Preface
前言

我希望这是一本很有趣的书。我认为这本书与传统科普书最大的差别在于，它更像是一本茶余饭后的休闲书，或是一本比小说更“科普”，比“科普”更“小说”的奇怪的书。在这本书里，你会看到很多天马行空的小故事。牛顿带着《猫和老鼠》（ Tom & Jerry ）里的汤姆和杰瑞来到一个大水桶前面观看神奇的水面凹陷；爱因斯坦化身大警长，先是调查了一起环球快车谋杀案，然后又要奔赴云霄电梯处理可怕的超级炸弹，最后又在太空中建造了一个超级大圆盘以展示他那神奇的时空观。虽然这一切看上去不像是正经八百的科普，但我可以很负责任地说，故事里包含的都是一些很靠谱的科学真相。很多科学真相用“不可思议”来形容是一点都不过分的，你平常之所以感受不到物理学的神奇，是因为没有人告诉你很多看似普通的物理现象背后的故事。现在的高中生都会在实验室里面做一个观察光的双缝干涉图像的实验，这是一个普通得不能再普通的高中光学实验，可是却没有人告诉我们这个实验背后隐藏着惊天的大秘密，这个秘密足以撼动以爱因斯坦为代表的一代科学家们苦苦建立起来的物理学信仰。一个简单的光学实验，如果你了解了它藏在最深处的本质，你会惊讶地发现，这个世界不再是我们原来头脑中的那个世界了，我们脑袋中很多朴素的哲学观念，例如物质决定意识、原因决定结果等都将受到空前猛烈的冲击。而且，我确确实实是在讲科学，不是在讲神学或者宣扬神秘主义。

这本书大致可分为上、下两部分。上半部分和大家一起回顾物理学走过的四百多年的坎坷历史，这段历史悬念迭生，其精彩程度不亚于任何一段史诗，因为物理学的发展过程本身就是一部精彩的好莱坞悬疑大片。在伽利略、牛顿等巨星纷纷谢幕之后，我们的超级巨星爱因斯坦闪亮登场，而他成为我们的主角的时候不过26岁。他就像是一个横空出世的大侠，无门无派，但是一出手就让天下震惊，他的绝招就是“相对论”。下半部分的故事更神奇，真相更惊人。在下半部分中，我将帮你细致地剖析时空的真相，带你领略神奇的四维时空奇景。我们先一起去了解整个宇宙时间光锥的终极图景，然后再回到原子的深处见识一下不可思议的微观世界，最后看一看当下物理学的最新进展——万物理论。你只要随便记住其中的一两段，就能让你在与友人小聚之时大放异彩，只是要当心别聊得兴起忘了吃菜，不要重演总是发生在笔者身上的悲剧：话讲完了，菜也被别人吃光了。

看完这本书，也许你对这个世界的看法会大大改观。潮起潮落，斗转星移，这些平常司空见惯的大自然现象在你眼里会突然产生完全不一样的意义。当你再次仰望星空时，看着夜空中的皓月星辰，宇宙在你眼里将会换了一番景象，过去的宇宙观一去不复返了，一个崭新的宇宙观将在你的头脑中建立起来。

自小到大，你可能一直会有这样的疑问：

时间到底是什么东西？

我们能跨越未来吗？

我们能回到过去吗？

光到底是什么东西？

宇宙到底长什么样？有大小吗？有生死吗？

我们能像《星际迷航》（Star Trek）中描绘的那样穿梭在银河系中吗？

这个世界的物质到底是由什么构成的？

物质可以无限分割吗？

…………

这些令人不可思议的问题，科学家到底是如何找到答案的？

看完这本书，或许你对以上这些问题将不再感到疑惑，说不定，你还可以很自信地为你的亲朋好友解答他们心中同样的疑惑。

所有这一切，都要从爱因斯坦发现的相对论开始讲起。这的的确确是一个伟大的理论，这是20世纪人类对宇宙秘密最深刻的一次发现。你可能还是在茫然地看着我：“我听说过相对论，可是它跟我们的日常生活有关系吗？”

当然是有关系的。比如，GPS导航系统现在已经非常常见了，我估计很多读者都有一个车载的，或者手机里面就有。知道吗，如果没有相对论，那么这玩意会出大问题。因为根据相对论，卫星上面的时钟会比地面上的时钟走得快，每天大约快38微秒（0.000038秒）。这个时钟走得快并不是因为计时器精度不够，而是因为卫星上的时间真的变快了。你设想一下，如果人类没有掌握相对论的知识，我们就不会知道：发射到天上的卫星，哪怕用再精确的计时工具计时，也不可能消除这个误差。你千万不要小看这似乎微不足道的38微秒；如果不校正的话，那么GPS导航系统每天积累的误差将超过10千米（当然这个误差是垂直方向上的，不是水平方向上的）；如果以此来导航导弹，麻烦可就大了。因此在GPS卫星发射前，要先把其时钟的走动频率调慢4.465×10 ^-10 ，把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫，这些数字全靠相对论才能那么精确地计算出来。

“神奇！”你大概会惊呼一声，“相对论原来就是这个啊。”哦不，这并不代表相对论，卫星上的时间变快只不过是相对论无数推论中的一个，我们通过相对论可以精确地计算出卫星上的时钟和地面上的时钟的误差到底是多少。相对论还有很多很多的推论，小到推测水星的运行轨道、在发生日全食时恒星的位置，大到可以推演太阳的过去与未来，甚至宇宙的过去与未来。“神奇！”你再次惊呼一声，“不过你越说越玄乎了，我还是有点不信，你先别说得那么远，你前面说啥来着？时间本身变慢了？这个太让我难以理解了。在我眼里，时间本身是均匀流逝的，我们感受到的所谓的快慢无非是我们自己的感觉在变化，即便是你的表和我的表走时不准，那也不是时间本身不准，而是我们的手表精度不够造成的。中午12点整开饭对任何人来说都是12点整开饭，这是一个客观事实，不会因为我们用的是一块真的劳力士还是一块‘山寨’劳力士而改变。”坦诚地说，我非常理解你的这种想法，并且我还要恭喜你，你的这个思想和伟大的牛顿的想法是一模一样的。但非常遗憾，这个想法错了，真的错了。

相对论是研究时间、空间、运动这三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（还有一个是量子理论，那也是一个长长的激动人心的故事，推荐阅读《上帝掷骰子吗？——量子物理史话》，作者是曹天元），诺贝尔物理学奖是无法全面地体现相对论的伟大的。如果上帝真的存在，那么他过去总是说：“人类一思考，我就发笑。”然而，在相对论诞生之后，上帝改口了：“人类一思考，我就发慌。”

我们对相对论的误解实在是太多了。大多数人都觉得相对论很神秘、很深奥，是大科学家才能理解的东西。这种误解来源于一个广为流传的故事，说的是一个记者问天文学家埃丁顿：“听说全世界总共只有三个人能懂爱因斯坦的相对论，您是其中之一，是不是这样？”埃丁顿一时沉默了，正当记者以为埃丁顿要反驳的时候，没想到埃丁顿说：“我正在想另外两个人是谁。”我估计当时这个记者就震惊了。不管这个故事是真是假，总之它给我们的一个印象就是，相对论很难懂。但是大家千万不要忘了，这个故事发生在一百多年前的1906年，那时候相对论刚刚被爱因斯坦用严谨的数学语言描述出来，对那个时代的人来说确实是很难理解的。不要说相对论了，你想象一下，如果你回到乾隆年间，对大知识分子纪晓岚说：“随便找一个三角形的东西，把三个角割下来拼在一起，不多不少，总是恰好能拼出直直的一条边。”（图0-1）

铁齿铜牙的纪晓岚一开始肯定不信你，直到他真的去找了一些三角形的物件来，一验证，发现你的说法完全正确。如此一来，即便是我们的大知识分子纪晓岚，也会觉得很神奇。但要是在现代，随便找一个初中生就能给你证明三角形的内角和是180度，他会告诉你，这是一个很简单的几何常识。

同样，相对论的一些基本原理和概念对我们现代人来说，一点都不高深、不神秘，很好懂。关键在于，你是不是愿意听我娓娓道来。

我保证，你只要有高中学历，就可以大致看懂本书，认识到爱因斯坦的相对论足以让上帝对渺小的人类产生敬畏。作为人类的一分子，我因此深深地感到自豪！ nNCEbjrIAlOx4unhrfmJFrqRJcJkMV6k4MChxllsJ25ASttZ3J6OkjsYXkN6VAlr