《从零开始读懂相对论》

内容简介

相对论诞生至今已逾百年，但依然被人们津津乐道。相对论为什么如此有魅力？爱因斯坦为什么要创立相对论？本书从“零”开始，紧抓“相对”二字，将所有问题置于历史的背景下，竭力展现人类探索运动本质的全过程。本书内容涵盖地心说、日心说、相对运动、万有引力、电磁场、以太、相对时空、黎曼几何、狭义相对论和广义相对论等。

本书结构严谨、思路清晰，采用“一问一答”的形式书写，问答之间相互关联。每个问答中插入与主题相关的漫画，使物理科普更加有趣味。除问答外，本书在必要位置插入相关的物理小故事，使内容更加丰富。

关键点

1.漫画式设计、穿越式对白让历史人物跃然纸上，真是妙趣横生。
2.用一个个问答铺开人类探索真理的画卷，前后问答环环相扣，让人回味无穷。
3.一改枯燥的讲解，转而从发展的角度来阐述，使得答案更加明了。
4.除问答外，在必要位置还插入了相关的物理小故事，使内容更加丰富。

书摘

Part01　牛顿的世界
思索，继续不断地思索，以待天曙，渐进乃见光明。——牛顿
About Me
大家好，我是物理哥，从小喜欢问各种奇怪的问题，长大后经常回答各种奇怪的问题。今天，我会坐上时光机回到过去，带领读者领略历史上的大贤们是如何看待这些问题的。
01The first station第一站
我的第一站是古希腊。在这里，我将会拜访两位物理学、天文学大师——亚里士多德和托勒密。
问1
大地是球形的，人该怎么办呢？我的意思是，站在上方自然不用担心，但侧面和下面的人怎么办？难道像壁虎一样吸附在地球上？
亚里士多德：我能轻松举起地球，你相信吗？
对于地球来说，它的“下方”永远都指向球心，所以地球上的每个物体都会向下。为什么要向下呢？这是因为地球上所有的物体都有重力，而重力总是向下的。举个例子，你向上扔一块小石头，它开始向上运动，但在重力的作用下，最终落到地球上。重力是每个物体的属性。所谓属性，就是与生俱来的，就像人一生下来就有身高、体重一样。
问2
大地是球形，但天不可能是圆盖，天是什么样的呢？
亚里士多德：很显然，天也是球形的。
其实我们头顶上的天有很多层，如月亮天、太阳天、金星天、水星天、火星天、木星天、土星天，还有恒星天——所有恒星所在的天。恒星天之外还有原始动力天，它是宇宙运行的最终动力来源。所有的天层加上地球就是整个宇宙，地球就处在宇宙的正中心，因此叫“地心说”。
宇宙中仅有地球是静止不动的。天层上的天体每天都会绕着地球转一圈，这样才有了昼夜交替。太阳有些例外，它在太阳天上，还会以年为单位来回摆动，从而导致直射地球的角度发生变化，也就有了四季变化。尽管某些天体运动有些复杂，但它们每天的运行轨迹都是圆，速度是匀速的，因为再也没有比圆和匀速更完美的了。
问3
地球是宇宙的中心，一切“向下”都指向了地心，所以抛起来的一块小石头会因重力而落到地面上。请问太阳、月亮和星星为什么没有落到地球上呢？难道它们就没有重力吗？
亚里士多德：我听说中国有个成语叫“杞人忧天”，非常适合你问的这个问题。
组成物质的基础是元素，元素分四种——土、水、气、火。土最重，水次之，气再次之，火最轻。
土元素和水元素组成的物质因为重力大，所以会下落，而气和火比较轻，所以空气是飘在空中的，火苗总是向上的。
然而，这四种元素仅仅是组成地球上万物的根本，到了天上，就不存在这四种元素了，而是弥漫着第五种元素——以太。天体是由以太组成的，它们并不受重力的影响，因此不必担心太阳、月亮等天体落到地球上来。
地心说
很久以前，一支印欧人部落离开多瑙河畔，迁徙到希腊半岛和克里特岛。他们与原住民融合，成为希腊人的祖先。古希腊人崇尚自然，认为万物以“适度”为宜。假如你能回到古希腊，并在他们面前吹嘘你是单腿站立最久的人，古希腊人会不屑一顾地把你赶出去，并且告诉你一个真理：论单脚站立，谁都比不过一只鹅。
然而对于自然哲学，古希腊人的盘根问底从未“适度”，比如，当看到一艘船从大海上归来，站在岸上的人总是先看到船的桅杆再看到船身，他们就会猜想大地可能不是一块板，而是一个球；当诸多现象证实大地是个球后，他们又会猜想宇宙的模样……
古希腊人很早就认识到大地是一个球。公元前6世纪，米利都学派的哲学家阿那克西曼德（约前610—前545）就曾说：“天空在我们脚下仍然延续。”与此同时，米利都学派的哲学家们认为地球是宇宙的中心——这就是最早的地心说。
最早形成地心说理论的是哲学家欧多克斯（前408—前355）。欧多克斯是古希腊时代最伟大的天文学家之一，他曾在柏拉图学院学习，是柏拉图的学生。作为“希腊三杰”（苏格拉底、柏拉图、亚里士多德），柏拉图的思想在当时的影响非常大，“圆是最美的图形”就是他的思想之一。
欧多克斯一开始就吸收了柏拉图的思想，认为行星绕着地球转动——轨迹是圆、速度是匀速的。后来欧多克斯发现行星的轨迹并非如此，但也没有修正自己的学说，有一种说法认为他在给老师柏拉图“留面子”。但物理哥认为，这样做也许有更深一层的原因：如果不是圆，就必然要考虑是什么改变了天体的方向；如果不是匀速，就必须考虑天体的速度为什么要改变。
柏拉图的另一个学生——亚里士多德继承了地心说理论，还为它提供了强大的理论支撑——动力学理论，也就是力与物体运动的关系。
在亚里士多德之前，著名哲学家芝诺（约前490—前430）就曾提出一个悖论：一个人要从A点到B点，必须先到达AB的中点C，要到达C点，必须先经过AC的中点D……无限分割下去，中点就无限接近于A点。也就是说，这个人无法离开A点，所以芝诺认为运动是不存在的。也许你会认为这只是哲学家的一家之言，但如果把人换成一支箭，就会出现“我站在你的正前方，你的箭却射不中我”的荒诞逻辑。
亚里士多德巧妙地驳斥了这种观点，他认为“无限”就是“连续”，所以一支箭不可能“无限”地到达中点，而会“滑”过中点。换句话说，运动就像一条直线，任何两个点之间必然有无限个点。
亚里士多德认识到，运动的存在离不开主体，所以不能说“我像奔跑”，而应该说“我像豹子一样奔跑”。那么，是什么造成物体的运动呢？亚里士多德认为有两个原因：一个是来自物体自身的属性——重力；另一个是来自外力，比如车子原本静止，被力推动后才能向前运动。
运动离不开时间和空间。亚里士多德认为时间就是数轴上的数字，两个数之间有无限个数，因此时间也是连续的；空间也是连续的，比如一个装满水的杯子，倒掉水后，杯子就空了吗？不，因为它现在装满了空气。但是，空间的连续性会被“真空”破坏掉，因此亚里士多德不认为真空是存在的，“自然界厌恶真空”就是他的名言之一。可是到了月亮天之上，连空气也没有了，它们难道不是真空吗？不，月亮天之上还弥漫着一层以太。
亚里士多德的很多观点是从感觉和经验出发的，并没有实验基础，也经不起推敲。比如，水会因重力而下落，但海水却无缘无故地涨潮了；小石头和羽毛从同样的高度同时下落，小石头先着地。他简单地认为：重的物体下落快，轻的物体下落慢；人推车子，车子向前运动。可当人松开手后，车子依然还会运动一段距离才停下，这段运动是靠什么力来维持的呢？
在众多假说中，以太对后世的影响可谓巨大。在现代物理学中，以太早已没了身影，但是倒退120年左右，寻找以太可是整个物理学界最重要的任务之一。在历史的长河里，以太就是披着神秘外衣的小女孩，每当物理学家们有所需要时，就会把它打扮打扮，推向舞台。
问4
但是，地心说让我感到怀疑。就拿火星来说吧，它似乎不那么“听话”。站在地球上看，它某一年的轨迹极有可能是“S”形的，这该怎么解释呢？
托勒密：这个问题让我来解释一下。
早在欧多克斯时期，天文学家们就发现天体的运行轨迹不是圆形的，但几乎所有人都选择视而不见。现在航海上的需要，让这个问题不得不有个准确的答案。我在前人的基础上，提出一个处理方案。
太阳、月亮和恒星依然绕着地球做圆周运动，但像火星、木星等一些“不听话”的行星，它们的运动要复杂一点。它们不是直接绕着地球转，而是绕着本轮转，本轮的圆心绕着地球转——形成均轮。
不过，绕地球旋转的天体不是匀速转动的，而是匀角速转动的，也就是说，相同时刻，每个天体转动的角度是固定的。
什么是物理？
“请问，‘天下乌鸦一般黑’这句话是正确的还是错误的？”
数学家：“在你没有找出所有的乌鸦之前，它只能是一个猜想，就像哥德巴赫猜想或孪生素数猜想一样；只有被证明出来，它才是完全正确的。”
物理学家：“从大量的观察对象来看，乌鸦必然是黑色的。这就是物理学中的‘唯象论’。如果要证明这句话是错误的，就必须找出一只不是黑色的乌鸦来。”
在今天看来，地心说理论是百分之百错误的，那它究竟错在何处？如果换个角度来看，这些错误还能不能有其他温柔点的答案呢？实际上，地心说中的每个天体都是一只“黑乌鸦”，套上本轮和均轮后，运行轨迹完全可以被本轮均轮学说所诠释。从这个角度出发，托勒密的地心说并非错误。
谁要想证明它是错误的，就必须找出“一只不是黑色的乌鸦”。然而千百年来，没人能找出“这只乌鸦”。原因在于，托勒密的地心说模型中的本轮数量理论上是无限的，也就是说，一个本轮不够就两个，两个不够就三个……直到完全符合真实情况为止。可以说，它与数学里的傅里叶变换是一致的。
难道托勒密的地心说模型就是正确的？答案也是否定的。著名的物理学家杨振宁先生将物理学分为四个层次。
（1）实验。指的是一切可以观测到的现象。
（2）唯象理论。对所有可观测到的现象进行经验总结。
（3）理论架构。在经验总结的基础上，得出理论体系结构。
（4）数学。理论仅仅是定性的，最终还要定量，这就需要找出完美的数学公式。
托勒密的地心说很好地符合前面三点，但在第（4）点上遇到了麻烦。对于人的大脑而言，一个本轮尚可接受，两个本轮还能勉强考虑，超过三个恐怕大脑就乱得跟糨糊一样了。
托勒密深知这点，所以他强调他的地心说模型不是终极理论，只是经验总结，如果有更好的模型那是最好不过的。但事与愿违，在他死后的1300多年里，他所著的《天文学大成》一直是西方天文学的教科书。后来，神学研究者将地心说与神学相结合，亚里士多德和托勒密的理论成功地被嫁接成上帝创造万物的理论根源。然而该来的总要来，打破这一切的正是笃信上帝的哥白尼。

最后

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