宇宙相对论

入门 相对论是本书的核心。我们习惯于认为相对论即爱因斯坦（Einstein）在物理学中提出的那一系列的繁杂内容（当然，爱因斯坦的成果的确是相对论的组成部分），但相对论还有大量的其他内容。 欲从基础层面体悟相对论，我们需要来一趟时光之旅，回到1624年，去意大利（Italy）中部翁布里亚（Umbria）的皮耶迪卢科湖（Lake Piediluco）见见伽利略（Galileo）。据说，当年，伽利略正和一群朋友远足，他们乘坐在一艘由数人划动的船上，欣赏着漂亮的湖景。当时，他们正以很快的速度在水面上划行。有传闻称，伽利略当时问自己的朋友斯泰卢蒂（Stelluti），能否从他那借到一个有份量的物品。斯泰卢蒂勉强地将自己家的钥匙递了过去。那是一把400年前的钥匙，可不是今天我们熟悉的精致小巧的月牙钥匙，那时的钥匙多为大大的铁家伙且极难匹配替换。 让斯泰卢蒂惊恐的是，伽利略从自己手里拿过钥匙后用尽全力地扔了出去——他将钥匙垂直地扔上了天空。你可别忘了，船仍在以不低的速度向前运动。故而，斯泰卢蒂已做好了随时跳进湖里的准备，他担心自己的钥匙掉下来时船已划走了，这枚珍贵的钥匙会在船的后方掉入水中。同时，他的朋友们必须得拽住他，避免他在抓钥匙的过程中完全落水。结果是，钥匙掉回了伽利略的腿上。 这个故事的真实性尚待商榷——许多有关伽利略的故事都缺少事实证据的支持。不过，可以肯定的是，在做某些事情的时候伽利略充满了自信，他做的这些事在后来被称为相对论。依照自然假想，斯泰卢蒂认为，当沉重的金属钥匙还处于空中时，快速运动的船会从其下方划走。然而，他并未透彻地理解“运动”的真实含义，伽利略却有过认真思考。 体系之内 无论何时，只要某事件涉及到“参照系”（对某事件进行观察时，其所处的特定环境及状态），就涉及了相对论，这恰好是发生在伽利略的小船上的事件。相对论既是看待事物的方式，也是理解事物如何发生交互作用的必然要求。在物理学中，某些客观事实一旦被孤立，就失去了意义。对这类现象，我们必须使用相对性去理解。引用相对性，就必须选择一个参照系，以作为客观事实的背景。在相对论中，相对性涵盖很广，小至能测量运动的全部参数，大至能探索我们宇宙所处位置的参数。相对论可以预测一场车祸会造成多大伤害，也可以预测时间中的旅行，还可以解释引力发挥作用的机制。感受相对论的作用、理解它为何总是违背我们的直觉，的确有些困难——要对这一理论有坚实的理解，我们必须从头开始，重新塑造我们的宇宙观。 重塑宇宙观显然是个大型任务。现实一点来讲，对于宇宙的复杂性，我们只能来一次惊鸿之瞥。即便这样，也足够我们探索相对论那包罗万象的本质。 在揭示相对论用途的过程中，参照系的概念非常重要。参照系是事件运行时的背景，它可以是纯粹物理性质的体系。对此，我用一句戏剧脚本中经常见到的描述举例，“艾玛（Emma）从左边走到了右边。”如果没有参照系，我们不可能知道左右，应按谁的视角来看待这一行动。显然，坐在观众席往舞台上看与坐在后台看向观众席，左右不同！没有清晰的参照系，我们不知道扮演艾玛的演员该往哪个方向行走。因此，戏剧脚本通常会用“舞台左侧”或“舞台右侧”作表述，以使背景清晰。 “左”与“右”这样的术语本身就是相对的。先有一个参照系存在，这两个术语才能真正具有意义。这样的物理学系统给我们带来了相对论的*基本形式。回到伽利略游湖的例子，以湖岸或水作参照时，船在运动，这显然是真实情况，是不证自明的事实。但那样的运动不能被认作具有绝对性——比如，以船上乘客作为参照系，船仍然在运动，乘客将会很快落在船的后方，变成落汤鸡。真实情况是，从乘客的角度看，船并未运动，是水和湖岸（事实上是整个地球）向他们的后方运动。 如果乘客中的某个人将自己的手指放入湖中，上述现象会变得明显——他能在皮肤上感觉到水流正向后方运动。发生于钥匙上的事件与此相同。在以船为参照系的系统中，钥匙并未向前或向后运动，只是发生了向上以及向下的运动。所以，钥匙*终无处可逃地掉进了伽利略的腿上，并未留在船的后方并没入湖水。 斯泰卢蒂对钥匙掉入水中的推理，提供了一个线索，使这一误解变得没那么令人难堪——钥匙离开了船，作用在船和钥匙上的力不再相同。二者都会受到向下的重力作用，二者都会受到空气阻力作用使其减速。不过，船还会受到另外两种力的作用——来自水体的更强大的减速阻力，以及划桨人使船向前运动的力。试想，如果钥匙在空气中停留足够长的时间，且不能受到任何向前的推力，它会在空气阻力的作用下减速。数学上，如果钥匙在空气中停留的时间达到某个值，船终究会越过钥匙落下的位置。实际上，案例中的物体太重，空气阻力的影响几乎可以忽略，不会出现极端结果。换个角度，如果伽利略向空中抛起的是一张纸片，结果或许完全不同。 如果不考虑上述陈述的不同力的情况，以船作参照系，扔钥匙这一动作实际上仅使钥匙发生了向上及向下的运动。在以船为参照系的系统中，是地球、湖水在运动。伽利略将这一概念作了外延——假设船匀速运动，且船体完全封闭（没有窗户，乘客看不见船外发生的事；同时，封闭的船还能隔绝乘客对空气流动的感知），那么，在船体内部进行的任何物理试验，均无法说明船是否处于运动状态。 ......