1905年，被稱為物理學(xué)的「奇跡年」，因?yàn)閻垡蛩固乖谶@一年中連續(xù)發(fā)表了5篇論文，每篇論文都像一顆耀眼的超新星照亮了宇宙，改變了物理學(xué)的紀(jì)元。

巨星登場

下面讓我榮幸地介紹并邀請我們的一號男主角——阿爾伯特·愛因斯坦先生登場。雖然在各位的心目中，愛因斯坦的形象早已固化，亂蓬蓬的頭發(fā)，滿是皺紋的臉，經(jīng)常叼著的煙斗，鷹一樣深邃的眼神，在很多人的心目中這個(gè)老頭代表的就是科學(xué)。

但是，愛因斯坦成為本書一號男主角的時(shí)候，可是一個(gè)只有26歲的英俊小伙子，完全不是你頭腦中的那個(gè)形象。瞧瞧，這就是青年愛因斯坦。

下面是愛因斯坦應(yīng)聘本書一號男主角時(shí)投遞的簡歷：

姓名：阿爾伯特·愛因斯坦

性別：男

國籍：瑞士

年齡：26

婚姻：已婚

職業(yè)：專利局三級技術(shù)員

單位：瑞士伯爾尼專利局

學(xué)歷：蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)物理***本科畢業(yè)

愛好：拉小提琴和思維實(shí)驗(yàn)

成就：沒有（沒結(jié)婚就要當(dāng)爸爸了，不知道這個(gè)算不算）

如果這份簡歷被一個(gè)平庸的導(dǎo)演看到，不用想，肯定直接被扔進(jìn)垃圾桶，桌上堆積如山的簡歷最次也是個(gè)博士的，教授、博導(dǎo)更是多如牛毛，怎么可能輪得上這個(gè)不知道從哪里冒出來的、專利局的一個(gè)小小的三級技術(shù)員呢？但是筆者向來不愛走尋常路，所以決定前往瑞士伯爾尼一探究竟。

作為未來人的好處就是我可以看到愛因斯坦，但是他卻看不到我。我不會(huì)跟過去的世界產(chǎn)生任何交流，也無法影響過去的世界，我只是一個(gè)全能的觀察者。（科學(xué)原理：假設(shè)此時(shí)你能突然出現(xiàn)在距離地球100光年外的地方，你拿起天文望遠(yuǎn)鏡朝地球看，看到的就是100年前的地球，只要精度足夠，你就能看清地球上100年前發(fā)生的事情的每一個(gè)細(xì)節(jié)。）

作為一個(gè)三級專利員，愛因斯坦的工作主要是審查提交過來的各種發(fā)明專利是否具備原創(chuàng)性，是否符合專利申請的標(biāo)準(zhǔn)。最近一段時(shí)間，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)關(guān)于遠(yuǎn)距離對時(shí)方面的發(fā)明專利申請?zhí)貏e多。這是因?yàn)榛疖囆阅苷诳焖偬岣撸@個(gè)鋼鐵機(jī)器居然比馬車跑得還快，并且不知疲倦，只要不停地給它吃煤，它就能不停地跑，而你給馬不停地吃草只能把它撐死。因?yàn)榛疖嚺艿锰炝耍跃痛呱艘粋€(gè)新的需求，就是要求能遠(yuǎn)距離對時(shí)。

歐洲的各個(gè)城市之間還沒有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)城市都擁有自己的地方時(shí)間，過去只有馬車的時(shí)候，從一個(gè)城市到另外一個(gè)城市，只需要把自己的鐘表根據(jù)當(dāng)?shù)氐臅r(shí)刻調(diào)整一下即可，從來也沒人覺得會(huì)遇到什么麻煩。但是火車出現(xiàn)后，情況可就變了，火車跑得那么快，如果兩個(gè)城市之間的鐘表時(shí)間不調(diào)到一致的話，那么在同一個(gè)鐵軌上跑的多輛火車很可能就會(huì)撞在一起，因此，對時(shí)絕對不是一件小事。

此時(shí)，利用電磁波來通訊的無線電技術(shù)已經(jīng)逐步趨向成熟。我們前文已經(jīng)說過，電磁波的傳播速度是光速，所以利用無線電來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對時(shí)就是一個(gè)很靠譜的想法。很多這方面的發(fā)明專利開始涌向伯爾尼專利局，愛因斯坦因?yàn)槭俏锢?**畢業(yè)的，所以這類發(fā)明往往都會(huì)交給他來審查。小愛很敬業(yè)，也很細(xì)致，為了提高自己的業(yè)務(wù)水平，小愛也跟著要思考電磁波、光速、時(shí)間這方面的問題。但是最近小愛有點(diǎn)兒煩，他申請二級專利員的申請書被駁回了，理由是***能力還不夠，這也促使小愛必須多努力思考，提升業(yè)務(wù)水平。

第一個(gè)原理：光速不變

每當(dāng)專利局的工作結(jié)束后，小愛總是不急于回家，而是坐在辦公室，用自己寫完的草稿紙卷起一根紙煙，點(diǎn)燃，深吸一口，往椅子上一靠，開始他的思考：

光為什么傳播得那么快？因?yàn)樗且环N電磁波；電磁波是怎么傳播的呢？根據(jù)麥克斯韋那組漂亮的方程組可以看出來，振蕩的磁場必然產(chǎn)生振蕩的電場，而振蕩的電場又必然產(chǎn)生振蕩的磁場，如此循環(huán)下去就成了電磁波。

那么，我是不是可以這樣認(rèn)為，電磁波的傳播速度正是第一個(gè)「振蕩」引起第二個(gè)「振蕩」的反應(yīng)速度呢？嗯，沒錯(cuò)，這就好像一隊(duì)人站成一排報(bào)數(shù)一樣，聽到一的人報(bào)二，聽到二的人報(bào)三……光速其實(shí)就是這個(gè)報(bào)數(shù)的傳遞速度，它和我們常見的小球或者火車的運(yùn)動(dòng)速度顯然有很大不同。火車從這里運(yùn)動(dòng)到那里，就是火車這個(gè)實(shí)體的位置從這里移動(dòng)到了那里，但是電磁波，也就是光，它的傳播速度其實(shí)是「每一個(gè)報(bào)數(shù)的人，他們的反應(yīng)速度」，真空充當(dāng)?shù)木褪沁@個(gè)報(bào)數(shù)人的角色，而交替變換的電、磁場就是報(bào)出去的這個(gè)「數(shù)」。

1865年，偉大的麥克斯韋在《電磁場的動(dòng)力學(xué)理論》中證明過，電磁波的傳播速度只取決于傳播介質(zhì)。到了1890年，第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)電磁波的天才赫茲也明確地指出，電磁波的波速與波源的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)。麥克斯韋的方程組實(shí)在是太美了，我深信蘊(yùn)含如此深刻數(shù)學(xué)美的理論一定是正確的。

電磁波的速度和波源的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，也就是光速和光源的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，讓我來想象一下這是什么概念。當(dāng)我朝平靜的湖中扔下一顆石子，不管我是垂直地從上空扔下去，還是斜著像打水漂一樣地扔過去，這顆石子產(chǎn)生的漣漪都應(yīng)該以相同的速度在水中擴(kuò)散出去。

我可不可以做這樣的一個(gè)思維實(shí)驗(yàn)：假設(shè)我現(xiàn)在一個(gè)人在黑漆漆的宇宙中飛行，雖然我飛得跟光一樣快，但是因?yàn)闆]有任何參照物，我感覺不到自己的速度，就我自己的感覺而言和靜止是一樣的。這時(shí)候如果我身邊有一束光，或者一個(gè)電磁波，我將看到什么呢？一束和我保持靜止的光嗎？一個(gè)靜止的電磁波嗎？也就是看到一個(gè)雖然在振蕩的電磁場，但是它卻不會(huì)交替感應(yīng)下去嗎？哦，不，這顯然違背了麥克斯韋的方程組，波的速度和波源的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，雖然我在以光速飛行，不論是我自己用發(fā)生裝置發(fā)生一個(gè)電磁波，還是我飛過一個(gè)電磁波發(fā)生裝置，我看到的電磁波都應(yīng)該是相同的，因?yàn)榻橘|(zhì)沒有變。

我將看到一個(gè)振蕩中的電場能夠產(chǎn)生振蕩的磁場，而一個(gè)振蕩中的磁場又能夠產(chǎn)生振蕩的電場，這個(gè)交替反應(yīng)絕不會(huì)停下來。再想象一下報(bào)數(shù)的情況，如果我和這隊(duì)報(bào)數(shù)的人都在一節(jié)火車車廂中，火車高速行駛，但是我并不能感覺到火車是靜止的還是運(yùn)動(dòng)著的，我會(huì)看到報(bào)數(shù)人的反應(yīng)速度提高了嗎？這也顯然很荒謬，火車跑得再快也應(yīng)該跟報(bào)數(shù)人的反應(yīng)速度無關(guān)，我應(yīng)該仍然看到它們以同樣的反應(yīng)速度傳遞著「一、二、三……」才對啊。

這么說來，光速應(yīng)該相對于任何參照系來說，都是恒定不變的。哦，我這個(gè)想法實(shí)在有點(diǎn)瘋狂，但是MM實(shí)驗(yàn)是怎么解釋的呢？MM實(shí)驗(yàn)得出的最直接的結(jié)論不就是光速不變嗎？為什么我們首先要把這個(gè)簡單的結(jié)論復(fù)雜化，想出各種各樣的理論和假設(shè)來否定光速不變呢？為什么我不先承認(rèn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是正確的，然后再去考慮怎么解釋這個(gè)結(jié)果呢？

要解釋MM實(shí)驗(yàn)為什么測量不到以太的存在，無非就是下面兩種思路：

第一種思路：

假設(shè)一：以太是存在的。

假設(shè)二：因?yàn)槟撤N原因，無法檢測出以太。

結(jié)果：我們沒有在MM實(shí)驗(yàn)中檢測到以太。

第二種思路：

假設(shè)一：以太是不存在的。

結(jié)果：我們沒有在MM實(shí)驗(yàn)中檢測到以太。

根據(jù)奧卡姆剃刀原理，第二種思路更有可能接近真相，它需要的假設(shè)更少。

想到這里，愛因斯坦手上紙煙的煙灰掉落在地上，瞬間碎成一片。愛因斯坦從沉思中回過神來，對剛才的思考感到滿意，他想這個(gè)問題已經(jīng)不止一天兩天了。他拿起筆在草稿紙上寫下一句話：光速與光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，對于任何參考系來說，光在真空中的傳播速度恒為c。寫完他馬上匆匆收拾東西回家，再不回去，老婆該沖他發(fā)火了。

第二個(gè)原理：物理規(guī)律不變

最近小愛被這些想法搞得有點(diǎn)興奮，上班也不大有心思，腦子里都是這些關(guān)于光速的想法。小愛的思考如洶涌的潮水般朝筆者的思維中涌過來，讓筆者應(yīng)接不暇。在所有這些思考中，關(guān)于伽利略相對性原理的思考尤為精彩，而且是從另外一個(gè)思考角度出發(fā)，同樣得到了光速必須不變的結(jié)論。讓我們來一起聽聽小愛的思考：

伽利略相對性原理說的是，在任何慣性系中，力學(xué)規(guī)律保持不變。這一原理簡潔而深刻，看起來是如此優(yōu)美。但我想問的是，為什么上帝只偏愛「力學(xué)規(guī)律」呢？電磁學(xué)規(guī)律就會(huì)變嗎？熱力學(xué)規(guī)律就會(huì)變嗎？這說不通。上帝一定是一個(gè)喜歡簡單的老頭子，他不想把問題復(fù)雜化。

我的想法是：在任何慣性系中，所有的物理規(guī)律都不變。對，就應(yīng)該是不變的，如果在不同的慣性系中，普遍的物理規(guī)律是不同的，那么我們會(huì)看到什么？天文學(xué)家早就測算出來，我們居住的地球是以每秒鐘30千米的高速繞著太陽公轉(zhuǎn)，對我們地球上的每一個(gè)人而言，我們都坐在地球這個(gè)大火車中，那么物理規(guī)律在不同的空間取向上就應(yīng)該不同才對，因?yàn)榈厍虻倪\(yùn)動(dòng)方向每時(shí)每刻都在發(fā)生著變化。

換句話說，空間會(huì)有各向異性，我們做任何物理實(shí)驗(yàn)都不能忽略這個(gè)空間各向異性。但是，實(shí)際情況是怎樣呢？我們從來沒有想過，做一個(gè)赫茲的電磁實(shí)驗(yàn)要考慮實(shí)驗(yàn)室的朝向吧？如果有人告訴你：實(shí)驗(yàn)室的朝向?qū)Q定電磁實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，你一定會(huì)覺得荒謬。對我們這個(gè)地球空間來說，哪怕是最小心的觀察，也沒有發(fā)現(xiàn)任何物理規(guī)律的不等效性，也就是沒有發(fā)現(xiàn)任何空間各向異性的證據(jù)。

在我看來，MM實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)就是對空間各向是否異性的檢測。這是迄今為止對空間各向是否異性的檢測精度最高的實(shí)驗(yàn)了，但即便是如此高精度的實(shí)驗(yàn)，也沒有發(fā)現(xiàn)任何空間各向異性的證據(jù)，反而恰恰說明了伽利略的相對性原理應(yīng)該被修正為：在任何慣性系中，所有物理規(guī)律保持不變。

伽利略曾經(jīng)寫過一個(gè)生動(dòng)的故事，說如果在一艘大船的船艙中，你帶上一些小飛蟲，在艙內(nèi)放上一只大水罐，里面養(yǎng)上幾條魚，再掛起一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的水罐中。然后你觀察飛蟲的飛行，觀察魚的游動(dòng)，觀察水滴入罐。

但是不論你多細(xì)心地觀察，你也不可能通過觀察這些情況，來判斷船是靜止的還是處于勻速直線運(yùn)動(dòng)中（這個(gè)故事在我們中學(xué)的物理書中被稱為「薩爾維柯蒂之船」）。同樣，你試圖用力學(xué)實(shí)驗(yàn)的所有***來判斷船的狀態(tài)的行為也都是徒勞的，不管你做什么樣的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，都不可能判斷出船的狀態(tài)。

我的想法是，不僅是做力學(xué)實(shí)驗(yàn)不行，你在上面做任何物理實(shí)驗(yàn)，不論是光學(xué)、電學(xué)還是熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，都無法判斷出船到底是靜止的還是正在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。上帝不偏愛任何物理規(guī)律，在慣性系中，眾生平等。

這就是我愛因斯坦的相對性原理，它比伽利略的相對性原理更簡潔、更深刻、更優(yōu)美，我很難想象它會(huì)是錯(cuò)的。

根據(jù)這個(gè)原理，真空中的光速必定是恒定不變的，如若不然，我就可以通過做光速測量實(shí)驗(yàn)，來判斷薩爾維柯蒂之船到底是靜止的還是運(yùn)動(dòng)的。

小愛想到此節(jié)，立即拿出昨天那張稿紙，在昨天寫的那句話下面又加上了一句話：「在任何慣性系中，所有物理規(guī)律保持不變。」寫完他馬上匆匆收拾東西回家了，再不回去，老婆又該沖他發(fā)火了。

這天晚上躺在床上，愛因斯坦失眠了，對妻子的暗示也置若罔聞，他滿腦子都是草稿紙上的那兩句話。說實(shí)在的，小愛覺得物理學(xué)中蘊(yùn)含的奧秘比身邊的妻子更值得迷戀，他心底里有點(diǎn)后悔大學(xué)時(shí)過于沖動(dòng)，干了不該干的事情。但是總該對米列娃負(fù)責(zé)吧，想起自己的婚姻，小愛總是覺得有點(diǎn)無奈。這些東西還是別多想了，草稿紙上的兩句話在愛因斯坦的腦袋中一遍遍地顯現(xiàn)出來：

1．在任何慣性系中，所有物理規(guī)律保持不變（相對性原理）。

2．光在真空中的傳播速度恒為c（光速不變原理）。

這兩句話就像一個(gè)魔咒，在小愛的腦中揮之不去：如果說我的思考是正確的話，這兩個(gè)假設(shè)成立，那么到底意味著什么呢？如果一個(gè)人在一列以速度v行駛的火車上，用手電筒打出一束光，那么從站臺上的人看來，這束光的速度難道不應(yīng)該是c+v嗎？但如果真的是c+v的話，明顯又和我上面寫的兩句話相抵觸。

看來我要么放棄簡潔優(yōu)美的相對性原理，要么放棄我頭腦中對于速度的既有理解。如果一只小鳥也在車廂里以w的速度飛，那么站臺上的人看來，小鳥的速度顯然應(yīng)該是v+w，對這個(gè)觀念，現(xiàn)在沒有人會(huì)否認(rèn)。

但是，憑什么我們對小鳥的結(jié)論硬要安在光的頭上呢？我們對光速的認(rèn)識太淺薄了，相對于光速，不論是小鳥還是火車，其速度都低得可以忽略不計(jì)。我們生活在一個(gè)速度低得可憐的世界里，在這個(gè)世界里總結(jié)出來的規(guī)律難道真的也可以適用于高速世界嗎？在火車上的人和站臺上的人看到的光速都仍然是c，這個(gè)結(jié)論之所以讓我們感到奇怪，是因?yàn)槲覀円粠樵傅匕盐覀冊诘退偈澜绲母惺苤苯油咚偈澜缪由欤聦?shí)超出了我們的想象。我們應(yīng)該果斷地拋棄舊觀念，接受新觀念。

小愛不再糾結(jié)了，他決定接受光速恒定不變這個(gè)新觀念，以此為基石，繼續(xù)往下推演，看看到底會(huì)得到些什么結(jié)論。不論這些結(jié)論是多么的光怪陸離，至少應(yīng)該有這個(gè)勇氣往下想，再奇怪的結(jié)論都可以交給那些實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們用實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)真?zhèn)巍?/p>

小愛想起了自己非常崇拜的古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得，他寫的《幾何原本》一直是小愛少年時(shí)代最鐘愛的書。歐幾里得從5條公理、5條公設(shè)出發(fā)，推導(dǎo)出了23個(gè)定理，解決了467個(gè)命題。這種從基本的幾個(gè)公理出發(fā)，邏輯嚴(yán)密而又無懈可擊的推導(dǎo)過程，讓少年時(shí)期的小愛深深地感受到數(shù)學(xué)之美。他還記得當(dāng)自己第一次親手證明出三角形內(nèi)角和是180度時(shí)候的興奮，還記得自己苦苦推導(dǎo)了兩個(gè)月，終于親手證明了畢達(dá)哥拉斯定理（勾股定理）時(shí)的激動(dòng)，這些小時(shí)候的事情歷歷在目。

「那么我是否可以從幾何學(xué)的公理思想出發(fā)，把光速恒定不變作為基本公理，在此基礎(chǔ)之上往下推導(dǎo)呢？」小愛想著想著，眼皮開始發(fā)沉，意識逐漸模糊起來。小愛睡著了，他做了一個(gè)夢，這個(gè)夢非常精彩。雖然小愛第二天起床以后把這個(gè)夢的情節(jié)忘記掉了，證據(jù)是在他以后的著作中再也沒提到過夢中的情節(jié)，但是顯然這個(gè)夢中的結(jié)論他沒有忘記，證據(jù)是在他以后的著作中，他以另外一個(gè)不同的故事描述了同樣的結(jié)論。但在筆者看來，小愛這個(gè)夢遠(yuǎn)比他自己后來寫下來的故事要精彩得多，下面讓我把小愛的這個(gè)夢記述下來：

環(huán)球快車謀殺案

凌晨五點(diǎn)，愛因斯坦臥室。

一陣急促的******驚醒了熟睡中的愛因斯坦，愛因斯坦從被窩中伸出一只手，拿起了***：「喂，什么事？」

***里傳出聲音：「警長，環(huán)球快車上發(fā)生槍擊案，一死一傷，嫌犯受傷，請您速來現(xiàn)場！」

「我馬上就到。」

愛因斯坦警長從床上蹦起，穿衣出門。

天剛蒙蒙亮，環(huán)球快車伯爾尼站，一列銀白色的外形酷似魚雷的火車停在站臺上，車身上刷著一行標(biāo)語：環(huán)球快車，一小時(shí)環(huán)球旅行。

現(xiàn)在，車站四周拉起了警戒線。

一位探員上來迎接愛因斯坦，他一邊陪同愛因斯坦朝火車走去，一邊介紹案情。

探員：「警長，我們30分鐘前接到一位女士的報(bào)案，聲稱環(huán)球快車上發(fā)生槍擊案。我們趕到現(xiàn)場的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)兩名男子分別倒在車廂的兩頭，其中一人頭部中彈，當(dāng)場死亡，另外一人只是手臂中槍，沒有生命危險(xiǎn)，目前正在列車上的醫(yī)務(wù)室休息。他拒絕回答我們的問題，說一定要見到我們的上司才肯開口。案發(fā)當(dāng)時(shí)除了這三人，該車廂沒有其他人。」

愛因斯坦問：「那個(gè)報(bào)案的女士呢？」

探員：「報(bào)案的女士叫艾爾莎，是一位年輕漂亮的小姐，我們趕到時(shí)她正在給受傷男子包扎手臂。她聲稱槍擊雙方都是自己的朋友，其他的就不肯說了，也是要等您到才肯開口。」

發(fā)生槍擊案的列車車廂中，三四名探員正在仔細(xì)勘查現(xiàn)場。

愛因斯坦看到死亡男子已經(jīng)被搬離了現(xiàn)場，在他倒下的地方用白色粉筆勾勒出了一個(gè)人形，在車廂的另一頭也用白色粉筆勾出了一雙腳印，看位置可以想象出案發(fā)當(dāng)時(shí)受傷男子坐在地板上，背靠著車廂壁。

愛因斯坦看到在列車中間的走道上，有一盞自制的電燈還在亮著，這盞燈跟普通的電燈沒有什么兩樣，只是上面似乎多加了一個(gè)自動(dòng)延時(shí)裝置。

探員：「警長，這盞燈我們剛才已經(jīng)試過了，在打開開關(guān)后，它會(huì)延遲五分鐘再亮，不知道有什么用意。」

愛因斯坦沒有回答探員，只是簡單地說了聲：「走吧，我們?nèi)メt(yī)務(wù)室。」

列車醫(yī)務(wù)室，艾爾莎坐在椅子上，表情憂郁。她邊上坐著一位英俊的年輕男子，上臂靠肩的位置包扎著紗布，隱隱有血跡透出來，表情非常鎮(zhèn)定。

愛因斯坦在他們對面的椅子上坐下來，對著年輕男子說：「我是愛因斯坦警長。」

男子：「我是泡利。」

愛因斯坦：「中槍的男子你認(rèn)識嗎？」

泡利：「認(rèn)識，他叫狄拉克，我們是情敵。」

愛因斯坦轉(zhuǎn)頭看著艾爾莎，報(bào)以詢問的目光。

艾爾莎憂郁地說：「是的。可惜我來晚了一步。」

愛因斯坦：「泡利，這么說，你和狄拉克先生是為了這位小姐在決斗嗎？」

泡利：「是的，警長，我們在決斗，為了神圣的愛情。」

愛因斯坦問艾爾莎：「泡利先生和狄拉克先生同時(shí)愛上你，是這樣嗎？他們之前提到過決斗這回事嗎？」

艾爾莎哭泣了起來：「他們總是在我面前爭吵，逼我從他們中選一個(gè)，可是我實(shí)在不知道該選哪一個(gè)。昨天晚上，我看到他們倆留給我的信，說要在環(huán)球快車上決斗，讓我嫁給勝利的一方。信上有他們的親筆簽名，我看到信以后立即往車站趕，終于在開車前一分鐘登上了火車，但我不知道他們在哪節(jié)車廂，等我找到他們的時(shí)候，一切都已經(jīng)晚了。」

愛因斯坦：「泡利先生，根據(jù)決斗法案，如果你能提供證據(jù)，證明你們倆之間的決斗是完全公平和自愿的，你將無罪。」

泡利從上衣口袋中拿出了一份文件，遞給愛因斯坦，說：「這份文件是我們倆商定的決斗規(guī)則，有我們的親筆簽名，請過目。」

愛因斯坦接過文件，閱讀起來。

泡利繼續(xù)說：「我們的決斗規(guī)則是這樣的——我和狄拉克分別站在車廂的兩頭，在我們的正中間放一盞燈，這盞燈在按下開關(guān)后，會(huì)延遲5分鐘亮起。我們約定，當(dāng)看到燈亮起的剎那，就可以互相開槍射擊。我們站立的位置有腳印，可以證明我們距離燈的位置完全相同。」

愛因斯坦看完文件，想了一下，說：「光速是恒定的，這個(gè)規(guī)則看起來的確公平，但是必須要有證據(jù)證明你確實(shí)是在看到燈亮起后才開的槍，否則，你將被以一級謀殺罪指控。」

泡利：「這很容易，我們之所以選擇在環(huán)球快車上決斗，就是因?yàn)榄h(huán)球快車上每節(jié)車廂都有全世界最先進(jìn)的高速影像記錄儀，只要調(diào)出記錄儀的畫面記錄，就可以證明我是在看到燈亮以后才開的槍。」

一個(gè)探員在邊上說：「警長，燈的位置我們已經(jīng)仔細(xì)測量過，確實(shí)如泡利先生所說，離他們腳印位置的距離完全相等。」

愛因斯坦：「那么我們現(xiàn)在就一起去列車的影像記錄儀室，當(dāng)場查證。」

影像記錄室。

一位工作人員正在屏幕前調(diào)閱影像，他一邊操作儀器，一邊對眾人說：「該儀器是目前全世界最先進(jìn)的影像記錄儀，理論上它可以無限放慢畫面，甚至連光的運(yùn)動(dòng)都能看得一清二楚。找到了，這個(gè)時(shí)點(diǎn)記錄的畫面就應(yīng)該是案發(fā)當(dāng)時(shí)的影像，警長你可以操作這個(gè)旋鈕來前進(jìn)或者后退畫面。」

車廂中泡利和狄拉克兩人正站在車廂的兩頭，手都放在腰間的槍套上，屏幕右下角顯示：Time:4︰15︰20︰345︰667

愛因斯坦輕輕地轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，屏幕右下角的數(shù)字跳動(dòng)著。

只見車廂中間的燈泡上的燈絲慢慢地變紅，漸漸地由紅變黃，然后又由黃轉(zhuǎn)白，接著整個(gè)燈絲突然被一個(gè)黃白色的光球包裹起來。

愛因斯坦知道此時(shí)燈亮了，他繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕。黃白色的光球迅速擴(kuò)大，就像一個(gè)膨脹的氣球。愛因斯坦小心翼翼地轉(zhuǎn)動(dòng)著旋鈕。光球迅速膨脹開，一下子就把整個(gè)車廂都包裹進(jìn)去了，整個(gè)車廂都被照亮。所有人都看得很清楚，光球同時(shí)到達(dá)泡利和狄拉克所在的位置，到達(dá)的時(shí)候，雙方的手都沒有動(dòng)。

【圖4-2】

從快車上看到的決斗現(xiàn)場

屏幕右下角的數(shù)字在跳動(dòng)，但是整個(gè)車廂就跟定格了一樣，等了很久，雙方都沒有動(dòng)。

愛因斯坦：「怎么回事？」

工作人員：「請快進(jìn)，警長！」

愛因斯坦一拍腦門：「是的，我怎么忘記了，人的反應(yīng)在光速面前是多么微不足道。」

屏幕右下角的數(shù)字快速跳動(dòng)起來。

終于，人們看到了兩人幾乎同時(shí)拔槍的畫面，但泡利的動(dòng)作稍稍快了一點(diǎn)點(diǎn)，兩束火光從兩把槍口冒出來，接著，兩人都倒地了。

愛因斯坦按下停止鍵：「看來，事情都清楚了，泡利和狄拉克先生自愿決斗，決斗規(guī)則公平合理，雙方也都遵守了規(guī)則，這樣的話，泡利先生應(yīng)該是無罪的。但我不是法官，我會(huì)把我的意見在法庭上陳述，在此之前，泡利先生必須被限制自由行動(dòng)。」

愛因斯坦松了一口氣，點(diǎn)上一支煙，走出列車，準(zhǔn)備收工回家。

突然，他聽到背后有人大聲喊道：「警長，等一等。」

一個(gè)頭戴禮帽的中年紳士急匆匆地從遠(yuǎn)處跑來。

中年紳士還沒站定便大聲說道：「警長先生，我是狄拉克的哥哥，我叫玻爾，請您別被***的殺人犯蒙騙了，我有證據(jù)證明這是泡利精心設(shè)計(jì)的一場謀殺。」

愛因斯坦：「您有什么證據(jù)？」

玻爾：「請跟我來警長，我有證據(jù)顯示給您看。」愛因斯坦：「我們?nèi)ツ睦铮俊共枺骸肝业穆殬I(yè)是環(huán)球快車的監(jiān)控員，我得知弟弟出事的消息后，立即趕到了車站。哦上帝，真難以相信我的眼睛，我可憐的弟弟就這么輕易地被奪去了年輕的生命。泡利說這是一場公平的決斗，我剛開始也誤信了，因?yàn)槲乙舱{(diào)閱了車廂里影像記錄儀的畫面，看到了當(dāng)時(shí)的那一幕。從車廂記錄儀的畫面上來看，他們確實(shí)同時(shí)看到了燈光，并且都是在看到燈光之后才開的槍。但是我總有一種直覺，事情沒有這么簡單。我查找了槍案發(fā)生的那個(gè)時(shí)點(diǎn)，環(huán)球快車恰巧通過巴黎站，于是我就去調(diào)閱了巴黎站站臺上的影像記錄儀畫面，那個(gè)站臺也安裝了這種最先進(jìn)的影像記錄儀。于是，我看到了完全不同的一幕。」

環(huán)球快車巴黎站的監(jiān)控室。

玻爾熟練地操作著各種儀器，很快，畫面被定格在了環(huán)球快車通過巴黎站的影像上，站臺上的影像記錄儀非常靈敏，從列車的窗戶中可以清晰地看到車廂內(nèi)的影像。

玻爾一邊操作一邊解說：「警長，請注意，泡利的位置在車尾方向，狄拉克的位置在車頭方向。看，燈光亮起來了，警長，請注意，此時(shí)環(huán)球快車正以每小時(shí)3萬千米的速度行駛著。你看，當(dāng)黃白色的光球擴(kuò)散開的時(shí)候，泡利是迎著光球的方向運(yùn)動(dòng)，而狄拉克剛好相反，他正朝著光球前進(jìn)的方向運(yùn)動(dòng)。警長，我現(xiàn)在定格在這個(gè)位置，你看，在泡利與光球相遇的這個(gè)時(shí)點(diǎn)，光球還沒有追上狄拉克。也就是說，泡利先看到了燈亮起，并不是像他所說的，兩人同時(shí)看到了燈亮起。他是個(gè)***的殺人犯，他必須為我弟弟的死負(fù)責(zé)，他欺騙了我們，警長！」

【圖4-3】從站臺上看到的決斗現(xiàn)場愛因斯坦看著影像記錄儀中的畫面，腦中一片空白，他感到有一個(gè)想法重重地?fù)糁辛俗约旱拇竽X。短暫的眩暈之后，愛因斯坦恢復(fù)了神志，他把整個(gè)事件在腦子里回放了一下，一字一頓地說：「列車上的儀器記錄的畫面是真實(shí)的，沒有造假；站臺上的儀器記錄的也是真實(shí)的畫面，沒有造假。從列車的角度來看，他們倆確實(shí)同時(shí)看到了燈光，這不難理解，因?yàn)樵诹熊嚿峡矗瑹襞莅l(fā)出的光球到達(dá)車頭與車尾的距離相等，且光球射向兩端的速度都為c，所以光球同時(shí)與兩人相遇。但從站臺上看來，泡利卻先于狄拉克看到燈光。這一切都是因?yàn)楣馑倥c光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，也就是光速不變造成的。從這件事情上來說，時(shí)間也是相對的，對于列車上的人和站臺上的人來說，沒有真正的同時(shí)，任何所謂同時(shí)發(fā)生的事情，都只能是對在同一個(gè)慣性系中的人才成立的。」

玻爾：「警長，站臺儀器記錄的畫面是確鑿無疑的證據(jù)，泡利的決斗規(guī)則是不公平的，對泡利有利！他應(yīng)該被指控一級謀殺罪。」

愛因斯坦：「玻爾先生，我只能把我的觀點(diǎn)如實(shí)地陳述給法官，至于法庭怎么判斷，我無權(quán)干涉。您提供的證據(jù)非常重要，我非常感謝您。」

說完，愛因斯坦轉(zhuǎn)身離去，玻爾在后面生氣地大聲吼道：「阿爾伯特，你這個(gè)蠢貨，你怎么能無視證據(jù)的存在，你給我醒醒！你給我醒醒！」

愛因斯坦突然感到很奇怪，玻爾的喊聲怎么不見小呢？我在走遠(yuǎn)，但這喊聲怎么越來越大了？愛因斯坦突然感到臉上一陣疼痛，他驚醒了。

只見米列娃站在床邊又在準(zhǔn)備打自己的臉，嘴里還叫著：「阿爾伯特，你今天怎么又睡過頭了？快點(diǎn)，你這個(gè)懶豬，該去上班了，要遲到了！」

愛因斯坦一骨碌爬起來，跌跌撞撞地穿戴好，趕緊夾著公文包出門了。

同時(shí)性的相對性

小愛來到自己的辦公室，打開抽屜，昨天那張稿紙還靜靜地躺在里面，自己寫下的兩句話赫然在目。他喃喃自語：「光速不變……光速不變到底意味著什么？」他恍惚記得昨天晚上似乎做了一個(gè)很精彩的夢，他努力想要回憶起夢中的情節(jié)，但是有點(diǎn)難，他只記得夢中似乎說過「時(shí)間是相對的，沒有真正的同時(shí)」這樣的話。

他還恍惚記得昨天晚上的夢跟火車有關(guān)。為了幫助回憶，小愛埋頭在那張稿紙上畫了一段鐵路，又畫了一個(gè)長方形表示火車，他又想起點(diǎn)兒什么，于是又在火車中間畫了一個(gè)小人，他感覺就要想起來了。突然，局長哈勒（根據(jù)記載，哈勒也是物理愛好者，后來成了小愛的粉絲）的聲音從門口傳來：「阿爾伯特，客戶來催前兩天提交的那個(gè)申請了，你審查得怎樣了？」小愛吃了一驚，用肚子朝抽屜一頂，迅速合上抽屜，局長剛好走進(jìn)來。小愛趕忙說：「這就好了，局長。」

局長走了以后，小愛擦了一把汗，再次悄悄地打開抽屜。可是思路被打斷后，他怎么也想不起來昨晚的夢了。但是幸好他還沒忘記夢中得出的結(jié)論——沒有什么真正的「同時(shí)」，車上的人認(rèn)為是同時(shí)發(fā)生的事情，到了站臺上的人的眼里，就不再是同時(shí)發(fā)生的。經(jīng)過一番思緒整理，小愛想出了另外一個(gè)例子，它后來被小愛鄭重地寫入了那本廣為流傳的著作《相對論淺說》中，書中是這樣描述的：

在鐵路的路基上，雷電同時(shí)擊中了相隔很遠(yuǎn)的A點(diǎn)和B點(diǎn)。如果我問你，這句話有沒有意義時(shí)，你多半會(huì)不假思索地回答我說「有」。但是如果我讓你解釋一下這句話的準(zhǔn)確意義時(shí)，你在經(jīng)過一番思考后會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問題貌似不像原來想象的那么容易回答。

你很可能會(huì)這么回答我：「這句話的意思本來就很清楚，沒有必要加以解釋。」但這樣的回答顯然是無法讓我滿意的。那么我們這么想，如果有一個(gè)氣象學(xué)家宣稱他發(fā)現(xiàn)某種閃電總是能同時(shí)擊中A點(diǎn)和B點(diǎn)，這時(shí)候總要提出一種實(shí)驗(yàn)的***來驗(yàn)證他所說的對不對吧。對于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)家來說，首先要給出一個(gè)同時(shí)性的定義，然后還得有實(shí)驗(yàn)***能驗(yàn)證該定義是否能被滿足，如果這兩個(gè)條件沒有達(dá)成的話，那么那個(gè)氣象學(xué)家就是在自欺欺人了。

好了，經(jīng)過一段時(shí)間的思考后，你提出了一個(gè)檢驗(yàn)同時(shí)性的***，你說：請把我放到鐵路上A、B兩點(diǎn)的正中間的位置，然后通過一套鏡子的組合能讓我看到A、B兩個(gè)點(diǎn)；如果閃電發(fā)生之后，我能在同一時(shí)刻感覺到閃光，那么這兩道閃電必定是同時(shí)擊中了A、B兩點(diǎn)。于是你提出同時(shí)性的定義，就是一個(gè)人能在同一時(shí)刻感受到閃電的閃光。我很高興你能提出這個(gè)定義，當(dāng)然這個(gè)定義的前提還得加上你在A、B兩點(diǎn)的中點(diǎn)上。

好了，讓我們想象一下：有一列火車正在鐵軌上從A點(diǎn)開向B點(diǎn)，此時(shí)，你正站在A、B兩點(diǎn)中間的路基上。突然，有兩束閃電擊中了A、B兩點(diǎn)，過了一小會(huì)兒，兩束閃光經(jīng)過相同的距離到達(dá)你的眼里，你同時(shí)看到了它們，所以你毫不猶豫地認(rèn)為這兩束閃電是同時(shí)發(fā)生的。但是我們再設(shè)想一下：這次你站在了火車?yán)铮龔腁點(diǎn)開向B點(diǎn)

【圖4-4】行駛中的火車上的人會(huì)認(rèn)為閃電并不是同時(shí)發(fā)生

當(dāng)A、B兩點(diǎn)被閃電擊中時(shí)，你正好經(jīng)過A、B兩點(diǎn)的中點(diǎn)。你經(jīng)過中點(diǎn)后，繼續(xù)跟隨火車向B點(diǎn)行進(jìn)，因此在閃電光到達(dá)你眼睛之前的這點(diǎn)時(shí)間里，你又向B點(diǎn)前進(jìn)（同時(shí)向A點(diǎn)遠(yuǎn)離）了一段距離，而因?yàn)锳、B兩點(diǎn)閃光的光速恒定不變，所以B點(diǎn)閃光一定會(huì)先于A點(diǎn)閃光到達(dá)你眼里。于是就出現(xiàn)了這樣的結(jié)論：你認(rèn)為這兩束閃電以路基為參考系時(shí)是同時(shí)發(fā)生的，但是以火車為參考系時(shí)，對于火車上的你來說，卻是先后發(fā)生的。

這是怎么回事呢？這說明「同時(shí)」也是相對的，當(dāng)以路基為參考系時(shí)是同時(shí)發(fā)生的事情，但換成了以火車為參考系時(shí)，卻不是同時(shí)發(fā)生的了，反之亦然。每一個(gè)參考系都有自己的特殊時(shí)間，如果不指明參考系，宣稱一件事情同時(shí)發(fā)生是沒有任何意義的。

這乍一聽起來似乎很荒謬，在我之前的物理學(xué)家一直都在給時(shí)間賦予絕對的意義，而我卻認(rèn)為這種絕對的意義與我們前面講的那個(gè)最自然的同時(shí)性定義并不相容，如果我們能坦然地拋棄我們對時(shí)間的絕對化的概念，則真空中光速恒定不變就會(huì)變得可以理解和接受了。

不知道各位讀者是否聽明白了愛因斯坦關(guān)于閃電擊中鐵軌的這個(gè)故事？不管你現(xiàn)在腦子是不是如墮五里霧中，一會(huì)兒在想那個(gè)環(huán)球快車，一會(huì)兒又在思考這個(gè)閃電的問題，總之愛因斯坦是在告訴我們這樣一個(gè)重要概念：同時(shí)性的相對性。

我聽到有幾位已經(jīng)理解的讀者歡呼起來了：「哈哈，同時(shí)性的相對性，我想明白了！原來這就是相對論，不難理解啊！」

別急別急，相對論的大門只是剛剛打開了一條縫隙而已，同時(shí)性的相對性只是愛因斯坦運(yùn)用相對性和光速不變這兩條原理推出來的第一個(gè)結(jié)論。讓我們跟隨愛因斯坦的思維繼續(xù)往下推導(dǎo)，馬上就會(huì)有更多不可思議的推論出現(xiàn)在你面前，保證你會(huì)驚訝得嘴都合不攏。準(zhǔn)備好了嗎？這就開始我們的頭腦風(fēng)暴。

時(shí)間會(huì)膨脹

首先我們先想一下什么是「時(shí)間」，怎么定義這個(gè)詞。你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)詞很難定義，在做了各種試圖定義它的嘗試之后，我們不得不承認(rèn)，我們總是會(huì)陷入不得不用時(shí)間來定義時(shí)間的邏輯怪圈。最后會(huì)發(fā)現(xiàn)，借助一個(gè)外部衡量工具來描述時(shí)間，可能是一個(gè)避免落入邏輯怪圈的最好***。

比如說一個(gè)鐘擺，擺動(dòng)一個(gè)來回我們就認(rèn)為這代表過去了一秒，但是鐘擺這種東西不夠精確，誤差太大，我們不能對這樣的外部衡量工具滿意。現(xiàn)在，讓我們借助強(qiáng)大的思維實(shí)驗(yàn)和光速不變原理來構(gòu)造一個(gè)宇宙中最理想、最精確的計(jì)時(shí)器，我把這個(gè)計(jì)時(shí)器叫作「光子鐘」。下面看一下這個(gè)光子鐘長什么樣：

【圖4-5】光子鐘原理圖

這個(gè)光子鐘的構(gòu)造非常簡單，但是很實(shí)用。上下兩面鏡子相距15厘米，中間有一個(gè)光子可以在兩面鏡子中間來回地反射折騰。光子在兩面鏡子中間來回彈一次，可以想象成「嘀嗒」一聲。

我們已經(jīng)知道光速是恒定不變的30萬千米/秒，那么就很容易計(jì)算出，這個(gè)「嘀嗒」一下的時(shí)間是十億分之一秒，換句話說，「嘀嗒」10億次就代表時(shí)間走過了1秒。現(xiàn)在有了這個(gè)強(qiáng)大的光子鐘，就不需要太糾結(jié)于時(shí)間的定義了，于是我們達(dá)成共識，通過「嘀嗒」的次數(shù)來衡量和比較時(shí)間這個(gè)虛無縹緲的東西。

好了，現(xiàn)在你拿上這個(gè)光子鐘坐上宇宙飛船，發(fā)射，你飛了起來。而我也拿著一個(gè)光子鐘，站在地面上，看著你的宇宙飛船從眼前飛過。注意，既然是思維實(shí)驗(yàn)，我就想象我擁有神奇的能力，能夠看清你手上那個(gè)光子鐘的情況。現(xiàn)在我把這個(gè)情況畫出來，你看是不是這樣：

【圖4-6】地面上的觀察者看到的宇宙飛船中的光子飛行路線比地面上的要長

請開動(dòng)你的腦筋，我保證本書中需要你像現(xiàn)在這樣動(dòng)腦子的地方很少，但無論如何這都是最關(guān)鍵的一次，這次想明白了，以后別處再遇到類似的圖全部都可以輕松跳過，掃一眼就知道怎么回事。

當(dāng)我手上的光子鐘在來回折騰時(shí)，你的飛船就會(huì)從A位置飛到B位置，那么我將會(huì)看到你手上那個(gè)光子鐘里面的光子走過的是一條斜線。這是顯而易見的，如果光子飛過的路徑在我眼里不是斜線的話，光子必定飛到光子鐘外面去了。現(xiàn)在我們運(yùn)用光速不變原理來看一下，由于宇宙飛船上的光子飛行的路線比我手里的光子更長了，那么也就意味著，當(dāng)我手里的光子鐘「嘀嗒」一次的時(shí)候，飛船上的光子鐘還來不及「嘀嗒」一次呢。

換句話說，當(dāng)我手里的光子鐘「嘀嗒」了10億次的時(shí)候，我看到飛船上的光子鐘可能只「嘀嗒」了5億次（打個(gè)比方，不要糾結(jié)5億次是怎么算出來的）。根據(jù)我們前面已經(jīng)達(dá)成共識的對時(shí)間最自然的定義，我得出這樣的結(jié)論：在宇宙飛船上，你的時(shí)間過得比我慢！

或許你還是覺得不放心，你會(huì)想：「你用的是光子鐘這種我從來沒見過的東西，我還是對我自己的勞力士比較放心一點(diǎn)。」

好吧，那么我們現(xiàn)在就拿你的勞力士來做實(shí)驗(yàn)吧，我們把飛船也換成你更熟悉的火車，這樣你就更放心了吧。現(xiàn)在你坐在一列火車?yán)铮笫忠恢荤姡ü庾隅姡沂忠恢槐恚疖囋谧鲋鴦蛩僦本€運(yùn)動(dòng)，窗戶外面黑漆漆一片，你完全不知道自己是靜止的還是運(yùn)動(dòng)的，那么你覺得你能用觀察光子鐘或勞力士的走時(shí)情況，來知道火車是靜止的還是開著的嗎？

根據(jù)我們前面已經(jīng)闡述過的愛因斯坦的相對性原理（在任何慣性系中，所有物理規(guī)律保持不變），你不可能靠任何實(shí)驗(yàn)的***來確定自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。反過來想，在一間密閉的車廂中，如果你能觀察到光子鐘和山寨勞力士走時(shí)忽然一樣，忽然又不一樣，那才是咄咄怪事呢。

我們在這里談?wù)摰氖菚r(shí)間本身變慢了，不是任何機(jī)械的或者化學(xué)的原因，就是時(shí)間本身變慢了，與時(shí)間有關(guān)的一切都變慢了，用一個(gè)很酷很形象的說法就是——時(shí)間膨脹了。還是回到剛才那個(gè)宇宙飛船的實(shí)驗(yàn)，在地面上的我會(huì)看到，不光是你的光子鐘變慢了，你的動(dòng)作、你眨眼的速度、你的新陳代謝、你一切的一切都變慢了。

于是，你現(xiàn)在開始感到震驚了。趁著你現(xiàn)在精神好，趕緊讓我們來計(jì)算一下，時(shí)間變慢的尺度和飛船的速度是什么關(guān)系呢？這個(gè)計(jì)算要用到我們非常熟悉的勾股定理，直角三角形的兩個(gè)直角邊和斜邊的關(guān)系式：a2+b2=c2。

我們把剛才那個(gè)你坐宇宙飛船的景象再次畫出來：

【圖4-7】利用勾股定理可以推導(dǎo)出相對論因子

我在上面畫了一些輔助線，并且用一些字母來表示飛船上經(jīng)過的時(shí)間、地面上經(jīng)過的時(shí)間、飛船相對于地面的速度和光速。注意那個(gè)t和t'，我們曾經(jīng)在本書剛開始沒多久見過這個(gè)一撇。上面那個(gè)三角形的兩個(gè)直角邊分別是vt』和ct我估計(jì)你很容易理解，只是斜邊為什么是ct』呢？這就是說從我（地面上的人）的角度來觀察的話，光子以恒定速度c在地面上經(jīng)過的時(shí)間t』走過的距離剛好是那個(gè)直角三角形的斜邊。下面我們利用勾股定理寫出這樣一個(gè)等式。

（ct'）2=（ct）2+（vt'）2

接下來我們用一點(diǎn)最基礎(chǔ)的方程變換的知識，來做點(diǎn)公式變形，我們的目的是要算出以地面為參考系時(shí)飛船上經(jīng)過的時(shí)間t和地面上經(jīng)過的時(shí)間t』之間的關(guān)系式：

第一步，先把括號都去掉：

c2t'2=c2t2+v2t'2

第二步，兩邊同時(shí)減去v2t'2

c2t'2-v2t'2=c2t2

第三步，兩邊同時(shí)除以c2

最后一步，整理成最終形式

結(jié)束。

如果你順著我上面的步驟一步步下來，毫無阻礙地得到了最終形式，那么請你深吸一口冷氣，因?yàn)槟惆l(fā)現(xiàn)了這個(gè)宇宙中一個(gè)最深刻的奧秘，這是迄今為止讓人類第一次感到深深震撼的等式，這一刻，我們根深蒂固的時(shí)間觀念崩塌了。

讓我們凝視這個(gè)等式十秒鐘，解讀一下它的含義。

當(dāng)v的速度相比光速很小的時(shí)候（比如汽車、火車甚至飛機(jī)速度都不及光速的百萬分之一），則

約等于1，這個(gè)公式就退回到了我們熟悉的伽利略變換式t=t『，但如果我們的速度能達(dá)到光速，則t』等于無窮大。

時(shí)間等于無窮大？怎么理解？

這就是說隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，時(shí)間會(huì)變得越來越慢，最后慢到了停止的地步。假如我們的速度能超過光速呢？那就不得不面臨一個(gè)負(fù)數(shù)的平方根，大家知道這叫虛數(shù)。

那這個(gè)虛數(shù)用在時(shí)間上表示什么？難道這就是傳說中的穿越？

哦，不，這不代表時(shí)光倒流，虛數(shù)沒有現(xiàn)實(shí)意義，事實(shí)上我們后面馬上就要證明達(dá)到或者超過光速都是不被允許的，本書將在第五章跟大家討論關(guān)于時(shí)空穿越的可能性，但那也絕不是通過超光速來實(shí)現(xiàn)的。請不要著急，這次奇妙的時(shí)空旅程才剛剛開始，還有很多奇景等待你前去觀賞。

現(xiàn)在我們已經(jīng)掌握了這個(gè)時(shí)間變換的神奇公式：

為了讓這個(gè)公式看起來更加簡潔一點(diǎn)，我們把

這個(gè)時(shí)間t前面的系數(shù)記為γ（讀作伽馬），于是可以把這個(gè)公式寫作：t'=γt，這個(gè)γ就是流芳千古的「相對論因子」，也被稱為「洛倫茲因子」。

你可能奇怪為什么不叫愛因斯坦因子，那是因?yàn)楹商m物理學(xué)家洛倫茲（Lorentz,1853-1928）首先寫出了這個(gè)式子，但他沒有深刻認(rèn)識到這個(gè)式子的時(shí)空含義。

洛倫茲是絕對時(shí)空觀和以太的捍衛(wèi)者，因此在相對論問世后，洛倫茲與愛因斯坦有過許多爭論，不過這并不影響兩人建立起深厚的友誼和合作關(guān)系。關(guān)于洛倫茲的事情我們很快還要提到，這里先放一放，讓我們來繼續(xù)思考時(shí)間變慢意味著什么。

你可能已經(jīng)在心底歡呼終于找到了長壽的秘訣，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的速度越快，時(shí)間就能變得越慢。姑且認(rèn)為這沒錯(cuò)，那么讓我們來粗略地計(jì)算一下，你到底能年輕多少呢？先從坐火車開始吧，近似地認(rèn)為現(xiàn)在火車的速度是200千米/小時(shí)，也就是55米/秒，相對論因子γ≈1.000000017。

什么意思？也就是說在這列火車上坐了100年以后，你下了車，會(huì)發(fā)現(xiàn)比你的雙胞胎兄弟年輕了53.6秒。火車太廢柴了，你暗罵一聲，給我換飛機(jī)。好，那我們就換飛機(jī)吧，飛機(jī)的速度大概是300米/秒，γ≈1.0000005，就是說你坐飛機(jī)100年以后下來，年輕了26.3分鐘。原來飛機(jī)也這么廢柴，你有點(diǎn)怒了，給我換登月飛船。

滿足你，我把你換到登月飛船上。登月飛船的速度是10500米/秒，γ≈1.000613063，就是說你在登月飛船上飛100年下來后，年輕了22.4天。這次你可能真的發(fā)火了，什么？登月飛船上飛100年也只能年輕22.4天？

這叫什么世道啊。給我快、快、快，再快一點(diǎn)！在你的***之下，我發(fā)明了速度可以達(dá)到0.9c的飛船，現(xiàn)在坐上這艘飛船會(huì)發(fā)生什么呢？相對論因子達(dá)到了2.3，也就是說你的衰老速度差不多只相當(dāng)于地面上人的一半，你的1年等于他們的2.3年，這個(gè)γ的神奇之處在于它會(huì)隨著速度接近光速而迅速增大。

比如我們的速度如果能達(dá)到0.99c，則γ≈7，也就是你的1年相當(dāng)于地球人的7年，如果達(dá)到了0.99999c，則γ≈224，你的1年比地球人的兩個(gè)世紀(jì)還長。我們不用再算下去了，因?yàn)槲抑滥阋呀?jīng)禁不住開始狂喜了，哈哈哈！原來長生不老真的可以實(shí)現(xiàn)啊。對不起，我不得不再次粉碎你的這個(gè)長生不老的夢。

我的計(jì)算確實(shí)沒錯(cuò)，如果你坐上0.99999c的飛船飛了1年后回來，地球確實(shí)已經(jīng)過去了224年之久，但是對于你自己的感受來說，你真真切切的還是只活了1年，一秒鐘也不會(huì)多，一秒鐘也不會(huì)少。

如果你的壽命是100年，你一直在飛船上飛，當(dāng)你回到地球的時(shí)候，地球確確實(shí)實(shí)過去了22400年，但是對于你自己來說，仍然只能感受到你自己生命中的100年，一天也沒多，一天也沒少，每天仍然是24小時(shí)，1小時(shí)仍然是60分鐘。

只是在走出飛船艙門的那一剎那，你看見的地球上的景物，已經(jīng)隔世。你用自己的一生驗(yàn)證了你向前穿梭了22400年的時(shí)間。從我們地球人的眼里來看，其實(shí)你也并沒有比我們?yōu)t灑多少，雖然你的1分鐘相當(dāng)于我們的224分鐘，可是在我們眼里，你的一切動(dòng)作全都變慢了，我們吃一個(gè)包子1分鐘就完了，而在我們眼里，你吃一個(gè)包子卻要224分鐘；我們打一個(gè)響指只用1秒鐘，而在我們眼里，你卻花了224秒鐘才慢慢騰騰地把一個(gè)響指打完。

我們在地球上仰望著飛船中的你，感慨道：「噢，可憐的人啊，行動(dòng)得比蝸牛還慢，活著還有什么意思呢？」

所以，很遺憾，相對論無法讓你長壽。

伽利略的相對性原理這把「倚天劍」，已經(jīng)被愛因斯坦用他的相對性原理斬為了兩截，那伽利略變換呢？伽利略變換此時(shí)在你的心中可能也會(huì)變得不那么天經(jīng)地義了，看了前面那些由光速不變推導(dǎo)出來的奇怪結(jié)果，你可能已經(jīng)意識到伽利略變換多半也是站不住腳的。

你的想法非常正確，伽利略變換這把「屠龍刀」也早就保不住「武林盟主」的地位了。事實(shí)上早在1895年，一位叫作洛倫茲的中年俠士，就已經(jīng)不把伽利略變換這把「屠龍刀」放在眼里了。

下面，讓我來隆重介紹本書最重要的角色之一，來自荷蘭的韓德瑞克·安通·洛倫茲先生。各位觀眾，還記得你們讀中學(xué)的時(shí)候，老師讓你們用手握住一個(gè)線圈，然后通過大拇指的方向來判斷受力方向嗎？大聲回答我。

對了，很好，你們都還記得「左手定則」和「右手定則」嗎？什么，你們恨死他了？哦，可以理解，我那個(gè)時(shí)候也跟你們一樣，都快分不清自己的左右手了。電子在磁場中受到的力就是以洛倫茲先生命名的，叫作「洛倫茲力」，什么，我又勾起了你們痛苦的回憶？放輕松，放輕松，我們今天不考試。

洛倫茲在那個(gè)年代的物理學(xué)界有多出名，有兩個(gè)事情可以說明。第一件事情，洛倫茲是索爾維會(huì)議的定期主席（1911-1927），一直擔(dān)任到臨終前一年。可能你不知道索爾維會(huì)議有多牛，那你總知道體育盛會(huì)里奧運(yùn)會(huì)最牛，財(cái)主盛會(huì)里500強(qiáng)財(cái)富論壇最牛吧。物理學(xué)家的會(huì)議里就是索爾維會(huì)議最牛了（當(dāng)然是在20世紀(jì)早期）。無圖無真相，現(xiàn)在上圖：

1927年第五屆索爾維會(huì)議

這張圖片有很多別名，列舉一二：物理學(xué)全明星夢之隊(duì)合影、科學(xué)史上最珍貴的照片、地球上1/3最具智慧的大腦合影。看到?jīng)]，愛因斯坦居中而坐，他的旁邊就是洛倫茲，其他人的名字我就不多說了。

無數(shù)學(xué)校大樓的走廊上、教室里，都掛著這些人的頭像，對這些名字你多多少少都會(huì)看著眼熟的。

第二件事情，洛倫茲于1928年2月4日在荷蘭哈勃姆去世，終年75歲。舉行葬禮那天，荷蘭全國電信、***中止三分鐘，全世界的科學(xué)大師齊聚荷蘭，愛因斯坦在他的墓前致悼詞。

愛因斯坦的悼詞中有這樣一句話：「洛倫茲先生對我產(chǎn)生了最偉大的影響，他是我們這個(gè)時(shí)代最偉大、最高尚的人。」

看到此處，相信你對洛倫茲的敬仰已經(jīng)如滔滔江水了，我也一樣。洛倫茲是電磁理論方面的大師級人物，麥克斯韋的電磁方程組在洛倫茲眼里美得不可思議，多少次在夢中都驚嘆它的簡潔、深刻和美。

但是，洛倫茲在研究電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，驚訝地發(fā)現(xiàn)，伽利略變換和麥克斯韋方程組不可能同時(shí)正確，這件事情讓洛倫茲非常郁悶，伽利略變換似乎是天經(jīng)地義的，但是麥克斯韋的方程組更是神圣的。

經(jīng)過一番痛苦的糾結(jié)，洛倫茲決定放棄伽利略變換式，麥克斯韋的電磁方程組是神圣不可侵犯的，既然伽利略變換式?jīng)]法運(yùn)用到電子的運(yùn)動(dòng)上，那什么樣的坐標(biāo)系變換式能呢？洛倫茲用他高超的數(shù)學(xué)技巧，通過微積分推出了一個(gè)變換式，如果用這個(gè)坐標(biāo)變換式取代伽利略的變換式，就和麥克斯韋的電磁方程組不矛盾了。洛倫茲在1904年正式發(fā)表了這個(gè)著名的變換公式：

這個(gè)式子被人們稱為「洛倫茲變換」，在這個(gè)式子里面我們看到了熟悉的

，這就是為什么把它叫做洛倫茲因子的原因。你可能有點(diǎn)被搞糊涂了，我們前面親手推導(dǎo)出來的t』和t之間的關(guān)系式好像不是這樣的嘛？

在這里我要提醒我親愛的讀者，你一定要明白坐標(biāo)變換的概念。

所謂坐標(biāo)變換，就是當(dāng)你的參照系（不是你自己運(yùn)動(dòng)，是你的參照系）在你面前運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，你所處的坐標(biāo)在運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)到「某一時(shí)刻」時(shí)所處的新坐標(biāo)之間的關(guān)系。

這個(gè)關(guān)系代表著我們對這個(gè)世界中運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)之間最本質(zhì)的認(rèn)識，換句話說，也就是小紅眼中的世界和小明眼中的世界到底有什么不同。

所以，洛倫茲變換中的t代表的是「時(shí)刻」「時(shí)點(diǎn)」，而我們之前那個(gè)時(shí)間和速度的公式中的t代表的是「時(shí)長」「間隔」。這里還要說明的是，在洛倫茲心目中，變換所引入的量僅僅被看作是數(shù)學(xué)上的輔助手段，并不具有物理本質(zhì)。

洛倫茲可是權(quán)威啊！他的這個(gè)變換式一經(jīng)發(fā)表，立即引起強(qiáng)烈反響，各界紛紛響應(yīng)，有贊揚(yáng)的，有拍馬屁的，有質(zhì)疑的，有驚訝的，當(dāng)然也有大受啟發(fā)的（比如當(dāng)時(shí)還默默無聞的小愛同志）。

下面是虛構(gòu)的一場新聞發(fā)布會(huì)，發(fā)布會(huì)的主角是洛倫茲，接受全世界同行的提問。請注意這場發(fā)布會(huì)的時(shí)間是1904年，相對論還沒有發(fā)表，人們對MM實(shí)驗(yàn)的結(jié)果還在爭論不休。

問：「洛倫茲先生，我們注意到您這個(gè)新的變換式中含有光速這個(gè)參數(shù)，很讓我們費(fèi)解，為什么參考系的運(yùn)動(dòng)引起的坐標(biāo)變換，會(huì)跟光速c相關(guān)呢？」

洛倫茲：「因?yàn)殡姾痛乓彩沁\(yùn)動(dòng)的一種方式，在考慮它們的運(yùn)動(dòng)時(shí)，就必然會(huì)引出光速這個(gè)常數(shù)來，至于普通物體的運(yùn)動(dòng)為什么會(huì)跟光速相關(guān)我一下子也說不明白，總之普通物體的運(yùn)動(dòng)速度相較光速來說，都小到可以忽略不計(jì)，對最終的結(jié)果似乎沒有什么影響。」

問：「先生，按照您這個(gè)公式，一列火車在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，如果車頭取的坐標(biāo)是x1，車尾的坐標(biāo)是x2，火車的長度就是x2-x1，根據(jù)這個(gè)新變換式，我做了一個(gè)簡單的計(jì)算，我發(fā)現(xiàn)火車在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候長度居然比靜止的時(shí)候縮短了，這也有點(diǎn)太不可思議了吧？」

洛倫茲：「根據(jù)我的公式，結(jié)果確實(shí)如你所說，雖然聽起來很荒謬，但是我認(rèn)為這是有可能的，而且有實(shí)驗(yàn)可以支持這個(gè)現(xiàn)象，就是著名的麥克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們之所以沒有發(fā)現(xiàn)干涉條紋的變化，正是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備在隨著地球運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，在運(yùn)動(dòng)方向上長度會(huì)發(fā)生收縮，這個(gè)效應(yīng)剛好抵消了光速的變化。而且根據(jù)我的公式計(jì)算出來的結(jié)果，和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也吻合得非常好。」

問：「那您依然認(rèn)為以太是存在的嗎？」

洛倫茲：「那當(dāng)然，以太是一定存在的，我們總會(huì)在實(shí)驗(yàn)室里把它揪出來的。」

問：「在您的公式中，我還發(fā)現(xiàn)一個(gè)神奇的地方，時(shí)間t』跟速度v和光速c以及坐標(biāo)x都有關(guān)系，坦誠地說，這讓我們很費(fèi)解。難道時(shí)間的流逝是不均勻的嗎？跟速度相關(guān)嗎？」

洛倫茲：「千萬不要那么想，這只是一種數(shù)學(xué)的輔助手段而已，時(shí)間就是時(shí)間，那是上帝主宰的東西，別想打時(shí)間的主意。」

問：「您仍然支持牛頓的絕對時(shí)空觀嗎？」

洛倫茲：「當(dāng)然，毫無疑問。」

新聞發(fā)布會(huì)在各界的熱烈討論中結(jié)束。

洛倫茲變換式發(fā)表的時(shí)候已經(jīng)51歲了，人年紀(jì)一大，往往就容易失去勇氣和豐富的想象力，這導(dǎo)致洛倫茲與偉大的相對論失之交臂。

歷史有時(shí)候真是很有戲劇性，雖然洛倫茲先于愛因斯坦寫出了流芳千古的公式，但是，雖曰同工實(shí)屬異曲，洛倫茲看***皇帝的新衣，沒有大膽地拋棄以太，也沒有大膽地突破牛頓的絕對時(shí)空觀，在回答時(shí)間t』為什么會(huì)跟速度相關(guān)時(shí)，含含糊糊，連自己都說服不了自己。

在洛倫茲的腦子里，絕對時(shí)空觀是神圣不可侵犯的，他一直到死都沒有放棄證實(shí)以太的存在。一個(gè)不可否認(rèn)的事實(shí)是，近100年以來，物理學(xué)上取得的幾乎所有重大突破，都是杰出的科學(xué)家們在30歲左右的時(shí)候取得的，量子力學(xué)更是被戲稱為「男孩物理學(xué)」，連愛因斯坦這樣偉大的天才，在他人生中的后30年中也沒有取得什么重大成就。

有一句流傳很廣的話是這么說的：「如果愛因斯坦在他38歲的時(shí)候死了，那么今天這個(gè)世界不會(huì)有什么不同。」各位親愛的讀者，如果你現(xiàn)在正值20來歲的大好青春年華，請接受我對你的羨慕，你很有可能跨入「男孩」們的行列。

1905年，被稱為物理學(xué)的「奇跡年」，因?yàn)閻垡蛩固乖谶@一年中連續(xù)發(fā)表了5篇論文，每篇論文都像一顆耀眼的超新星照亮了宇宙，改變了物理學(xué)的紀(jì)元。