定会提这个实验。如果你记不住麦克尔逊莫雷这么拗口的六个字，那你也可以记住“MM实验”，很多书上都这么叫；如果你连“MM实验”四个字也记不住，那么你就记住“美眉实验”。总之，这个实验对于整个物理学史甚至对于整个人类的科学史都有着举足轻重的地位，它是给经典物理学带来狂风暴雨的两朵乌云之一。这个实验刚好是发生在世纪之交，怎么看都有一种史诗大片的感觉，它喻示着物理学在新旧两个世纪的交接。所以，我需要在这个实验上多花一番笔墨，让大家对这个实验了解得多一点。当你看完本书以后跟人闲聊的时候，如果还能记得聊一聊“MM实验”，将是笔者莫大的荣幸。

    （以下麦克尔逊和莫雷的对话纯属虚构。）

    麦：“莫雷，你先说说看，你对这个实验怎么想？”

    莫：“麦克兄（莫雷比麦克尔逊小14岁，所以莫雷尊称麦克尔逊一声兄，但听起来有点像是在说麦克风）,光速在顺风和逆风的理论差值是30公里/秒，而光速是30万公里/秒，这意味着我们的实验精度必须要达到万分之一才行，以我们现在的实验条件，似乎离这个精度还差得很远。”

正文 第25节：光的速度(7)

    麦：“这个情况我很清楚，所以想听听你的想法，讨论一下我们怎么才能解决这个难题。”

    莫：“在短期内提高实验精度这条路估计是走不通的，我们必须绕开直接测量光速，要想一个什么间接方法来测量才行。”

    麦：“莫雷，我跟你的想法是一样的，肯定不能硬着头皮去测量，必须要想点儿什么别的办法。我想，我们是不是先把测量出绝对数值的目标放低一点，我们第一步先想出一个可以比较两束光谁快谁慢的办法。其实我们只要能先证明在顺风逆风中光速有差异，就迈出了胜利的第一步。”

    莫：“麦克，你说得很对，我们把达成目标分成两段，先想出第一段如何达成，你是不是已经想到什么好办法了？就别卖关子了。”

    麦：“我想到了英国人托马斯?杨（ThomasYoung，1773-1829）发现的光的干涉现象，我们或许可以利用这个特性来比较两束光的速度是否发生了变化。”

    莫雷突然转身面朝观众，说：“各位亲爱的读者，我给大家解释一下什么是光的干涉现象，听说你们现代人上高中的时候都要做这个光的双缝干涉实验。简单来说，就是把一束光照到两根互相靠的很近的狭长的缝隙上，在这个双缝的后面我们如果竖上一面白墙，我们就会在墙上看到明暗相间的条纹。

    图3-2光的双缝干涉实验

    “这是因为，光是一种波，同一束光被分成两束以后自己会跟自己产生干涉，所谓的干涉就是波峰与波峰相遇，强度就会增加一倍使得光更加明亮，而如果波峰与波谷相遇，则刚好互相抵消，光就会变暗，明暗相间的条纹就是这么来的。”

    莫雷转回去，朝麦克尔逊尴尬的一笑：“不好意思，收了作者的一点小意思，我跟他保证我们之间的对话要让读者能听懂的，请多多包涵哈，麦克风（一紧张把麦克兄说成了麦克风）。”

    麦克尔逊表示不介意，听说有观众，他表现得反而更积极了，他继续说：“如果我们能想出一个什么办法，让同一束光分别走不同的路线，一条路线是顺风的，一条路线是逆风的，然后让他们最终再会合到一起互相产生干涉现象，因为这两束光的速度不同，因此他们产生的干涉条纹一定和我们正常情况下做出来的干涉条纹有所区别，你说对不对，莫雷？”这句话看似对莫雷讲，麦克尔逊却有意无意地侧侧身子，似乎是想更多地引起观众的注意。

    莫：“麦克，你太牛了，这个点子实在是太绝了。”

    麦：“我还有更精彩的没说呢，在实验过程中，如果我们把整个实验装置慢慢转动起来，你说会发生什么？”

    莫：“我明白你的意思了，麦克。转动实验装置相当于偏转我们这艘地球大船相对于以太风航行的角度，那么两束光的速度也会相应地发生变化，最后反映到干涉条纹上的结果就是条纹会慢慢地移动！如果这个神奇的现象发生了，那么就确定无疑地证明了两束光的速度在发生着变化，麦克，你太伟大了！”

正文 第26节：光的速度(8)

    麦克尔逊突然面朝观众，手里拿着张硬纸板，上面写着“鼓掌”两个字，很快又转回去了。

    麦：“这个利用光的干涉性质来证明光速变化的实验原理图我已经想出来了，我画出来给你看，关键就在于中间那块半透镜，它可以把光分成两路，一路被反射90度朝上，一路直接透过去。”

    图3-3麦克尔逊-莫雷实验原理图

    麦：“我发明的干涉检测仪现在可就大有用武之地了，它比我们肉眼观测的精度可不知提高了多少倍。我计算了一下，如果地球的航行速度真是30公里/秒的话，那么在整个实验装置转过90度以后，我们应该观察到干涉条纹移动了0.4个条纹的宽度，我的干涉仪可以分辨出0.01个条纹宽度的移动，因此，我们的实验精度绰绰有余。”

    莫：“不过这个实验装置要造起来也不容易，我们必须尽可能地消除地面震动带来的干扰，如果整个实验装置的底座不稳，则很可能前功尽弃。”

    麦：“这个问题我也想到了，我准备建造一个巨大的水泥台，并且把这个水泥台放到注满水银的水槽上，让水泥台浮在水银上面，这也就能有效地消除震动。”

    莫：“好的，麦克，你怎么说我就怎么办，别看我脑子没你聪明，可我年轻啊，我有力气啊，体力活儿你就交给我吧。”

    莫雷在制作实验器具方面确实是一把好手，没过多久，MM实验台建造完成。现在一切就绪，只欠东风了，牛顿的夙愿即将实现，经典物理大厦就要落成，物理界全都在翘首以待实验结果。所有人都对实验结果相当乐观，前有伟大的牛顿，后有做物理实验尤其是测量光速的泰山北斗，一切都应该合乎逻辑，没有人怀疑大结局必将以喜剧收场。这一年爱因斯坦还只有8岁（笔者听到电视中传出声音：唯一看破真相的是外表看似小孩，智慧却过于常人的名侦探柯南。不知道8岁的爱因斯坦是否看破了真相），此时的爱因斯坦正在痴迷地玩着父亲送给他的一个小小的罗盘（爱因斯坦在回忆录中经常提到这个罗盘），连头都没有抬起来看我一眼。

    然而，可能读者们已经猜到了，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几乎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4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。

    整个物理界一时哗然，大家都明白，要么是理论出了问题，要么是实验出了问题。但牛顿的绝对时空观和以太学说都是看上去如此完美的理论，而且也符合我们的日常生活经验，因此，当时的物理界也和此时的读者你一样不愿意相信是理论出错了，而都倾向于实验本身出了问题，于是冒出来各种各样的解释。有的说是以太会被地球所拖拽，这就是著名的拽引说，一度特别流行；也有的说是长度在运动方向上会发生收缩刚好抵消干涉变化；还有的说是光的速度还会受到光源移动速度的影响等等……总之，各种各样的解释一时风起云涌，这股热潮一直从19世纪延续到了20世纪。但从总体上来说，所有的解释都还是建立在相信牛顿的绝对时空，相信以太的存在，相信伽利略变换的成立基础上的，很少有人站出来质疑理论的根基是不是出了问题。

    19世纪最后一天的太阳落下山了，20世纪的曙光照亮了人类写满沧桑的脸上，人类文明经过五千年的艰难跋涉，即将在新世纪来临的时候迎来一次彻底的洗礼。

正文 第27节：爱因斯坦和狭义相对论(1)

    第四章  爱因斯坦和狭义相对论

    1900年，20世纪的第一场雪似乎来得比以往时候更晚一些，这不是一个平静的年份。在中国，孙中山接任了兴中会会长，正式登上政治舞台，以后他成为了中国第一个共和制总统；随后，义和团运动达到高潮，八国联军攻入北京，慈禧太后和光绪皇帝仓皇逃出北京城；而沉睡了900年的敦煌莫高窟也在这一年被首次打开，中华文明史被重新发现；在欧洲，尼采死了，弗洛依德发表了他的传世名著《梦的解析》，巴黎正在举办世博会和第二届夏季奥运会。这一切，都带着创世纪的味道。

    两朵乌云

    4月27日，此时的英国伦敦，天气还有点阴冷。在阿尔伯马街上的英国皇家研究所门前，人来人往，一位绅士彬彬有礼地扶着贵妇人上了马车，一起赶去听普契尼的歌剧《波希米亚人》。马车驶过后，两位老太太望着马车远去，羡慕地讨论着刚才那个贵妇人的礼帽式样，在两个老太太的身边，一个个穿着考究，表情严肃的绅士们走进了皇家研究所的大门。老太太们不知道，这些绅士都大有来头，全是当时欧洲最有名望的科学家，他们风尘仆仆地从欧洲各国赶来参加科学大会，是科学界的一件大事。

    皇家研究所的主席台上，站着一位白发苍苍的老者，此人就是德高望重，而又以顽固著称，已经76岁高龄的开尔文勋爵（Kelvin，1824-1907）。他用他那特有的爱尔兰口音开始了他的演讲。

    “The beauty and clearness of the dynamical theory,which asserts heat and light to be modes of motion,is at present obscured by two clouds.The first came into existence with the undulatory theory of light,and was dealt with by Fresnel and Dr.ThomasYoung;it involved the question,how could the earth move through an elastic solid,such as essentially is the luminiferouse ther?”

    （读者：呃，开洋文，鄙视你！）

    各位听我说，说到演讲，马丁路德金的《I have a dream》在励志界是被引用最多的，但是在物理学界，开尔文的这段演讲是被引用最多的，所有关于物理学史的书一定会引用。虽然本书不是一本严谨的物理学史书，只是一本茶余饭后博得一笑的闲书，但我也不能打破行业潜规则，必须也要引用一下的。上面这段话的中文版本就很多了，五花八门，各种译法都有，考虑到我们都是物理学门外汉，所以我尽量用大家都容易理解的口语化的语言给大家翻译一下，至于精确性我就不管那么多了，业内人士尽管拍砖。

    开尔文演讲道：“在我眼里，我们已经取得的关于运动和力的理论是无比优美而又简洁明晰的，这个理论断言，光和热都不过是运动的某种表现方式（热是分子的运动，光是电磁波的运动）。但是我们却看到，在经典物理学这片蓝天上有两朵小乌云让我们感到有些不安。自从菲涅尔先生和托马斯?杨博士创立了光的波动学说以来，我们一直都在苦苦寻觅一个问题的答案，那就是：我们的地球是如何在以太中航行的，以太这种被我们称之为“弹性固体”的看不见摸不着的物质存在的证据又在哪里？这就是我要说的第一朵乌云。”

正文 第28节：爱因斯坦和狭义相对论(2)

    毫无疑问，开尔文嘴里的这第一朵乌云就是指的麦克尔逊—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。估计大家还很好奇开尔文所说的第二朵乌云是什么，他所说的是黑体辐射实验的结果和理论不一致带来的困惑，这第二朵乌云牵出的又是一个长长的激动人心的故事，但这个故事不是本书的重点，再次推荐精彩程度远胜本书的曹天元著《上帝掷骰子吗？量子物理史话》，看完那本书你就知道这第二朵乌云意味着什么了。

    这第一朵乌云在我们耳朵里面已经隐隐的传来了雷声，很快就要遮云蔽日，掀起狂风大浪了，此时的物理学界，已经是山雨欲来风满楼了。

    巨星登场

    时间终于走到了1905年，这一年后来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，是因为本书的一号男主角在这一年中连续发表了五篇论文，每篇论文都像一颗耀眼的超新星照亮了世界，改变了物理学的纪元。

    下面让我荣幸地介绍我们的一号男主角——阿尔伯特?爱因斯坦先生。虽然在各位的心目中，爱因斯坦的形象早已经固化，乱蓬蓬的头发，满是皱纹的脸，矮小的身材，鹰一样深邃的眼神，在很多人的心目中，爱因斯坦就是一个老头子，这个老头子代表的就是科学。但是，爱因斯坦成为本书一号男主角的时候，可是一个只有26岁的英俊小伙子，完全不是你头脑中的那个形象。瞧瞧，这就是青年爱因斯坦，当然这张照片看起来像是十五六岁的少年爱因斯坦，不过从这张照片中去想象26岁的青年爱因斯坦的形象总比你头脑中的那个形象会更加准确一点。下面是爱因斯坦应聘本书一号男主角时投递的简历：

    姓名：阿尔伯特?爱因斯坦

    性别：男

    国籍：瑞士

    年龄：26

    婚姻：已婚

    职业：专利局三级技术员

    单位：瑞士伯尔尼专利局

    学历：苏黎世联邦工业大学物理专业本科毕业

    爱好：拉小提琴和思维实验

    成就：没有（没结婚就把女朋友的肚子搞大了，不知道这个算

    不算）

    如果这份简历被一个平庸的导演看到，那想也不用想肯定直接扔进垃圾桶，桌上堆积如山的简历最次的也是个博士，教授博导更是多如牛毛，怎么可能轮得上这个不知道从哪里冒出来的，专利局的一个小小的三级技术员呢。然而001毕竟是001（笔者的笔名），从堆积如山的简历中，把这份平庸到极致的简历挑了出来，上面的一句话引起了我的注意“爱好：拉小提琴和思维实验”，我老婆喜欢拉小提琴，而我喜欢做思维实验，这个人居然把我和我老婆的爱好集为一身了，肯定不简单。况且，他居然有勇气来应聘我们的物理史话的一号男主角，这个人要么就是凤姐和芙蓉姐姐的前世，要么就是真正的天才，于是我决定前往瑞士伯尔尼一探究竟。

正文 第29节：爱因斯坦和狭义相对论(3)

    作为未来人的好处就是我可以看到爱因斯坦，但是他却看不到我，而且他脑中的思考可以直接被我听到，但这个神奇的能力只在回到过去的时候才能拥有，在我的时代，我不具备这个能力，所以各位下次见到我真人的时候不必惊慌，我跟你们一样也是个普通人。而我所说的回到过去，也仅限于我的思维能回到过去，但是并不能跟过去的世界产生任何交流，也无法影响过去的世界，我只是一个全能的观察者（科学原理：假设此时你能突然出现在距离地球100光年外的地方，你拿起天文望远镜朝地球看，你看到的就是100年前的地球，只要精度足够，你就能看清地球上100年前发生的事情的每一个细节，但是只能看，不能摸）。

    爱因斯坦作为一个三级专利员，他的工作主要是审查各种提交过来的发明专利是否具备原创性，是否符合专利申请的标准。最近一段时间，爱因斯塔发现关于远距离对时方面的发明专利申请特别多，这是因为火车得到快速的发展，这个钢铁机器居然比马车跑得还快，并且不知疲倦，只要给它不停地吃煤，它就能不停地跑，你给马不停地吃草只能把马撑死。因为火车跑得太快了，所以就催生了一个新的需求，就是要求能远距离对时。欧洲的各个城市之间都没有统一的时间标准，各个城市都拥有自己的地方时间，过去只有马车的时候，从一个城市到了另外一个城市只需要把自己的钟表根据当地时间调整一下即可，也从来没人觉得会遇到什么麻烦。但是火车出现后，情况可就变了，火车跑得那么快，如果两个城市之间的钟表时间不调到一致的话，那么在同一个铁轨上跑的多辆火车很可能就会撞在一起，因此，对时绝对不是一件小事。

    此时，利用电磁波来通信的无线电技术已经逐步趋向成熟，我们前文已经说过电磁波的传播速度是光速，所以利用无线电来实现远距离对时就是一个很靠谱的想法。很多这方面的发明专利开始涌向伯尔尼专利局，因为爱因斯坦是物理专业毕业的，所以这类发明都会交给他来审查。小爱很敬业，也很细致，为了提高自己的业务水平，小爱也跟着要思考电磁波、光速、时间这方面的问题。但是最近小爱有点儿烦，他申请二级专利员的申请书被驳回了，理由是专业能力还不够，这也促成小爱必须多努力思考，提升业务水平。

    第一个原理：光速不变

    专利局的工作结束后，小爱总是不急于回家，而是坐在办公室里，用自己用完的草稿纸卷起一根纸烟，点燃，深吸一口，往椅子上一靠，开始了他的思考：

    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，因为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1的人报2，听到2的人报3……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着很大的不同。火车从这里运动到那里，那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”。

正文 第30节：爱因斯坦和狭义相对论(4)

    1865年，伟大的麦克斯韦在《电磁场的动力学理论》中证明过，电磁波的传播速度只取决于传播介质。到了1890年，第一个在实验室中发现电磁波的天才赫兹也明确地指出，电磁波的波速与波源的运动速度无关。麦克斯韦的方程组实在是太美了，我深信蕴涵如此深刻数学美的理论一定是正确的。

    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。

    我们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？一束和我保持相对静止的光吗？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。如果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，我应该仍然看到他们以同样的反应速度传递着1，2，3……才对啊。

    这么说来，光速相对于任何参照系来说，应该都是恒定不变的。哦，我这个想法实在有点疯狂，但是MM实验怎么解释呢？MM实验得出的最直接的结论不就是光速不变吗？为什么我们首先要把这个简单的结论复杂化，想出各种各样的理论和假设来否定光速不变呢？为什么我不先承认这个实验结果是正确的，然后再去考虑怎么解释这个结果呢？

    要解释MM实验为什么测量不到以太的存在，无非就是下面两种思路：

    第一种思路：

    假设一：以太是存在的。

    假设二：因为某种原因，无法检测出以太。

    结果：我们没有在MM实验中检测到以太。

    第二种思路：

    假设一：以太是不存在的。

    结果：我们没有在MM实验中检测到以太。

    根据奥卡姆剃刀原理，第二种思路更有可能接近真相，它需要的假设更少。

    想到这里，爱因斯坦手上纸烟的烟灰掉落在地上，瞬间碎成一片，爱因斯坦从沉思中回过神来，对刚才的思考感到满意，他想这个问题已经不止一天两天，他拿起笔在草稿纸上写下一句话：“对于任何参考系来说，在真空中光的传播速度都是C。”写完他马上匆匆收拾东西回家，再不回去，老婆又该冲他发火了。

正文 第31节：爱因斯坦和狭义相对论(5)

    第二个原理：物理规律不变

    最近小爱被这些想法搞得有点兴奋，上班也不大有心思，脑子里面都是关于光速的想法。小爱的思考如汹涌的潮水般朝笔者的思维中涌过来，让笔者应接不暇，在所有这些思考中，关于伽利略相对性原理的思考尤为精彩，而且从另外一个思考角度出发，同样得到了光速必须不变的结论，让我们一起来听听小爱的思考：

    伽利略相对性原理说的是在任何惯性系中，力学规律保持不变，这一原理简洁而深刻，看起来是如此的优美。但是我想问的是，为什么上帝只偏爱“力学规律”呢？电磁学规律就会变吗？热力学规律就会变吗？这说不通，上帝一定是一个喜欢简单的老头子，他不想把问题复杂化。

    我的想法是，在任何惯性系中，所有的物理规律都不变。对，就应该是不变的，如果在不同的惯性系中，普遍的物理规律是不同的，那么我们会看到什么？天文学家早就测算出来我们居住的地球是以每秒钟30公里的高速绕着太阳公转，对我们地球上的每一个人而言，我们都坐在地球这个大火车中，那么物理规律就应该在不同的空间取向上不同才对，因为地球的运动方向每时每刻都在发生着变化。换句话说，空间会有各向异性，我们做任何物理实验都不能忽略这个空间各项异性了。但是，实际情况是怎样呢，我们从来没有想过做一个赫兹的电磁实验要考虑实验室的朝向吧？如果有人告诉我们实验室的朝向将决定电磁实验的结果，你自己也一定会觉得荒谬。我们对我们这个地球空间哪怕是最小心的观察也没有发现任何物理规律的不等效性，也就是没有发现任何空间各项异性的证据。

    MM实验就我看来其实质就是对空间是否各向异性的检测，这是迄今为止对空间各向是否异性的检测精度最高的实验了，但即便是MM实验这样高精度的实验，也没有发现任何空间各项异性的证据，反而恰恰说明了伽利略的相对性原理应该被修正为：在任何惯性系中，所有的物理规律保持不变。

    伽利略曾经写过一个生动的故事，说如果我们被关在一艘大船的船舱中，你带上一些小飞虫，在舱内放上一只大水碗，里面养上几条鱼，再挂起一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个水罐中。然后你开始观察飞虫的飞行，观察鱼的游动，观察水滴入灌，但是不论你多细心地观察，你也不可能通过观察这些情况来判断船是静止的还是处于匀速直线运动中（这个故事是在我们中学的物理书中被称为萨尔维柯蒂之船）。同样，你所有试图用力学实验的方法来判断船的状态也都是徒劳的，不管你做什么样的力学实验，都不可能判断出船的状态。

    我的想法是，不仅是做力学实验不行，你在上面做任何物理实验，不论是光学、电学还是热学实验，你都无法判断出船到底是静止的还是正在做匀速直线运动，上帝不偏爱任何物理规律，在惯性系里面，众生平等。

正文 第32节：爱因斯坦和狭义相对论(6)

    这就是我爱因斯坦的相对性原理，它比伽利略的相对性原理更简洁、更深刻、更优美，我很难想象它会是错的。

    根据这个原理，真空中的光速必定是恒定不变的，如若不然，那么我就可以通过做光速测量实验来判断萨尔维柯蒂之船到底是静止的还是运动的。

    小爱想到此节，立即拿出昨天那张稿纸，在昨天写的那句话下面又加上了一句话：“在任何惯性系中，所有的物理规律保持不变。”写完他马上匆匆收拾东西回家了，再不回去，老婆又该冲他发火了。

    （读者：“你对老婆发火一事真有情结，你也很怕吗？”作者：“超级怕，理解小爱。”）

    这天晚上躺在床上，爱因斯坦失眠了，对妻子的暗示也置若罔闻，他满脑子都是草稿纸上的那两句话。说实在的，小爱觉得物理学中蕴涵的奥秘比身边的妻子更值得迷恋，他心底里有点后悔大学时过于冲动，干了不该干的事情，但是总该对米列娃负责吧，想起自己的婚姻，小爱总是觉得有点无奈。这些东西还是别多想了，草稿纸上的两句话在爱因斯坦的脑袋中一遍遍地显现出来：

    一、在任何惯性系中，所有物理规律保持不变。

    二、对于任何参考系来说，在真空中的光的传播速度都是一个常数C。

    这两句话就像一个魔咒，在小爱的脑中挥之不去。如果说，我的思考是正确的话，这两个假设成立，那么到底意味着什么呢？如果一个人在一列以速度V行驶的火车上，用手电筒打出一束光，那么从站台上的人看来，这束光的速度难道不应该是C+V吗？但如果真的是C+V的话，明显又和我上面写的两句话相抵触，看来我要么放弃简洁优美的相对性原理，要么放弃我头脑中对于速度理解的旧习。如果一只小鸟也在车厢里面以W的速度飞，从站台上的人看来，小鸟的速度显然应该是V+W，对这个观念，现在没有人会否认，但是，凭什么我们对小鸟的结论也硬要安在光的头上呢？我们对光速的认识太浅薄了，相对于光速，不论是小鸟还是火车，都低得可以忽略不计，我们生活在一个速度低得可怜的世界里面，在这个世界里总结出来的规律难道真的也可以适用于高速世界吗？在火车上的人和站台上的人看到的光速都仍然是C，这个结论为什么会让我们感到奇怪，还是我们一相情愿地把我们在低速世界的感受直接往高速世界无限延伸，但其实并没有什么逻辑必然性，我们应该果断地抛弃我们的旧观念，接受新观念？

    小爱不再纠结了，他决定断然的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，我们至少应该有这个勇气往下想，再奇怪的结论也可以交给那些实验物理学家们用实验去检验真伪。

    小爱想起了自己非常崇拜的古希腊数学家欧几里德（希腊文：Ευκλειδη，约公元前330年至前275年）先生，他写的《几何原本》一直是小爱少年时代最钟爱的书，欧几里德从5条公理、5条公设出发，推导出了23个定理，解决了467个命题，这种从基本的几个公理出发，逻辑严密而又无懈可击的推导过程，让少年时期的小爱深深地感受着数学之美。他还记得当自己第一次亲手证明出三角形内角和是180度时候的兴奋，还记得自己苦苦推导两个月，终于亲手证明了毕达哥拉斯定理（勾股定理）时的激动，这些小时候的事情历历在目。那么现在是否可以从几何学的公理思想出发，把光速不变作为一个基本公理，在此基础之上往下推导呢？小爱想着想着，眼皮开始发沉，意识逐渐模糊起来。小爱睡着了，他做了一个梦，这个梦非常精彩，虽然小爱第二天起床以后把这个梦的情节忘记掉了，证据是在他以后的著作中再也没提到过梦中的情节，但是显然这个梦中的结论他没有忘记，证据是在他以后的著作中以另外一个不同的故事描述了同样的结论。但从笔者的角度来看，小爱这个梦远比他后来自己写下来的故事要精彩得多，下面让我把小爱的这个梦记述下来：

正文 第33节：爱因斯坦和狭义相对论(7)

    环球快车谋杀案

    小爱的梦：环球快车谋杀案之犯罪现场调查。

    凌晨5点，爱因斯坦卧室。

    一阵急促的电话铃声惊醒了熟睡中的爱因斯坦，爱因斯坦从被窝中伸出一只手，拿起了电话，问道：“喂，什么事？”

    电话传出的声音：“警长，环球快车上发生枪案，一死一伤，嫌犯受伤，请您速来现场！”

    爱因斯坦说：“我马上就到。”

    爱因斯坦警长从床上蹦起来，穿衣出门。

    天蒙蒙亮，环球快车伯尔尼站，一列银白色的外形酷似鱼雷的火车停在站台上，车身上刷着一行标语：环球快车，一小时环球旅行。

    现在，车站四周拉起了警戒线。

    一个探员上来迎接爱因斯坦，一起边朝火车走去边跟爱因斯坦介绍案情。

    探员说：“警长，我们30分钟前接到一位女士的报案，声称环球快车上发生枪案。我们赶到现场的时候，发现两名男子分别倒在车厢的两头，其中一人头部中弹，当场死亡，另外一人只是手臂中枪，没有生命危险，目前正在列车上的医务室休息，他拒绝回答我们的问题，说一定要见到我们的上司才肯开口。案发当时除了这三人，该车厢没有其他人。”

    爱因斯坦问：“那个报案的女士呢？”

    探员：“报案的女士叫艾尔莎，是一位年轻漂亮的小姐，我们赶到时她正在给受伤男子包扎手臂，她声称枪击双方都是自己的朋友，其他的就不肯说了，也是要等您到才肯开口。”

    枪案发生所在的列车车厢，三四名探员正在仔细勘察现场。

    爱因斯坦看到死亡男子已经被搬离了现场，在他倒地的地方用白色的粉笔勾勒出了一个人形，在车厢的另一头也用白色粉笔勾出了一双白色的脚印，看位置可以想象出案发当时受伤男子坐在地板上，背靠着车厢壁。

    爱因斯坦看到在列车的中部走道上，有一盏自制的电灯还在亮着，这盏灯跟普通的电灯没有什么两样，只是上面似乎多加了一个自动延时装置。

    探员说：“警长，这盏灯我们刚才已经试过了，在打开开关后，它会延迟5分钟再亮，不知道有什么用意。”

    爱因斯坦没有回答探员的话，只是简单地说了声：“走吧，我们去医务室。”

    列车医务室，艾尔莎坐在椅子上，表情忧郁。她边上坐着一位英俊的年轻男子，上臂靠肩的位置包扎着纱布，隐隐有血迹浸出来，表情非常镇定。

    爱因斯坦在他们对面的椅子上坐下来，对年轻男子说：“我是爱因斯坦警长。”

    男子：“我是泡利。”

    爱因斯坦：“中枪的男子你认识吗？”

    泡利：“认识，他叫狄拉克，我们是情敌。”

    爱因斯坦转头看着艾尔莎，报以询问的目光。

    艾尔莎忧郁的说：“是这样的，可惜我晚来了一步。”

    爱因斯坦：“泡利，这么说，你和狄拉克先生是为了这位小姐在决斗了？”

    泡利：“是的，警长，我们在决斗，为了神圣的爱情。”

正文 第34节：爱因斯坦和狭义相对论(8)

    爱因斯坦问艾尔莎：“泡利先生和狄拉克先生同时爱上你，是这样吗？他们之前提到过决斗这回事吗？”

    艾尔莎哭泣了起来：“他们总是在我面前争吵，逼我从他们中选一个，可是我实在不知道该选哪一个。昨天晚上，我看到他们俩留给我的一封信，说要在环球快车上决斗，让我嫁给胜利的一方。信上有他们的亲笔签名，我看到信以后立即往车站赶，终于在开车前一分钟登上了火车，但我不知道他们在哪节车厢，等我找到他们的时候，一切都已经晚了。”

    爱因斯坦：“泡利先生，根据决斗法案，如果你能提供证据，证明你们俩之间的决斗是完全公平和自愿的，你将无罪。”

    泡利从上衣口袋中拿出了一份文件，递给爱因斯坦，说：“这份文件是我们俩商定的决斗规则，有我们的亲笔签名，请过目。”

    爱因斯坦接过文件，阅读起来。

    泡利继续说：“我们的决斗规则是这样，我和狄拉克分别站在车厢的两头，在我们的正中间放一盏灯，这盏灯在按下开关后，会延迟5分钟亮起。我们约定，当我们看到灯亮起的刹那，就可以互相开枪射击。我们站立的位置有脚印，可以证明我们距离灯的位置完全相同。”

    爱因斯坦看完文件，想了一下，说：“光速是恒定的，这个规则看起来的确公平，但是必须要有证据证明你确实是在看到灯亮起后才开的枪，否则，你将被以一级谋杀罪指控。”

    泡利：“这很容易，我们之所以选择在环球快车上决斗，就是因为环球快车上每节车厢都有全世界最先进的高速影像记录仪，只要调出记录仪的画面记录，就可以证明我是在看到灯亮以后才开的枪。”

    一个探员在边上说：“警长，灯的位置我们已经仔细测量过，确实如泡利先生所说，离他们脚印位置的距离完全相等。”

    爱因斯坦说：“那么我们现在就一起去列车的影像记录仪室，我们当场查证。”

    影像记录室。

    一位工作人员正在屏幕前调阅影像，他一边操作仪器，一边对众人说：“该仪器目前是全世界最先进的影像记录仪，理论上它可以无限放慢画面，甚至连光的运动都能看得一清二楚。找到了，这个时点记录的画面就应该是案发当时的影像，警长你可以操作这个旋钮来前进或者后退画面。”

    车厢中泡利和狄拉克两人正站在车厢的两头，手都放在腰间的枪套上，屏幕右下角显示：Time:4:15:20:345:667

    爱因斯坦轻轻地转动旋钮，屏幕右下角的数字跳动着。

    只见车厢中间的灯泡上的灯丝慢慢地变红，然后渐渐地由红变黄，然后又由黄转白，接着突然整个灯丝被一个黄白色的光球包裹了起来。

    爱因斯坦知道此时灯亮了，他继续转动旋钮。

    黄白色的光球迅速扩大，就像一个膨胀的气球。

    爱因斯坦小心翼翼地转动着旋钮。

    光球迅速膨胀开，一下子就把整个车厢都包裹进去，整个车厢都被照亮。

正文 第35节：爱因斯坦和狭义相对论(9)

    所有人都看得很清楚，光球同时到达泡利和狄拉克所在的位置，到达的时候，双方的手都没有动。

    图4-1从车上看到的决斗现场

    屏幕右下角的数字在跳动，但是整个车厢就跟定格了一样，等了很久，双方都没有动。

    爱因斯坦说：“怎么回事？”

    工作人员说：“请加快10000倍，警长！”

    爱因斯坦恍然大悟，说：“是的，我怎么忘记了，人的反应在光速面前是多么微不足道。”

    屏幕右下角的数字快速跳动起来。

    终于，人们看到了两人几乎同时拔枪的画面，但泡利的动作稍稍快了一点点，两束火光从两把枪口冒出来。接着，两人都在倒地上。

    隔了一会儿，艾尔莎女士撞开车厢门，冲了进来，当场呆在原地。

    爱因斯坦按下停止键，说：“看来，事情都清楚了，泡利和狄拉克先生自愿决斗，决斗规则公平合理，双方也都遵守了规则，这样的话，泡利先生应该是无罪的。但我不是法官，我会把我的意见在法庭上陈述，在此之前，泡利先生必须被限制行动自由。”

    爱因斯坦松了一口气，点上一支烟，走出列车，准备收工回家。

    突然，他听到背后有人大声喊道：“警长，等一等。”

    一位头戴礼帽的中年绅士急匆匆地从远处跑来。

    中年绅士还没站定，便大声说道：“警长先生，我是狄拉克的哥哥，我叫玻尔，请您别被无耻的杀人犯蒙骗了，我有证据证明这是泡利精心设计的一场谋杀。”

    爱因斯坦问：“您有什么证据？”

    玻尔说：“请跟我来警长，我有证据显示给您看。”

    爱因斯坦问：“我们去哪里？”

    玻尔说：“我的职业是环球快车的监控员，我得知弟弟出事的消息后，就立即赶到了车站。哦上帝，我真难以相信我的眼睛，我可怜的弟弟就这么轻易地被夺去了年轻的生命。泡利说这是一场公平的决斗，我刚开始也误信了，因为我也调阅了车厢里面的影像记录仪的画面，看到了当时的那一幕。从车厢记录仪的画面上来看，他们确实同时看到了灯光，并且都是在看到灯光之后才开的枪。但是我总有一种直觉，事情没有这么简单。我查阅了枪案发生的那个时点，环球快车恰巧通过巴黎站，我于是就去调阅了巴黎站站台上的影像记录仪，那个站台也安装了最先进的影像记录仪。于是，我看到了完全不同的一幕。”

    环球快车伯尔尼站的监控室

    玻尔熟练地操作着各种仪器，很快，画面被定格在了环球快车通过巴黎站的影像，站台上的影像记录仪非常灵敏，从列车的窗户中可以清晰地看到车厢内的影像。

    玻尔一边操作一边解说：“警长，请注意，泡利的位置是在车尾方向，狄拉克的位置是在车头方向。看，灯光亮起来了，警长，请注意，此时环球快车正以每小时3万公里的速度行驶着，你看，当黄白色的光球扩散开的时候，泡利是迎着光球的方向运动，而狄拉克刚好相反，他正朝着光球前进的方向运动。警长，我现在定格在这个位置，你看，当泡利与光球相遇的这个时点，光球还没有追上狄拉克。也就是说，泡利先看到了灯亮起，并不是像他所说的同时看到了灯亮起。他是个无耻的杀人犯，他必须为我弟弟的死负责，他欺骗了我们，警长。”

正文 第36节：爱因斯坦和狭义相对论(10)

    图4-2：从站台上看到的决斗现场

    爱因斯坦看着影像记录仪的画面，脑中一片空白，他不敢相信眼前看到的一切。短暂的空白之后，爱因斯坦恢复了神智，他把整个事件在脑子里回放了一下，一字一顿地说：“列车上的仪器记录的是真实画面，没有造假；站台上的仪器记录的也是真实画面，没有造假。从列车上的角度来看，他们俩确实同时看到了灯光，但从站台上的人看来，泡利确实比狄拉克先看到灯光。这一切都是因为光速与光源的运动无关，也就是光速恒定不变造成的。从这件事情上来说，时间也是相对的，对于列车的人和站台上的人来说，没有真正的同时，任何所谓同时发生的事情，都只能是对在同一个惯性系中的人才能成立。”

    玻尔说：“警长，站台上仪器记录的画面是确凿无疑的证据，泡利的决斗规则是不公平的，对泡利有利！他应该被指控一级谋杀罪。”

    爱因斯坦说：“玻尔先生，我只能把我的观点如实的陈述给法官，至于法庭怎么判断，我无权干涉，您提供的证据非常重要，我非常感谢您。”

    说完，爱因斯坦转身离去，玻尔在后面生气地大声吼道：“阿尔伯特，你这个蠢货，你怎么能无视证据的存在，你给我醒醒！你给我醒醒！”

    爱因斯坦突然感到很奇怪，玻尔的喊声怎么不见小呢，我在走远，但这喊声怎么越来越大了，爱因斯坦突然感到脸上一阵疼痛，他惊醒了。

    他看见米列娃在床边一次又一次打自己的脸，嘴里还叫着：“阿尔伯特，你今天怎么睡过头了，快点，你这个懒猪，该去上班了，要迟到了！”

    爱因斯坦一骨碌爬起来，跌跌撞撞着赶紧穿戴好，夹着公文包出门了。

    同时性的相对性

    小爱来到自己的办公室，打开抽屉，昨天那张草稿纸还静静地躺在那里，自己在上面写下的两句话赫然在目。他喃喃自语：“光速不变，光速不变到底意味着什么？”他恍惚记得昨天晚上似乎做了一个很精彩的梦，他努力地想要回忆起梦中的情节，但是怎么都想不起来了，只记得梦中的他似乎说过“时间是相对的，没有什么是真正的同时”这样的话。他还恍惚记得昨天晚上的梦跟火车有关。为了帮助自己回忆，小爱埋头在那张稿纸上画了一段铁路，又画了一个长方形表示火车，他又想起点儿什么，于是又在火车中间画了一个小人，他感觉就要想起来了，突然，局长哈勒（根据爱因斯坦全集记载，他也是物理爱好者，后来成了小爱的粉丝）的声音从门口传来：“阿尔伯特，客户来催前两天提交的那个申请了，你审查得怎样了？”小爱吃了一惊，用肚子朝抽屉一顶，迅速合上了抽屉，局长刚好走进来。小爱赶忙说：“这就好了，局长。”

    局长走了以后，小爱擦了一把汗，再次悄悄地打开抽屉，可是这次思路被打断后，他怎么也想不起来昨晚的梦了，但是幸好他还没忘记梦中得出的结论——没有什么真正的“同时”，车上的人认为是同时发生的事情，到了站台上的人的眼里，就不再是同时发生的。经过一番思绪整理，小爱想出了另外一个故事，这个故事后来又被小爱郑重地写入了他那本广为流传的著作《相对论浅说》中，下面我们就来看看这个广为人知的故事，但是世人却不知这个故事的背后还有那个环球快车谋杀案的故事。

正文 第37节：爱因斯坦和狭义相对论(11)

    大家都知道的故事是这样的：

    在铁路的路基上，雷电同时击中了相隔很远的A点和B点，如果我问你，这句话有没有意义时，你一定会不假思索地回答我说“有”。但是如果我让你解释一下这句话的准确意义时，你在经过一番思考后会发现这个问题貌似不像原来想象的那么容易回答。你很可能会这么回答我：“这句话的意思本来就很清楚，没有必要加以解释。”但这么回答，显然是无法让我感到满意的。那么我们这么想，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两点正中间的位置，然后通过一套镜子的组合能让我同时看到A，B两个点，如果闪电发生的时候，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，接下去我们考察一下这种情况：有一列火车在路基上开动着，此时，突然有两束闪电击中A，B两点。现在，你在A，B两点的中间同时看到了闪光，所以，你会毫不犹豫地认为这两束闪电是同时发生的。但是，如果在闪电发生的那个瞬间，在A，B的中点的火车上也有一个人，火车一直在朝着B点方向运动，因为光速是恒定不变的，所以你站在地面上，会认为B点的闪光比A点的闪光先到达这个人的眼里。于是就出现了这样一种奇怪的结论：你认为这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，对于火车上那个人来说却是先后发生的。

    图4-3行驶中的火车上的人会认为闪电并不是同时发生

    这是怎么回事呢？这说明了同时性也是相对的，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，反过来也是如此。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。

    不知道各位读者是否听明白了爱因斯坦关于闪电击中铁轨的这个故事，不管你现在是不是如坠云里雾里，一会儿在想那个环球快车，一会儿又在思考这个闪电的问题，总之爱因斯坦是在告诉我们这样的一个概念：只要当你抛弃绝对时间这个概念之后，一切都会变得很好理解。或许你已经对火车感到厌烦了，但请原谅我们的爱因斯坦先生，在他那个时代火车已经是地球上跑得最快的东西了。我们这就举一个现代点的例子让你试图抛弃根深蒂固的绝对时间的想法。

    比如说，你坐着一艘飞船以接近光速的速度向宇宙深处飞去，在出发的时候地面上有一束光跟你同时出发。此时，在地面上观看飞船发射的亲人会看到，你和那束光齐头并进，几乎不分前后地朝着宇宙深处进发。而视角切换到你身上，你会看到什么呢？你依然会看到身边这束和你同时发出的光瞬间就远离你而去，远离你的速度仍然是光速C。如果你对这幅景象仍然百思不得其解的话，那说明，时间的绝对化概念在你的脑子中仍然根深蒂固，牢牢占据着你的思维常识，你刚刚觉得自己有所理解了，可想着想着又想不通了，因为绝对时间的概念又再次回到了你的脑袋中。就像前面这个例子，如果你能意识到你在飞船上感受的时间和你在地面上的亲人感受的时间是不同的，你的一秒钟相当于他们的一小时，你就不难理解为什么你仍然看到那束光瞬间远离你而去，因为你所感觉到的快，就是在1秒钟内，那束光就跑得很远很远了，这就叫快，而对于地面上的人来说，他们看到那束光用了1个小时才拉开和你的距离。我知道，即便是我这样说，依然仍然很难打消你对时间的绝对化概念，下面我将继续用一个直观的思维实验来帮助你理解时间是相对的概念，并且我们将从这个思维实验中亲手推导出流芳千古的“相对论因子”，准备好了吗？这就开始我们的头脑风暴。

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