时间的形状

时间的形状

关于作者

汪洁，“科学声音”组织首届轮值秘书。其代表作《时间的形状：相对论史话》获第八届国家文津图书奖，另著有《星空的琴弦》《外星人防御计划》《科幻世界漫游指南》等作品。自媒体节目《科学有故事》主播，全国各科技馆、中小学人气演讲嘉宾。

关于本书

这是一本读着像小说一样的科普读物，作者按照时间顺序，从伽利略、牛顿的经典物理学理论开始说起，再讲到光速测量，以及困扰经典物理学界很多年的光速不变之谜。一个接一个的悬念推动物理学的发展，直到爱因斯坦横空出世，用相对论破解有关时间、空间、运动和引力的谜团，为读者打开一个看待世界的全新视角。

核心内容

我们今天所知道的现代物理学知识并不是某一个科学家拍脑门的产物，而是一代又一代科学家们传承的结果。新的物理学知识并不是完全推翻了旧有的物理学知识，而是对旧有知识在更高精度上的修正，新知识体系必须兼容旧知识体系。现在，“上帝”留给我们的两道新思考题又摆在了人类面前，等待着我们去破解下一个自然规律之谜。

相对论是研究时间、空间、运动、引力这四者关系的理论体系的总称，它是这一百多年来人类最伟大的两个理论之一，另一个理论是量子力学。在科学史上，曾经有一些理论没有获得诺贝尔奖，并不是这个理论的遗憾，而是诺贝尔奖的巨大遗憾，相对论就是它们的代表。

一、理解相对论的四个前置概念第一，要判断一个理论是不是科学理论，著名的科学哲学家波普尔提出了一个被广泛接受的标准，那就是看它是不是具备“可证伪性”。也就是说，是不是具备被证明是错误的可能性。相对论也符合这个标准。

第二，科学界有一个比较推崇的哲学原则——奥卡姆剃刀原理。原文比较文绉绉，是这样说的：如无必要，勿增实体。简单翻译一下，就是想解释一个现象，假设最少的解释往往最接近真相。在相对论的发展史上，爱因斯坦充分运用了这个原理。

第三，在物理学的发展史上，有一种特殊的实验起到了至关重要的作用，就是“思维实验”。简单解释就是不需要任何实验设备，只需要在头脑中进行的实验。相对论的最终建立，思维实验起到的作用可以说是居功至伟。

第四，在物理学中，有一个很拗口的术语，叫“佯谬”，佯装的佯，谬误的谬。是说乍一听肯定是错误的，但是没想到却是正确的理论。在相对论的发现过程中，人们发现了非常多的佯谬，也就是反直觉、彻底颠覆我们三观的现象。

二、从这四个前置概念出发，通过三个反转剧情来讲述这个关于相对论的故事。

第一个反转剧情之前人们相信的都是牛顿和伽利略的观点，认为时间是绝对的，不受其他因素的影响。但到了 19 世纪末，一系列的实验推翻了人们的这个看法，其中最出名的就是“迈克耳逊—莫·雷”实验，它被称为“科学史上最成功的失败”。

第二个反转剧情为了解释这一系列实验的结果，爱因斯坦通过一个伟大的思维实验，做了一个大胆的假设：光速相对于任何观察者来说都是不变的。这让他最终得出了狭义相对论的核心观点：时间是相对的，没有什么绝对的时间，它与运动密不可分。只要宇宙飞船运动得足够快，宇宙飞船上的一年可以相当于地球上的一百年。

第三个反转剧情虽然我们现在知道，爱因斯坦提出的相对论是划时代的理论，但是我们刚刚也说了，在爱因斯坦去世的很多年后，他的理论才被实验证明。所以，当狭义相对论刚诞生的时候，几乎没有引起什么轰动。而且狭义相对论的一个明显缺点是没有将“引力”纳入到方程式中，为此，爱因斯坦又奋斗了十年，终于提出了“世界上最美的理论”——广义相对论。

爱因斯坦的研究告诉我们，我们身处的这个宇宙，它的时空结构符合一个方程式，这个方程式就是著名的爱因斯坦场方程，它是迄今为止人类找到的最深刻的一个方程式。通过这个方程式人类计算出了黑洞、宇宙大爆炸、引力波等等一系列重塑人类宇宙观的自然现象。

金句

面对颠覆认知的实验结果，爱因斯坦没有像其他科学家一样，给实验找各种理由假设，而是挥起“奥卡姆剃刀”，刮掉了几乎所有的假设，只剩下一条，那就是光速本身就是不变的。

相对论是公理演绎思想的极致体现，它从三个最基本的公理出发，也就是三个无法证明，但又找不到任何反例的假设出发，一步一步，就像证明几何题一样推导出了整个理论大厦，令人叹为观止。

我们身处的这个宇宙，它的时空结构符合一个方程式，这个方程式就是著名的爱因斯坦场方程，它是迄今为止人类找到的最深刻的一个方程式。

撰稿：汪诘

脑图：摩西

转述：江宁