第2章
爱因斯坦的宇宙（上）

阿 尔伯特·爱因斯坦，这位出生于德国的20世纪最伟大的科学家为我们先后贡献了狭义相对论和广义相对论两个伟大的物理理论，让我们对宇宙的认识发生了翻天覆地的变化。

但在讲述相对论之前，有必要先说说另一位科学巨匠，牛顿之后英国最伟大的科学家，主要研究电磁现象的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。

公元1865年，麦克斯韦在其著作《论电与磁》中首次给出了完整描述电磁场物理规律的微分方程式，即著名的韦方程组。麦克斯韦方程组不仅从理论上验证了电磁学前辈、法国人法拉第发现的电磁感应定律，即磁场变化（旋转）会产生电流，还发现电场发生变化（位移）也会产生磁场，让静电力和磁力统一为电磁力 ^{（注释1）} 。电磁力遵循类似牛顿引力定理的库仑定理，公元1785年法国物理学家查尔斯·库仑通过扭秤实验验证静电力大小与两个点电荷之间的距离平方成反比。

同时，麦克斯韦方程组预言了变化的电磁场会在空间产生电磁波，电磁力就是电磁波传递出去的，并揭示出可见光只是电磁波众多频率中的一段而已。如果觉得电磁波概念陌生，可以把其理解为可见光和不可见光的集合，人类肉眼可见光波段之外是频率能量低于可见光的红外线波段和频率能量高于可见光的紫外线波段。我们熟知的无线电波、微波等皆属于红外线波段，伽马等高能射线属于紫外线波段。因为人类最早发现和研究的电磁波仅限可见光波段，而且可见光和不可见光基础物理性质相同，区别仅是频率不同。

今天的物理学家仍然习惯用光子和光波指代电磁波（可见光和不可见光的集合），这一点一定要留意。比如今天习惯说电磁力由光子传递，这个光子代指的是电磁波，而不仅是可见光。又如今天物理学教材里关于正反物质反应的描述是一个电子与其反物质正电子相撞时会湮灭化为一个光子，这里的光子是肉 眼不可见的伽马射线。

电磁波充斥着整个宇宙空间，我们实际是生活在电磁波海洋中的鱼。只是受到身体感官的限制，我们人类看不到可见光波段之外的电磁波而已。

麦克斯韦方程组还计算出电磁波在宇宙空间中（真空中）的传播速度上限，也就是光速约30万千米/秒 ^{（注释2）} 。这意味着牛顿关于光速无限大的观点是不准确的，“看见”并不是瞬时发生。

同时，麦克斯韦的电磁波波动理论支持了荷兰物理学家惠更斯关于光是波的假设，与牛顿光微粒理论不相容。但麦克斯韦电磁波理论仅支持光是波，与彼时主流的物质微粒说，认为宇宙中的物质皆由肉眼不可见的不可再分的微粒构成的原子论并不冲突。

公元1887年的迈克尔逊—莫雷实验对可见光进行了测速，不仅验证了麦克斯韦方程组关于光速即电磁波在真空中传播速度高达约30万千米/秒的预言，还得出了光速不变的测试结果。一石激起千层浪。光速大小，光到底是粒子还是波的争议还只波及光学领域，而光速不变则与整个惯性参考系不相容，牛顿的宇宙顿时岌岌可危。

光速不变宣称光速无论相对于静止的空间，还是空间中运动的物体，也无论这个运动物体速度多快，光速都是约30万千米/秒。光速是不依赖参考系存在的绝对速度，而且光处于绝对运动状态，不会停下来。

前文介绍过，牛顿宇宙，或者说惯性参考系下物体静止状态才是绝对的，而物体运动速度是相对的。时速400千米的高铁指高铁相对于静止空间的速度为400千米/时。如果相对于正以时速200千米同向运动的物体，比如一辆飞驰的跑车，高铁的时速就降为200千米。如果跑车速度能飙到400千米/时，这样跑车和高铁彼此处于相对静止状态，这不正是现实中发生的事实吗？无须科学家，这是两个司机就能验证的事实。而光速不变等于在说无论相对于静止空间，还是相对于时速400千米的高铁，又或时速200千米的跑车，光速都是约30万千米/秒，不会有任何变化。多数人第一反应一定是“一派胡言，这怎么可能发生？”

但光速不变也是通过实验验证的客观事实。显然是物理理论自身出了什么问题，才会让两个客观事实在理论层面上产生冲突。这急坏了当时的物理学家，甚至搞出了“以太”来试图解释。虽然“以太”名噪一时，但实则自欺欺人。“以太”理论大意是说，以太是充满整个空间且静止不动的、神秘透明的光的传播介质，光在以太介质中的传播速度正是光速，约30万千米/秒，除光之外的其他物体都不与以太发生任何作用。通俗地说，宇宙万物无论是静止还是运动的，相对于以太速度都为0。因此相对于任何运动物体，以太介质中传播的光速能够保持不变。这绕口般的解释看上去就让“以太”理论不靠谱。

实际也的确不靠谱。“以太”理论等于在惯性参考系的绝对空间之外，又给光单独搞了个以太参考系，这不还是在说光速不变与惯性参考系不相容吗？又何必多此一举。更何况科学家也没有在空间中发现以太。

最后还是丹麦物理学家卢兹维·瓦伦汀·洛伦兹给出了一个解决方案。洛伦兹决定暂不去探究光速不变与惯性参考系不相容的原因，而在光速不变前提下去求解惯性参考系下的方程式。洛伦兹发现只要将空间大小和时间流速视为矢量，方程式仍然会得出有意义的正解，这就是著名的洛伦兹变换。通俗地说，随着物体运动速度加快，该物体的时间会走得越来越慢，该物体的大小也会略微收缩。

洛伦兹变换诞生于公元1895年，十年后的公元1905年，受到洛伦兹思想启发的爱因斯坦发表了论文《运动物体的电动力学》，这标志着狭义相对论的登场！下面是狭义相对论的方程式（组）：

除第一个质能方程式之外，其他方程式看上去都有点复杂。不过狭义相对论方程式的几何图像，时空为坐标的光锥图大家应该都不陌生。 x 轴代表空间的三个维度， y 轴代表时间维度，两个光锥连接点（ xy 轴的坐标原点）代表上帝视角（俯瞰整个宇宙时空）的现在，下面光锥代表所有过去，上面光锥代表所有未来，光锥线条（穿过坐标原点，与 x 轴和 y 轴夹角均为45°的两条直线）代表不变的光速，即时空自身的运动速度。

这些方程式实际就是牛顿力学惯性参考系的洛伦兹“变形”，通俗说就是给惯性参考系加入了系数 ，也记做 。其中 v 是物体在时空中的平均运动速度， c 是时空自身的速度，即光速，Δ v 表示相对速度， M 0 、 L 0 、 t 0 分别表示的是时空中正处于静止或匀速运动状态的物体的质量、尺度大小和时间。

惯性参考系下，也就是牛顿的宇宙时空自身是没有速度的，因为空间是静止的，虽然时间在流逝，但与空间无关。通俗说就是系数 不存在，因此惯性参考系下，相对速度等于两个运动物体的速度差△ v =| v 1 - v 2 |，物体的质量、尺寸大小、流逝的时间与物体的运动速度无关， M = M 0 、 L = L 0 、 t = t 0 。

但狭义相对论认为时空一体，时间流逝速度光速就是时空自身的运动速度，而且光速不变。这样就必须引入系数 ，结果物体质量与物体运动速度成正比， ；物体尺寸大小和时间流逝速度与物体的运动速度成反比， ， 。

看到方程式就头疼的读者可以直接跳过，这里罗列方程式的目的也只是让大家和它混个脸熟，知道狭义相对论方程长什么样。因为抛开物理方程式和数学演算，用纯文字描述也能解释清楚爱因斯坦的狭义相对论。

实际上所有物理理论都可以抛开物理方程式和数学演算，只用纯文字描述。比如我们熟悉的物理公式“ F = GMm / R 2 ”，该方程涉及的数学运算只有乘除法，纯文字描述为“引力随距离增加而减弱”，或更详细点“引力大小与距离平方成反比”。随着物理学的发展，新的理论方程式更长更复杂，涉及的数学运算不仅有简单的乘除法，还涉及矩阵、波函数、群函数、哈希函数等，但仍然可以只用文字进行描述。

如果单纯用文字描述，那么 狭义相对论的宇宙观要告诉我们的是： 之前牛顿对宇宙的认识不准确，我们生活的宇宙不是由时间和空间两个独立部分构成， 而是一个四维时空，由三维 空间和一维时间构成的整体，简称“时空”！ 空间时间“搅拌”在一起不可分割，你中有我，我中有你。再也没有透明房子，也没有天河，只有时间空间一体的时空长河。宇宙万物就像生活在这河里的鱼，同时存在于时空长河中，时空长河中的鱼（物体）不再是单独相对于静止空间在运动，而是相对于整个四维时空在运动，一直在同时穿越空间和时间。

四维的时空长河中充斥着电磁波（可见光和不可见光）构成的场，正因为电磁场的存在，我们人类才能看见世界，才有今天的卫星通信，才有Wi-Fi，才能用手机上网追剧。虽然电磁波（包括位于人类可见光波段的光子）宏观层面体现出波的性质，但本质是质量为0的粒子。

四维时空也不再是牛顿宇宙中的绝对静止的空间和光速流淌的时间。因为时空一体，四维时空相对自身空间速度为0，因此四维时空的时空速度表现出来好像只有时间在流逝， 实际时空速度却是空间维度和时间维度的合速度。 这意味着四维时空中的宇宙万物不存在所谓绝对静止的物理状态，相反地，宇宙万物与生俱来具有高达光速的时空速度。通俗说，时空长河中（宇宙）万物即使自己静止不动，也被迫“随波逐流”，被以光速C ^{（注释3）} 滚滚向前的时空长河（四维时空）“裹挟”着在虚空中前进。

四维时空相对自身空间速度为0。这个应该很好理解，我们每个人相对自己都是静止的，相对自己空间速度为0，相对自己空间位移为0，无论我们坐在家里的沙发上，还是躺在高铁的软椅上，甚至待在围绕黑洞飞行的光速飞船里，相对于我们自身唯一运动（流逝）的只有时间，我们会出生、长大、衰老、死去。同理，假如存在一个凌驾于四维时空之上的上帝视角，会发现四维时空，即我们生活的这个宇宙相对宇宙自身也是空间速度为0，即空间位移为0，但空间也会“出生、长大、衰老、死去”。按照目前主流的宇宙起源说，就是暴涨诞生、膨胀、加速膨胀。

但存在于四维时空（宇宙）内部的物体彼此间可以有相对速度，发生空间位移。地球绕着太阳运动，每一天位置都在改变。人类也可以驾驶飞船离开地球去往火星，还可以冲出太阳系，只要飞船空间速度够快。

四维时空中的物体空间速度越快，其时间流逝就会越慢，这样才能保持时空合速度等于光速。 这意味着不同空间运动速度的物体有着不同的时间流速。 当一个物体的空间运动速度越接近光速，时间就走得越慢。 这表明四维时空中的物体空间速度有上限，可以达到光速而无法超越光速。 因为一个物体空间速度达到光速时其穿越时间的速度已经为0，等于时间维度的速度已经完全贡献给空间，“油门已经踩到底”，再无力给空间“加速”。结果就是有质量的物体空间运动速度不会超越光速，但可以无限接近光速；而质量为0的电磁波（包括位于人类可见光波段的光子）其空间运动速度正好等于光速。

四维时空中的物体空间速度无法超越光速的限制，也解释了为什么发生过的事情无法重来。一觉醒来迎来的是明天而不是昨天，打碎的镜子不能复原，鸡蛋可以孵出小鸡，而小鸡却不会再变回鸡蛋。因为存在以光速限制为基础的因果作用律。

因果作用律在这里可以简单理解为时间的方向，时间之矢，时间从现在流向未来，不会从现在回流到过去。通俗说，时间一直往前（未来）走。时间以光速流逝，存在于四维时空中的宇宙万物因为无法超越光速，所以过去已经发生过的事情成为历史，无法再改变。宇宙万物包括宇宙自身都会随着时间的流逝而诞生、成长、衰变、消亡。我们人类也会一天天地老去，从出生走向死亡。

但宇宙依赖于因果作用律才得以诞生并秩序井然，之后才有人类文明的出现、延续和发展，我们的日常生活也得以明日复明日地过下去。如果没有以光速限制为基础的因果作用律，整个世界都将陷入混乱 ^{（注释4）} 。

一个物体的空间速度达到光速，该物体的时间即陷入停滞。光子的空间速度就是光速，因此时间对光子而言已失去意义。人类生死之间有青少年、中年、老年之别，太阳从诞生到死亡之间有星云、星盘、恒星、红矮星、白矮星的变化，而光子从诞生到湮灭都是一个样子。

我们在日常生活中感觉不到时间流速的减慢，是因为我们日常生活中的空间运动速度太慢了。人类最快的载人飞船速度也不及光速的千分之一，对时间流逝的影响完全可以忽略不计。反之亦然，如果四维时空中的物体空间运动速度为0，则其时间以光速流逝。这类情况我们在日常生活中倒不乏体验，只需静静坐在家里发呆既可。因为在时间维度上的速度高达光速，静静发呆的你在四维时空中运动合速度仍然是光速。

狭义相对论推翻了我们自己直观感受到的空间静止和整个空间有且仅有一个匀速流淌的标准时间的“基本常识”，也推翻了牛顿对宇宙的认知。爱因斯坦的宇宙里绝对存在的不是空间和时间，而是“合二为一”的四维时空，四维时空中处于不同运动状态的物体，其空间尺寸大小和时间流速各自都会发生变化。通俗地说，对四维时空而言空间和时间都是相对的，四维时空本体才是绝对的存在，所以爱因斯坦的《运动物体的电动力学》又被称为相对论。《运动物体的电动力学》没有包含引力和加速运动，待之后爱因斯坦给出包含引力的场方程，《运动物体的电动力学》又被改称为狭义相对论，爱因斯坦场方程的出现则被视为广义相对论的诞生。

狭义相对论还指出，牛顿关于相互作用力都是超距和定域性的结论也是不准确的。 相互作用力的确是定域性的，但却不是超距的。 光速是有限的，并非无限大，虽然光速非常快，高达约30万千米/秒。 这意味着我们看见的世界都是过去式。 我们看到的太阳是8分钟前的，因为太阳发出的光要跑8分钟才抵达地球。晴朗的夜空，抬头可见满天闪烁的星光，实际这些星辰距离地球非常遥远，光需要几年甚至几万年才能抵达地球，我们看见的是这些星辰几年乃至几万年前的模样。即使我们生活的城市，每天从我们身边经过的汽车和行人，假设距离我们1米远，我们看到的是这些汽车和行人大约三亿分之一秒之前的样子。

狭义相对论的提出，让当时还在瑞士伯尔尼一家专利局工作的爱因斯坦开始在欧洲物理学界崭露头角，彼时爱因斯坦才26岁。狭义相对论有关空间中运动物体因速度不同而时间流速不同的结论，成功消除了牛顿的宇宙和光速不变的冲突。日常情况下物体空间运动都是低速运动，目前人类最快的飞行器，已经驶出太阳系的“旅行者一号”速度也才约230千米/秒，这点速度相对于光速几乎可以视为0，对时间流速的影响也就可以忽略不计。在上述低速情况下，可以近似地认为空间中不同速度的运动物体拥有共同的时间，牛顿宇宙的时间定义仍然有效。但物体运动速度快接近光速时，各物体的时间流速因各自空间运动速度的不同出现显著的快慢之别，牛顿宇宙的绝对时间不复存在，光速不变 ^{（注释5）} 就现身了。 s5QgSV7UqGgFbMetSZSnJUkxbZDsQPpulZGdY7uans7LbxdDqtcPMye6T+CJCQoP