時間的形狀：相對論史話（增訂版）

前言
我希望這是一本很有趣的書。我認為這本書與傳統科普書最大的差別在於，它更像是一本茶餘飯後的休閒書，或是一本有點意思的小說。在這本書裡，你會看到很多天馬行空般的小故事。牛頓帶著Tom和Jerry來到一個大水桶裡面觀看神奇的水面凹陷；愛因斯坦化身大警長先是調查了一起環球快車謀殺案，然後又要奔赴雲霄電梯處理可怕的超級炸彈，最後又在太空中建造了一個超級大圓盤以展示他那神奇的時空觀。雖然這一切看上去不像是正經八百的科普，但我可以很負責任地說，故事裡包含的都是很確實的科學真相。很多科學真相用「不可思議」來形容是一點都不過分的，你平常之所以感受不到物理學的神奇，那是因為沒有人告訴你很多看似普通的物理現象背後的故事。現在的高中生都會在實驗室做一個觀察光的雙縫干涉圖像的實驗，這是一個普通得不能再普通的高中光學實驗，可是卻沒有人告訴我們這個實驗背後隱藏著的驚人大祕密，這個祕密足以撼動以愛因斯坦為代表的一代科學家們苦苦建立起來的物理學信仰。一個簡單的光學實驗，如果你了解了它藏在最深處的本質，你會驚訝地發現，這個世界不再是我們原來頭腦中的那個世界了，我們腦袋中很多樸素的哲學觀念，例如物質決定意識，原因決定結果等等都將受到空前猛烈的衝擊。而且，我確確實實是在講科學，不是在講神學或者宣揚神祕主義。

我們這本書大致可分為上下兩部分。前六章和大家一起回顧物理學走過的四百多年坎坷歷史，這段歷史中的懸念，其精彩程度不亞於任何一段戰爭史，因為物理學的發展本身就是一部精彩的好萊塢懸疑大片。在伽利略、牛頓等巨星紛紛謝幕之後，我們的超級巨星愛因斯坦閃亮登場，而他成為我們的主角的時候才只有26歲。他就像是一個橫空出世的大俠，無門無派，但是一出手就讓天下震驚，他的絕招就是「相對論」。在第六章，我將講述一段跨越半個多世紀的厚重和真實的歷史故事，這個故事塵封已久，但我想告訴大家，真相往往比小說更曲折。後四章是本書的下半部分，故事更神奇，真相更驚人，我將幫你細緻地剖析時空的真相，帶你領略神奇的四維時空奇景。我們先一起去了解整個宇宙時間光錐的終極圖景，然後再回到原子的深處見識一下不可思議的微觀世界，最後看一看當今物理學的最新進展──萬物理論。你只要隨便記住其中的一兩段，就能讓你在平時和朋友們吃飯聊天時大放異彩，只是要當心別聊得興起忘了吃菜，不要發生總是發生在筆者身上的悲劇：話講完了，菜也被別人吃光了。

看完這本書，也許你對這個世界的看法會大大改觀。潮起潮落，物換星移，這些平常司空見慣的大自然現象突然在你眼裡會產生完全不一樣的意義。當你晚上抬頭仰望星空，看著夜空中的皓月星辰，宇宙在你眼裡將會換了一番景象，過去的宇宙觀一去不復返了，一個嶄新的宇宙觀將在你的頭腦中建立起來。

自小到大，你可能一直會有這樣的疑問：

時間到底是什麼東西？
我們能跨越未來嗎？
我們能回到過去嗎？
光到底是什麼東西？
宇宙到底長什麼樣子？有大小嗎？有生死嗎？
我們能像星際迷航一樣穿梭在銀河系嗎？
這個世界的物質到底是由什麼構成的？
物質可以無限分割嗎？……

這些令人不可思議的問題，科學家到底是如何找到答案的？
看完這本書，或許你將對以上這些問題不再感到疑惑，說不定，你還可以很自信地為你的親朋好友解答他們心中同樣的疑惑。

所有這一切，都要從愛因斯坦發現的相對論開始講起。這的的確確是一個偉大的理論，這是上個世紀人類對這個宇宙祕密最深刻的一次發現。你可能還是會茫然地看著我：「我聽說過相對論，可是它跟我們的日常生活有關係嗎？」

當然是有關係的。比如，GPS導航系統現在已經是一個常用小電器了，我估計很多讀者都有一個車載的，或者手機裡面就有一個。知道嗎，如果沒有相對論，那麼這玩意兒可就會出大問題。因為根據相對論，衛星上面的時鐘會比地面上的時鐘走得快，每天大約快38微秒（0.000038秒）。這個時鐘的快慢並不是因為計時器精度不夠造成的，而是因為衛星上的時間真的變快了。你設想一下，如果人類沒有掌握相對論的知識，那麼就不會知道發射到天上的衛星哪怕用再精確的計時工具計時，也不可能消除這個誤差。你千萬不要小看這微不足道的38微秒，如果不校正的話，那麼GPS導航系統每天積累的誤差將超過10公里（當然這個誤差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美軍用這個來導航飛彈的話，那麻煩可就大了。因此在GPS衛星發射前，要先將其時鐘的走動頻率調慢100億分之4.465，把10.23兆赫調為10.22999999543兆赫，這些數字全靠相對論才能精確地算出來。

「神奇！」你大概會驚呼一聲，「相對論原來就是這個啊。」哦不，這並不代表相對論，衛星上的時間變快只不過是相對論無數推論中的一個，我們透過相對論可以精確地計算出衛星上的時鐘和地面上的時鐘的誤差到底是多少。相對論還有很多很多的推論，小到推測水星的運行軌道、在發生日全蝕時星星的位置，大到可以推演太陽的過去與未來、甚至宇宙的過去與未來。「神奇！」你再次驚呼一聲，「不過你越說越玄了，我還是有點不信，你先別說得那麼遠，你前面說什麼來著？時間本身變慢了？這個太令人難以理解了。在我眼裡時間本身是均勻流逝的，我們感受的所謂快慢無非是我們自己的感覺在變化，即便是你的錶和我的錶不準那也不是時間本身不準，而是我們的手錶精度不夠造成的。中午12點整開飯對任何人來說都是12點整開飯，這是一個客觀事實擺在那裡，不會因為我們用的是一支真的勞力士還是一支山寨勞力士而改變。」坦誠地說，我非常理解你的這種想法，而且我還要恭喜你，你的這個思想和偉大的牛頓是一模一樣的。但非常遺憾，這個想法錯了，真的錯了。

相對論是研究時間、空間、運動這三者關係的理論體系的總稱，它是這100多年來人類最偉大的兩個理論之一（還有一個是量子理論，那又是一個長長的激動人心的故事，推薦閱讀《上帝擲骰子嗎？量子物理史話》，作者曹天元），諾貝爾物理學獎是不足以來評價相對論的偉大的。如果上帝真的存在的話，上帝過去總是說：「人類一思考，上帝就發笑。」相對論之後，上帝改口了：「人類一思考，上帝就發慌。」

我們對相對論的誤解實在是太多了。大多數人都覺得相對論很神祕、很深奧，是大科學家才能理解的東西。這種誤解來自於一個廣為流傳的關於相對論有多難懂的故事，說的是一位記者問天文學家愛丁頓（Arthur Eddington）：「聽說全世界總共只有三個人能懂愛因斯坦的相對論，您是其中之一，是不是這樣？」愛丁頓一時沉默了，正當記者以為愛丁頓要反駁的時候，沒想到愛丁頓說：「我正在想第三個人是誰。」我估計當時這個記者就震驚了。不管這故事是真是假，總之給我們的一個印象就是相對論很難懂。但是大家千萬不要忘了，這個故事發生在100多年前的1906年，那時候相對論剛剛被愛因斯坦用嚴謹的數學語言描述出來，對那個時代的人來說確實是很難理解的。不要說相對論了，你想像一下如果你回到乾隆年間，對大知識分子紀曉嵐說隨便找一個三角形的東西，把三隻角割下來拼在一起，不多不少，總是恰好能拼出直直的一條邊。

鐵齒銅牙的紀曉嵐一開始肯定不相信，真的去找了一些三角形的物件來，一驗證，發現完全正確，即便是大知識分子紀曉嵐也會表示很神奇。但要是在現代，隨便找一個國中生就能證明三角形的內角和是180度，他會告訴你這是一個很簡單的幾何常識。

同樣，相對論的一些基本原理和概念對我們現代人來說，也一點都不高深，不神祕，很好懂，關鍵在於你是不是願意聽我娓娓道來。
　
我保證，只要有高中學歷，都可以大致看懂這本書，並且了解到愛因斯坦的相對論為何足以讓上帝對渺小的人類產生敬畏。作為人類的一份子，我以此感到深深的自豪！

前言
我希望這是一本很有趣的書。我認為這本書與傳統科普書最大的差別在於，它更像是一本茶餘飯後的休閒書，或是一本有點意思的小說。在這本書裡，你會看到很多天馬行空般的小故事。牛頓帶著Tom和Jerry來到一個大水桶裡面觀看神奇的水面凹陷；愛因斯坦化身大警長先是調查了一起環球快車謀殺案，然後又要奔赴雲霄電梯處理可怕的超級炸彈，最後又在太空中建造了一個超級大圓盤以展示他那神奇的時空觀。雖然這一切看上去不像是正經八百的科普，但我可以很負責任地說，故事裡包含的都是很確實的科學真相。很多科學真相用「不可思議」來形容是...

第二版自序
本書自首次出版到現在，一晃就是十年過去了。這是我人生的第一本書，我清晰地記得，十年前當我第一次拿到樣書時，內心的激動恐怕和奧運冠軍走上領獎台時差不多。書上市後，我一口氣買了200 本。
我當時是一家小公司的老闆，有四五十個員工。我就讓所有員工在我的辦公室門口排隊，每個人走過來，看著我在書上簽個名，然後領走，就好像在書店的簽書會一樣。但這也才送出去不到五十本書啊，這哪夠呢。於是我又開始在親戚朋友中送書，有朋友一家三口（孩子剛上幼稚園），我就送三本，給每個人寫個贈言。我朋友尷尬而不失禮貌地微笑說其實有一本就夠了啦，小孩也還不識字，我說沒事沒事，放個十年就能看了。送完200本書後，我獲得了極大的滿足感，整天都樂呵呵的。
那時我是真沒想到這本書還能在台灣出版，甚至還能在台灣出到第二版，我以前以為只有教科書才需要這樣一版一版地修訂下去的。我也絕對沒有想到，十年後，我成了中國小有名氣的專業科普創作者，作品涉及圖書、音訊、視頻等各種形式，大大小小的獎盃擺滿了一櫥窗。而所有這一切的開端，都是始於這本書。
這本書不僅為我帶來了百萬數量級的讀者（包括有聲書聽眾），也讓我結識了許多重量級的科學界人士。2016年，我有幸認識了台灣著名的科幻推廣者、科幻作家葉李華博士，葉博士是加州大學柏克萊分校的理論物理博士，曾在台灣多所知名大學開課，目前任教於陽明交通大學理學院。葉老師不僅有深厚的理論物理功底，而且對科學傳播特別熱情。我與葉博士一見如故，相見恨晚。2019年5月我第一次去台灣旅遊，葉博士特別花時間陪我遊覽了許多台灣的名勝古蹟。
當然，我最感謝的還是葉老師為本書指出了不少大大小小的錯誤，尤其是我對「時間旅行」的物理學原理方面的錯誤，以及對量子力學的一些淺薄理解。
因此，這一版中，對原文內容做了比較多的修訂。例如，修訂了關於宇宙膨脹的內容，幾乎重寫了時間旅行的科學原理，修正了對量子力學的幾個不準確的理解。內容的準確和嚴謹性提升的同時，本書最大的特色，即通俗易懂、風趣幽默的特點並沒有被淡化，你依然需要做好一口氣讀完忘了睡覺的心理準備。
但是不得不說，物理學知識深不見底，任何一本科普書都不可能真正準確地傳達相對論的知識，這是因為科普和科研用的語言不一樣，只有數學才能真正準確地描述物理學知識，而自然語言最多只能讓你形成一個粗略的概念。如果本書讓您對物理和數學產生了比以前更多的興趣或更加深入的探究欲望，就是對我最大的褒獎。
十年，說短不短，說長也不長，我相信自己還有下一個十年創作期。經常有人問我，為什麼那麼熱愛科普創作？有些心裡話我放到書末的第二版後記中再說，先祝您閱讀愉快。
汪詰
2022年2月22日於上海

第二版自序
本書自首次出版到現在，一晃就是十年過去了。這是我人生的第一本書，我清晰地記得，十年前當我第一次拿到樣書時，內心的激動恐怕和奧運冠軍走上領獎台時差不多。書上市後，我一口氣買了200 本。
我當時是一家小公司的老闆，有四五十個員工。我就讓所有員工在我的辦公室門口排隊，每個人走過來，看著我在書上簽個名，然後領走，就好像在書店的簽書會一樣。但這也才送出去不到五十本書啊，這哪夠呢。於是我又開始在親戚朋友中送書，有朋友一家三口（孩子剛上幼稚園），我就送三本，給每個人寫個贈言。我朋友尷尬而不失禮貌地微...

第二版自序
前言

第一章 不得不說的廢話
關於相對論的謠言粉碎機
你必須了解的四個概念

第二章 伽利略和牛頓的世界
相對性原理
伽利略變換
史上最強煉金術士牛頓
牛頓的絕對運動觀
牛頓水桶實驗中的絕對時空觀

第三章 光的速度
伽利略吹響衝鋒號
光速測量大賽
驚人的發現
科學史上最成功的失敗

第四章 愛因斯坦和狹義相對論
兩朵烏雲
巨星登場
第一個原理：光速不變
第二個原理：物理規律不變
環球快車謀殺案
同時性的相對性
時間會膨脹
空間會收縮
速度合成
質速神劍
光速極限
質能奇蹟
四個瘋狂的問題

第五章 廣義相對論的宇宙
愛因斯坦的不滿
生死重量
等效原理
太空大圓盤
時空彎曲
重力的本質
水星軌道之謎
星光實驗
沒見過這麼黑的洞
從黑洞到蟲洞
壓軸大戲

第六章 紅色革命

第七章 時空那點事
時空中的運動
四維時空
時間旅行
星際旅行
星際貿易

第八章 再談四維時空
宇宙的終極圖景
神奇的四維

第九章 上帝的判決
上帝玩不玩骰子？
美劇《宅男行不行》
要命的雙縫
波耳的上帝
EPR實驗
宇宙大法官
上帝的判決
萬物理論

第十章 宇宙是一首交響樂
萬物皆空唯有音樂
擊碎原子
宇宙中的四種「力」
超弦理論
偉大的設計

後記
第二版後記
名詞列表

第二版自序
前言

第一章 不得不說的廢話
關於相對論的謠言粉碎機
你必須了解的四個概念

第二章 伽利略和牛頓的世界
相對性原理
伽利略變換
史上最強煉金術士牛頓
牛頓的絕對運動觀
牛頓水桶實驗中的絕對時空觀

第三章 光的速度
伽利略吹響衝鋒號
光速測量大賽
驚人的發現
科學史上最成功的失敗

第四章 愛因斯坦和狹義相對論
兩朵烏雲
巨星登場
第一個原理：光速不變
第二個原理：物理規律不變
環球快車謀殺案
同時性的相對性
時間會膨脹
空間會收縮
速度合成
質速神劍
光速極限
質能奇蹟
四...