時(shí)間是個(gè)騙子 | 時(shí)空簡(jiǎn)史02

教科書(shū)上寫(xiě)：1905年，愛(ài)因斯坦提出了狹義相對(duì)論，統(tǒng)一了時(shí)間和空間。

但教科書(shū)沒(méi)寫(xiě)的是：他是從一個(gè)“荒謬”的想法開(kāi)始的——光速對(duì)誰(shuí)都一樣。

更沒(méi)寫(xiě)的是：這個(gè)想法，直接宣告了牛頓的“絕對(duì)時(shí)間”是個(gè)幻覺(jué)。

今天我們就來(lái)拆一拆——愛(ài)因斯坦到底是怎么想的，他用了什么“思想實(shí)驗(yàn)”拆穿了時(shí)間的謊言，以及為什么連他自己都曾猶豫過(guò)。

本文是《時(shí)空簡(jiǎn)史》第2篇。沒(méi)看過(guò)第1篇的讀者不用擔(dān)心，本篇可獨(dú)立閱讀。

一、教科書(shū)的標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)法 vs. 歷史真相

教科書(shū)通常這樣寫(xiě)：

“1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，提出了狹義相對(duì)論，顛覆了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。”

聽(tīng)起來(lái)像一個(gè)天才橫空出世，自信滿滿地推翻了舊世界。

但歷史的真相是：

愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)只是一個(gè)專利局的小職員。他沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室，沒(méi)有研究團(tuán)隊(duì)，甚至很少跟學(xué)術(shù)界的同行交流。他的武器，就是自己的腦子。

他提出的那兩條原理——相對(duì)性原理和光速不變?cè)怼诋?dāng)時(shí)很多人看來(lái)，簡(jiǎn)直是胡說(shuō)八道。

尤其是光速不變?cè)恚翰还苣阍趺磩?dòng)，測(cè)出來(lái)的光速都一樣？這違背了所有人的直覺(jué)。

但愛(ài)因斯坦敢堅(jiān)持。不是因?yàn)樗裢?，而是因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了一個(gè)所有人都忽略的問(wèn)題：

我們以為時(shí)間是天經(jīng)地義的，但它可能一直在騙我們。

青年愛(ài)因斯坦

二、他卡在哪里了？

時(shí)間回到1905年之前。

物理學(xué)界正被一個(gè)難題困?。哼~克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，根本找不到“以太”這種東西。

以太——那個(gè)被認(rèn)為充滿整個(gè)宇宙、作為光傳播介質(zhì)的假想物質(zhì)——可能根本不存在。

洛倫茲、龐加萊這些頂尖物理學(xué)家都在試圖修補(bǔ)舊理論。他們提出了各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，試圖挽救以太。

愛(ài)因斯坦沒(méi)有這么做。

他選擇了一條更徹底、也更危險(xiǎn)的路：從頭開(kāi)始，重新定義時(shí)間和空間。

因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)，所有的問(wèn)題都指向同一個(gè)根源——我們對(duì)“時(shí)間”的理解可能是錯(cuò)的。

三、他的“思想實(shí)驗(yàn)”：怎么拆穿時(shí)間的謊言？

愛(ài)因斯坦沒(méi)有昂貴的設(shè)備。他的實(shí)驗(yàn)，是在腦子里做的。

他設(shè)計(jì)了一個(gè)后來(lái)被無(wú)數(shù)人引用的思想實(shí)驗(yàn)。這也是他原始論文里最精彩的部分。

假設(shè)有一列很長(zhǎng)的火車，以速度v勻速向右行駛。

火車正中央站著一個(gè)觀察者。在某一時(shí)刻，火車中央的燈閃了一下，光向車頭和車尾兩個(gè)方向傳播。

對(duì)于火車上的觀察者來(lái)說(shuō)：

他相對(duì)于火車是靜止的。光向左右傳播的速度都是c。到車頭和車尾的距離相等。

所以，他必然得出結(jié)論：光同時(shí)到達(dá)車頭和車尾。

現(xiàn)在，換到站臺(tái)上的人來(lái)看。

站臺(tái)上的人看到火車在向右運(yùn)動(dòng)。

光速不變?cè)砀嬖V他，光向左和向右傳播的速度也都是c，跟火車的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。

但是，車頭在向前跑，車尾在向后跑。

所以，向左的光是追著遠(yuǎn)離的車尾，需要走更長(zhǎng)的距離才能追上。而向右的光是迎著過(guò)來(lái)的車頭，很快就碰上了。

因此，站臺(tái)上的人會(huì)看到：光先到達(dá)車頭，后到達(dá)車尾。

同樣的兩件事，在火車上的人是“同時(shí)”看到的，在站臺(tái)上的人卻看到“一先一后”。

這就是“同時(shí)的相對(duì)性”。

翻譯成人話：你覺(jué)得兩件事是同時(shí)發(fā)生的，我不一定這么覺(jué)得。這取決于我們倆誰(shuí)在動(dòng)。

愛(ài)因斯坦從這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中得出一個(gè)結(jié)論：沒(méi)有統(tǒng)一的“現(xiàn)在”。你的“現(xiàn)在”和我的“現(xiàn)在”，不是同一個(gè)。

時(shí)間，果然是個(gè)騙子。

火車中間的燈閃了一下

四、他當(dāng)時(shí)是怎么想的？

你可能會(huì)問(wèn)：這么簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)，為什么別人沒(méi)想到？

因?yàn)閯e人不敢。

洛倫茲和龐加萊也接近了這個(gè)結(jié)論。他們甚至寫(xiě)出了洛倫茲變換的數(shù)學(xué)公式——就是后來(lái)相對(duì)論里那個(gè)核心公式。但他們不敢說(shuō)“時(shí)間是相對(duì)的”。

為什么？

因?yàn)樗麄儽慌ｎD的“絕對(duì)時(shí)間”綁住了。牛頓說(shuō)，時(shí)間像一條均勻流淌的河流，對(duì)所有人都一樣。這個(gè)觀念從17世紀(jì)一直統(tǒng)治到19世紀(jì)末，所有人都覺(jué)得這是天經(jīng)地義的。

愛(ài)因斯坦的不同之處在于：他愿意相信邏輯和實(shí)驗(yàn)，而不是“常識(shí)”。

他曾這樣描述自己的思維方式：

“我相信直覺(jué)和靈感。有時(shí)候，我覺(jué)得自己是對(duì)的，但不知道為什么會(huì)這樣?！?br/>

這不是狂妄，而是一種對(duì)物理定律的信念：如果實(shí)驗(yàn)和直覺(jué)沖突，那一定是直覺(jué)錯(cuò)了。

五、他走了哪些彎路？

很多人以為愛(ài)因斯坦一夜之間就寫(xiě)出了相對(duì)論。

不是的。

他也走過(guò)彎路。他曾在給朋友的信中承認(rèn)，自己花了很長(zhǎng)時(shí)間才擺脫“以太”的慣性思維。他一度試圖保留以太，只是給它賦予新的性質(zhì)。但后來(lái)他發(fā)現(xiàn)，以太這個(gè)概念本身就是多余的。

他的突破來(lái)自一個(gè)關(guān)鍵選擇：揮動(dòng)“奧卡姆剃刀”。

奧卡姆剃刀是一個(gè)哲學(xué)原則：如無(wú)必要，勿增實(shí)體。翻譯成人話：最簡(jiǎn)單的解釋，往往是最接近真相的。

既然所有探測(cè)以太的實(shí)驗(yàn)都失敗了，那最符合邏輯的結(jié)論是什么？

以太根本不存在。

就這么簡(jiǎn)單。

一刀剪掉以太，剩下的就是兩條原理：

第一條：物理定律在所有勻速運(yùn)動(dòng)的參考系中，長(zhǎng)得都一樣。

第二條：真空中的光速，在所有參考系中都是同一個(gè)常數(shù)c。

這兩條原理，就是狹義相對(duì)論的基石。

六、他的原始推導(dǎo)思路

有了這兩條原理，愛(ài)因斯坦開(kāi)始推導(dǎo)。

他設(shè)定了一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景：兩個(gè)參考系，站臺(tái)S和火車S‘?；疖囈运俣葀相對(duì)于站臺(tái)向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)它們的原點(diǎn)重合時(shí)，從原點(diǎn)發(fā)出一束光。

根據(jù)光速不變?cè)?，在兩個(gè)參考系中，光波前都滿足同一個(gè)方程。

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，他得到了那個(gè)后來(lái)被稱為洛倫茲變換的公式：

x' = γ(x - vt)
y' = y
z' = z
t' = γ(t - vx/c2)

其中γ = 1/√(1 - v2/c2)。

注意看最后一個(gè)公式：時(shí)間t’不僅依賴于t，還依賴于空間坐標(biāo)x。

翻譯成人話：你的“現(xiàn)在”，跟我的“現(xiàn)在”，不是同一個(gè)“現(xiàn)在”。你的“現(xiàn)在”里，包含了我的一部分“空間”。

這就是“時(shí)空統(tǒng)一”的數(shù)學(xué)體現(xiàn)。

時(shí)間和空間，被擰成了一根繩子：時(shí)空。

七、這個(gè)“幻覺(jué)”帶來(lái)了什么？

1905年，愛(ài)因斯坦在德國(guó)《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表了這篇論文。那一年，后來(lái)被稱為他的“奇跡年”。

他的工作留下了幾樣?xùn)|西：

1. 兩條原理：相對(duì)性原理和光速不變?cè)怼麄€(gè)狹義相對(duì)論的基石。
2. 一個(gè)變換：洛倫茲變換——描述了不同參考系之間時(shí)間和空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
3. 一個(gè)結(jié)論：同時(shí)是相對(duì)的，時(shí)間會(huì)變慢，空間會(huì)收縮。
4. 一個(gè)公式：E=mc2（下一篇會(huì)詳細(xì)講）。

更重要的是，他拆穿了一個(gè)持續(xù)了兩百多年的幻覺(jué)：時(shí)間不是絕對(duì)的。

你以為時(shí)間對(duì)所有人都一樣——但這是錯(cuò)的。你以為兩件事同時(shí)發(fā)生——但別人不一定這么看。

時(shí)間，從來(lái)沒(méi)有騙你。只是你一直被自己的直覺(jué)騙了。

八、互動(dòng)思考

如果你是1905年的愛(ài)因斯坦，發(fā)現(xiàn)“同時(shí)”是相對(duì)的、時(shí)間會(huì)變慢——跟所有人的直覺(jué)相反。你會(huì)：

A. 相信自己的推理，公開(kāi)發(fā)表

B. 再想想，是不是哪里搞錯(cuò)了

C. 先放一放，等別人先開(kāi)口

評(píng)論區(qū)選一個(gè)字母，看看多少人跟你一樣。

另外，你覺(jué)得為什么洛倫茲和龐加萊比愛(ài)因斯坦更早接近相對(duì)論，卻沒(méi)能邁出最后一步？是數(shù)學(xué)不夠，還是勇氣不夠？

歡迎聊聊你的看法。

九、下期預(yù)告

下一期，我們會(huì)看到愛(ài)因斯坦如何用同一個(gè)“奇跡年”的腦力，推導(dǎo)出那個(gè)世界上最著名的公式——E=mc2。

那一年是1905年，后來(lái)被稱為“愛(ài)因斯坦奇跡年”。

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