1905年6月，26歲的阿耳伯特·愛因斯坦向德國《物理學紀事》投去一篇論文，解決了在少年時代就令他困惑的一個關(guān)于光的疑問。雜志的編輯普朗克（Max Planck）在翻過愛因斯坦的最后一頁手稿后，意識到大家接受的科學秩序蕩然無存了。那位來自瑞士伯爾尼專利局的小職員，已經(jīng)不聲不響地把傳統(tǒng)的空間和時間概念徹底推翻了，取而代之的是一個性質(zhì)與我們在尋常經(jīng)驗中熟悉的任何事物都截然不同的新概念。

困擾愛因斯坦10年的疑惑是這樣的：19世紀中葉，蘇格蘭物理學家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在認真研究了英格蘭物理學家法拉第（Michael Faraday）的實驗工作后，成功地把電和磁統(tǒng)一在電磁場的框架下。假如你曾在雷雨過后登上山頂，或者站在范德格拉夫發(fā)生器的旁邊，8你對什么是電磁場一定有過切身的體驗，因為你已經(jīng)感覺到它了。假如你還沒有那種經(jīng)歷，你可以想象那是電和磁的力線的波浪流過它們所經(jīng)過的空間區(qū)域。例如，當你把鐵粉灑在磁鐵旁邊時，它們形成的有序排列就顯示了一些看不見的磁力線。當你在特別干燥的日子脫下羊毛衫時，你會聽到“嘶嘶”的聲響，可能還會感覺有點兒哆嗦，其實，那就是從羊毛衫纖維脫落下的電荷產(chǎn)生的電力線。麥克斯韋理論不但把這樣那樣的電和磁的現(xiàn)象統(tǒng)一在一個數(shù)學框架，而且還出人意料地發(fā)現(xiàn)電磁擾動以恒定不變的速度傳播——后來發(fā)現(xiàn)，那個速度就是光速。根據(jù)這一點，麥克斯韋意識到，可見光不過是一類特殊的電磁波，我們現(xiàn)在知道，它與視網(wǎng)膜的化學物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，就產(chǎn)生視覺。另外（這一點很重要），麥克斯韋理論還說明，所有的電磁波都是典型的逍遙客，它們永不停歇，也永不減緩腳步。光總是以光速運動的。

這時還沒有什么問題，但問題跟著就來了，那也是16歲的愛因斯坦問過的：假如我們以光的速度追光，會發(fā)生什么事情呢？直覺告訴我們，根據(jù)牛頓的運動定律，我們將趕上光波，于是光波就像靜止不動的——光停在那兒了。然而，根據(jù)麥克斯韋的理論和所有可靠的觀測，根本沒有那樣的靜止的光；誰也不曾抓一把光在手上。這就是個問題。幸好，愛因斯坦不知道全世界有許多杰出的物理學家正在同這個問題斗爭（而且走過許多令人迷失的路線），他在憑著自己獨特自由的思路考慮麥克斯韋與牛頓的疑惑。

在這一章里，我們來討論愛因斯坦如何通過他的狹義相對論解決這個矛盾，如何永遠地改變了我們關(guān)于空間和時間的概念。也許有人奇怪，狹義相對論首先關(guān)心的是，相對運動著的個人（通常叫“觀察者”）所看到的世界是什么樣的。乍看起來，這不過是沒有一點兒意思的智力游戲。事實正好相反，在愛因斯坦的手下，追光的想象隱藏著更深刻的意義。他發(fā)現(xiàn)，即使最尋常的事物，在相對運動的觀察者看來也會表現(xiàn)最奇異的現(xiàn)象。

尋常的一些經(jīng)驗?zāi)芨嬖V我們各人看到的事情怎么會不同。例如，路邊的樹木在駕駛者看來是運動的，而從坐在護欄里等車的人看卻是靜止的。同樣，汽車上的儀表盤在司機看來是不動的（當然不動啦?。诘溶嚾丝磥?，卻是跟著汽車的其他都分一起走的。這些現(xiàn)象太普通，太直觀，我們幾乎不怎么留意。

然而，狹義相對論認為，不同觀察者所看到的現(xiàn)象的不同有著微妙而深刻的意義。它令人驚奇地指出，相對運動的觀察者將感覺不同的距離和時間。我們會看到，這就是說，戴在兩個相對運動著的人手上的相同的手表會有不同的節(jié)律，從而對任意兩個事件之間的時間間隔，也有不同的結(jié)果。狹義相對論指出，這個結(jié)論并不是說表的精度有問題，它說的是時間本身。

同樣，拿著相同皮尺的兩個相對運動的觀察者將量出不同的距離。這當然還是與他們的測量方法的誤差和測量設(shè)備的精度無關(guān)。世界上最精確的測量儀器也證明，每個人所經(jīng)歷的空間距離和時間間隔是不同的。愛因斯坦的狹義相對論以準確的方式解決了我們關(guān)于運動的直覺和光的性質(zhì)的矛盾，但是也付出了代價：相對運動的觀察者不再會看到相同的空間和時間。

自愛因斯坦向世界宣布他那驚人的發(fā)現(xiàn)以來，近百年過去了，而我們今天大多數(shù)人還在把空間和時間當成絕對的東西。狹義相對論沒有深入人心——我們感覺不到它。它的意義在我們的直覺以外。原因很簡單：狹義相對論效應(yīng)依賴于我們的運動速度，而在汽車、飛機甚至宇宙飛船的速度，這些效應(yīng)是微不足道的。站在地上的人和坐在汽車或飛機上的人的確經(jīng)歷著不同的空間和時間，不過那差別太小而沒人注意。然而，假如有人能坐上未來的宇宙飛船以接近光的速度去旅行，相對論效應(yīng)將變得十分顯著。當然，這在今天還是科幻小說的話題。不過，在后面的章節(jié)我們將討論，聰明的實驗家們會讓我們清楚而準確地看到愛因斯坦理論預(yù)言的空間和時間特性。

為實在地感覺上面提到的那些測量，讓我們回到1970年，那時剛出現(xiàn)高速的大汽車。斯里姆剛用所有積蓄買了輛新Trans Am賽車，這會兒同兄弟吉姆一道來參加當?shù)氐钠嚩坛碳铀俦荣?，想試試那車怎么樣（而車商是不會讓他們那么試車的）。斯里姆加大油門，汽車飛也似地以每小時120千米的速度跑在那1千米長的跑道上，而吉姆則站在道旁為他測時間。為相互驗證，斯里姆自己也拿秒表測量他的新車跑過這段路需要多長時間。在愛因斯坦以前，不會有人懷疑斯里姆和吉姆會測得完全相同的時間，只要他們的表運行正常。但是依照狹義相對論，如果吉姆的表測得的時間是30秒，那么斯里姆記錄的時間將是29.99999999999952秒——小一丁點兒。當然，只有當我們的測量精度遠遠超過秒表、超過奧運會的計時系統(tǒng)，甚至超過最精確的原子鐘，才可能確定那么微小的差別。難怪我們在日常生活中感覺不到時間的流逝依賴于我們運動的狀態(tài)。

對長度的測量，兄弟倆也會有不同的意見。例如，在下一輪試車時，吉姆用了一種很巧妙的辦法來測量斯里姆的新車的長度：當車頭經(jīng)過身邊時，打開秒表，車尾經(jīng)過時，把它按下。因為吉姆知道哥哥的汽車在以每小時120千米的速度前進，所以拿速度乘以他秒表上的時間，就能得到車的長度。當然，在愛因斯坦之前，也不會有人懷疑吉姆以這種直接方法測得的長度與斯里姆在汽車停在車棚里測量的長度是完全一樣的。但是，狹義相對論指出，如果兄弟兩人用這種辦法精確測量了汽車的長度，比如說，斯里姆測得的正好是5米，那么吉姆將發(fā)現(xiàn)它是4.99999999999974米——短了一點兒。與時間測量一樣，這么小的差別是尋常儀器無法測量的。

差別盡管很小，還是暴露了大眾擁有的普適不變的空間和時間概念的致命缺陷。當斯里姆和吉姆的相對速度越來越大時，這缺陷也越來越明顯。不過，只有當速度接近最大可能速度（光速）——麥克斯韋理論和實驗證明為每秒300000千米——才可能出現(xiàn)可以覺察的差別。那速度足以在1秒鐘里繞地球7圈半。如果斯里姆的速度不是120千米/小時，而是9.4億千米/小時（光速的87%），狹義相對論預(yù)言，吉姆測得的車長將是2.4米左右，大大不同于斯里姆的測量（也就是用戶手冊上標明的長度）。同樣，在吉姆看來，短程賽車的時間將比斯里姆測量的時間大1倍。

今天幾乎沒有東西能達到那樣的速度，所以這些專業(yè)上所說的“時間膨脹”和“洛倫茲收縮”現(xiàn)象，在日常生活里沒有產(chǎn)生什么效應(yīng)。假如在我們生活的世界里，事物都普遍以接近光的速度運動，那么空間和時間的這些性質(zhì)也就完全成了我們的直覺——因為隨時都在經(jīng)歷著它——從而就像開頭說的路旁的樹木那樣，也用不著多加討論了。但是，我們并不生活在那樣的世界，所以那些性質(zhì)還是陌生的。我們會認識到，只有徹底改變自己的世界觀，才能理解和接受那些性質(zhì)。

構(gòu)成狹義相對論基礎(chǔ)的是兩個簡單然而扎實的原理。一個我們已經(jīng)提過了，與光的性質(zhì)有關(guān)，在下一節(jié)我們還要詳細討論；另一個更抽象，它講的不是任何具體的物理學定律，卻與所有物理學定律都有關(guān)系，那就是著名的相對性原理。這個原理基于一個簡單的事實：不論我們討論速度的大小還是方向，都必須明確是誰或者什么在測量。從下面的例子可以很容易地理解這句話的意思和重要性。

讓我們想象，在遠離星系、恒星和行星的地方，喬治穿著閃紅光的太空服漂浮在黑暗的空無一物的空間。從他的角度說，他完全靜止地浮在均勻宇宙的黑暗里。他看見遠處閃爍著一點綠光，越來越向他靠近。終于，那光走近了，原來是從另一位太空流浪者格蕾茜的太空服發(fā)出的，她正慢慢飄過來。經(jīng)過他時，她向他揮了揮手，他也向她揮揮手。然后，她又消失在黑暗里。這個故事也完全可以從格蕾茜的立場來講。開始的時候，格蕾茜獨自漂浮在太空無邊的黑暗中，她看到遠處閃爍的紅光在向她走來，后來她看清了，那光是從另一個人（喬治）的太空服上發(fā)出的。那人向她靠近，經(jīng)過時也向她揮了揮手，然后消失在遠方。9

兩個敘述以兩種不同但等價的觀點講了同一件事情。每個觀察者都覺得自己是靜止的，而看見別人在運動。每個人的觀點都有道理，也都能理解。因為兩個太空流浪者的地位是對稱的，所以，從根本上說，我們不能講誰的感覺是“對”還是“錯”，他們都一樣有理由說自己是對的。

這個例子抓住了相對性原理的精神：運動的概念是相對的。只有在相對于其他事物或與其他事物比較時，我們才能談一個物體的運動。這樣，說“喬治在以每小時10千米的速度運動”是沒有意義的，因為我們沒有說明任何參照的對象。如果我們以格蕾茜為參照，那么這樣講就是有意義的：“喬治以每小時10千米的速度經(jīng)過格蕾茜?！闭缥覀兊睦幽菢樱詈筮@句話完全可以這樣說：“格蕾茜以每小時10千米的速度（從相對的方向）經(jīng)過喬治。”換句話講，沒有“絕對的”運動概念，運動是相對的。

上面的例子中關(guān)鍵的一點在于，喬治和格蕾茜都不以任何方式受力的作用和影響，那些影響可能會改變他們靜止的、不受力的作用的、勻速運動的狀態(tài)。所以，更準確的說法是，只有在與其他對象比較時，不受力的運動才有意義。說明這一點是很重要的，因為，如果出現(xiàn)力的作用，它會改變觀察者的速度——改變其大小和（或）方向——而這些改變是可以感覺的。例如，當喬治背著點火的噴氣袋時，他準能感覺自己在運動。這種感覺是內(nèi)在的。只要火箭點火了，喬治就知道他在運動，即使他閉上眼睛，不看周圍的事物。即使沒有什么比較，他也不會再說自己是靜止的，而“其余的世界在他周圍運動”。常速的運動是相對的，而非常速的運動（或者說，加速運動）卻不是。（我們下一章考慮加速運動，討論愛因斯坦的廣義相對論時，還要回頭來檢驗這種說法。）

讓故事發(fā)生在太空的黑暗里，更有助于我們的理解，因為它避開了我們熟悉的街道和大廈——我們常常毫無理由地認為它們處在特殊的“靜止”狀態(tài)。實際上，相對性原理也同樣適合于地球上的事物，而那也是我們經(jīng)常遇到的。1舉例來說，假設(shè)你在火車上睡著了，醒來時火車正在通過一段復(fù)線。你透過窗戶往外看，卻被另一列火車擋住了，什么也看不見。這時，你可能說不準是一列火車在動，還是兩列都在動。當然，如果火車搖晃或者在彎道上，你會感覺在運動。但如果鐵路是筆直的——而且火車速度不變——你只能看到兩列火車的相對運動，而說不準是誰在動。

讓我們更進一步。假如你在那列火車上，把窗簾拉下來，把車窗遮住，看不見車廂外的一點兒東西。又假設(shè)火車速度是完全不變的，那么，你無法確定自己的運動狀態(tài)。不論火車停在路上還是高速開著，你看到的車廂都是完全一樣的。這樣的思想，其實還可以追溯到伽利略，愛因斯坦是通過下面的論斷建立起來的：不論是誰，都不可能在這樣封閉的車廂里通過實驗來決定火車是否在運動。這也是相對性原理：一切不受力的運動都是相對的，只有通過與其他不受力的運動物體或觀察者的比較才有意義。如果不與“外面的”事物進行比較，你就不可能知道自己處在什么運動狀態(tài)。根本沒有什么“絕對的”勻速運動，只有比較才有物理意義。

實際上，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，相對性原理還有著一個更響亮的論斷：不論什么物理學定律，對所有勻速運動的觀察者來說都是完全相同的。假如喬治和格蕾茜不是孤零零地漂浮在太空，而是在各自的太空站里做同一組實驗，那么他們的實驗結(jié)果還是相同的。每個人都一樣有理由相信自己的太空站是靜止的，盡管兩個站是相對運動著的。如果他們所有的儀器都一樣，兩個實驗室就沒有什么分別——是完全對稱的。他們從實驗得出的物理學定律也是相同的。無論他們自己還是他們的實驗，都不可能感覺到勻速運動——也就是說，不以任何方式依賴于那種運動。就是這個簡單的概念在兩個觀察者之間建立起完全的對稱關(guān)系；就是這個簡單的概念體現(xiàn)了相對性原理的精神。很快我們會將這個原理用于重大的效應(yīng)。

狹義相對論的第二個關(guān)鍵因素與光和光的運動性質(zhì)有關(guān)。我們說過，“喬治以每小時10千米的速度運動”這句話離開比較對象是沒有意義的，然而光卻不同。一個世紀以來，大量實驗物理學家的努力都證明，一切觀察者都同意光以每秒300000千米的速度運動——不論以什么標準為參考。

這個事實變革了我們的宇宙觀。為弄懂它的意義，我們先來看，那個關(guān)于光速的論斷對普通的事物是不是對的。想象一下，在一個明媚的日子里，你跟朋友出去玩兒沙灘排球。你們快樂地把球傳來傳去（速度比如說是每秒6米）。忽然，天上電閃雷鳴，你們趕緊跑去找躲雨的地方。雨過天晴，你們又重新玩兒起來?？墒悄惆l(fā)現(xiàn)有點不對勁兒，朋友的頭發(fā)亂蓬蓬的，兩眼變得兇惡而瘋狂。再看她的手，你驚奇地發(fā)現(xiàn)她手上拿的不是什么球，而是要把一顆手榴彈扔給你。當然了，你玩球的熱情一下子煙消云散了，轉(zhuǎn)身拔腿就跑。你的伙伴扔出手榴彈向你飛過來，但因為你也在跑，所以它向你追來的速度比6米/秒小。實際上，經(jīng)驗告訴我們，如果你跑的速度是每秒4米，那么手榴彈向你飛來的速度是（6-4=）2米/秒。再看一個例子：假如你在山上忽然遭遇雪崩，你首先想到的是跑，因為那樣雪向你壓過來的速度會慢下來——這當然是好事。同樣，靜止的觀察者看到的雪速度要比逃跑者感覺的快。

現(xiàn)在，我們來比較一下排球、手榴彈、雪崩與光有哪些基本差別。為了讓比較更密切，我們想象光是由一“束束”或一“包包”光子組成的（光的這點性質(zhì)我們在第4章還要更詳細地討論）。當我們打開手電筒或者激光器時，實際上就在向某個方向發(fā)射光子流。像手榴彈和雪崩的例子一樣，我們來看，運動的觀察者看到的光子是如何運動的。假定你那位發(fā)了瘋的朋友把手榴彈換成大功率的激光向你射過來——你可以發(fā)現(xiàn)（假如你有很好的測量儀器），光子束的速度為每小時10.8億千米。但是，假如你像看到手榴彈飛過來時拔腿就跑，情況會怎樣呢？光向你飛來的速度會是多大呢？為了更令人相信，請你坐上“冒險者”號飛船，以1.6億千米/小時的速度逃離你的伙伴。這樣，照傳統(tǒng)的牛頓世界觀，你大概以為光子飛向你的速度會慢一些，因為你也在跑。具體地說，你預(yù)料它們向你靠近的速度是（10.8-1.6=）9.2億千米/小時。

自1880年以來，大量不同的實驗以及對光的麥克斯韋電磁學理論的分析和解釋，逐漸令科學家們相信，你不會看到你想象的那種事情。實際上，不論你怎么跑，你總會發(fā)現(xiàn)光子向你飛來的速度是10.8億千米/小時，一點兒也不會慢。乍聽起來，這似乎很荒唐，一點兒也不像我們在排球、手榴彈和雪崩時發(fā)生的事情。然而，事實就是那樣。不論你迎著光還是追著光跑，它靠近或離開你的速度是不會改變的，都是每小時10.8億千米。不論光子源與觀測者如何相對運動，光速總是一樣的。2

由于技術(shù)的局限，上面說的那些“實驗”實際不可能完成。不過，比較的實驗還是可以做的。例如，荷蘭物理學家德西特（Willem de Sitter）在1913年提出，快速運動的雙星（兩顆相互繞對方旋轉(zhuǎn)的恒星）可以用來測量光源的運動對光速的影響。80多年來，許許多多的這類實驗都證明來自運動恒星的光與來自靜止恒星的光具有相同的速度——在不斷提高的儀器精度下，都是10.8億千米/小時。另外，在過去的百年里，在不同環(huán)境下做了許多直接測量光速的實驗，還檢驗了光的這種性質(zhì)所帶來的許多結(jié)果——它們都證明，光速是一個常數(shù)。

如果你覺得光的這種性質(zhì)很難理解，那不是你一個人的問題。在19、20世紀之交的那些年，曾有許多物理學家想盡辦法來反對它，但都失敗了。愛因斯坦不一樣，他欣然接受了不變的光速，因為它解決了困惑他10多年的矛盾：不論你怎么費力去追趕，光總是以光速跑在你的前頭。你不可能覺察光速有一丁點兒的差別，當然更不可能讓光慢慢停下來。問題解決了，但不僅僅是戰(zhàn)勝了一個難題。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，不變的光速意味著牛頓物理學的崩潰。

速度度量一個物體在一定時間間隔內(nèi)能走多遠。如果坐在速度為65千米/小時的汽車上，我們在1小時里當然走了65千米（只要在這個小時內(nèi)我們保持相同的運動狀態(tài)）。這樣說來，速度是很普通的概念。那么有人可能奇怪，我們?yōu)楹芜€費大力氣去談什么排球、雪球和光子的速度。但是請注意，距離是關(guān)于空間的概念——特別是它度量了兩點間有“多少”空間。另外還應(yīng)注意，間隔是關(guān)于時間的概念——兩個事物之間經(jīng)歷了多長時間。于是，速度最終是與我們的空間和時間概念聯(lián)系著的。這樣我們看到，挑戰(zhàn)我們尋常的速度概念的那些實驗事實，如光速的不變性，實際上也在挑戰(zhàn)我們尋常的空間和時間概念本身。因為這一點，光速的奇特性質(zhì)值得更仔細地研究——愛因斯坦通過對它的考察，得到了驚人的結(jié)果。

根據(jù)光速的不變性，可以毫不費力地證明我們平常熟悉的時間概念是完全錯誤的。假定有兩個敵對國的元首，分別坐在長長的談判桌的兩頭。他們剛達成停戰(zhàn)協(xié)議，可誰也不愿先在協(xié)議上簽字。聯(lián)合國秘書長走過來，他想到一個絕妙的解決辦法。把一盞燈放在桌子的中間，燈光會同時到達兩位總統(tǒng)（因為他們距離燈是一樣遠的）。當兩個總統(tǒng)看到燈光時，就在協(xié)議文本上簽字。就這樣，協(xié)議在雙方都滿意的情況下達成了。

秘書長很高興，又用同樣的辦法來調(diào)解另外兩個正在備戰(zhàn)的國家。不同的是，談判在勻速行駛著的火車上進行。兩個國家的總統(tǒng)坐在談判桌的兩頭，“前衛(wèi)國”總統(tǒng)面對火車前進的方向，“后衛(wèi)國”總統(tǒng)面對他坐在對面。秘書長知道，只要運動狀態(tài)保持不變，物理學定律就總是一樣的，而與各人的運動狀態(tài)無關(guān)，所以誰坐在哪頭是沒有關(guān)系的。他又主持了那種“燈光簽字儀式”。兩位總統(tǒng)簽署了協(xié)議，與幕僚們共同慶祝兩國結(jié)束敵對關(guān)系。

這時候，有人來報告，在車外站臺上看簽字儀式的兩國群眾打起來了。談判列車上的人很震驚，他們聽說兩國群眾沖突的原因是“前衛(wèi)國”的人感覺自己受騙了，因為是他們的總統(tǒng)先在協(xié)定上簽了字。而車上的人——不論哪一方——都認為簽字是同時進行的。外面的人怎么會看到不同的場面呢？

讓我們更仔細地來考慮站臺上的人所看到的情形。當初，談判桌上的燈是關(guān)著的，然后在某個時刻打開，光傳向兩位總統(tǒng)。從站臺看，“前衛(wèi)國”總統(tǒng)迎著照過來的光，而“后衛(wèi)國”總統(tǒng)則在離開光。這就是說，對站臺上的人而言，燈光離“前衛(wèi)國”總統(tǒng)的傳播路線比離“后衛(wèi)國”總統(tǒng)的更短，因為一個迎著光來，一個離光而去。這不是說光的速度在射向兩位總統(tǒng)時有什么不同——我們已經(jīng)講過，不論光源和觀察者的運動狀態(tài)如何，光速都是相同的。我們這里說的只是，從站臺上的觀察者的觀點看，光到達兩個總統(tǒng)所經(jīng)歷的距離有多遠。因為光到“前衛(wèi)國”總統(tǒng)的距離比到“后衛(wèi)國”總統(tǒng)的短，所以它將先達到“前衛(wèi)國”的總統(tǒng)，這就是為什么“前衛(wèi)國”的公民說自己上當了。

當有線新聞網(wǎng)（CNN）廣播群眾看到的情景時，聯(lián)合國秘書長、兩國總統(tǒng)以及幕僚們都驚呆了，簡直不敢相信自己的耳朵。他們都看到燈肯定是精確地放在兩位總統(tǒng)的正中央的，如果沒有什么干擾，燈發(fā)出的光傳到他們的距離是一樣的。因為光向左和向右的速度相同，他們相信——而且確實看到了——光真的是同時到達兩個總統(tǒng)的。

車上車下的人，誰對誰錯呢？雙方看到的和解釋的理由都無懈可擊。答案是，兩家都是對的。像喬治和格蕾茜那兩位太空行者的情形一樣，兩種觀察結(jié)果都有理由說是正確的。惟一令人疑惑的是，這里的兩種情形似乎是相互矛盾的。出現(xiàn)了棘手的政治問題：兩位總統(tǒng)是同時簽字的嗎？以上面的觀察和理由使我們不得不相信，根據(jù)列車上的人的觀點，他們是同時簽字的，而根據(jù)站臺上的人的觀點，他們不是同時簽字的。換句話講，如果兩個觀察者是相對運動的，那么在一個人看來同時發(fā)生的事情，在另一個人看來是不同時的。

這是一個驚人的結(jié)論，是對實在本性最深刻的洞察之一。不過，即使多年以后你忘了這一章講的事情，而還能記得那艱難的和平歷程，那么你還是把握了愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的精髓。時間的這種出人意外的性質(zhì)，不需要令人皺眉的數(shù)學，也不需要眼花繚亂的邏輯，它是光速不變性的直接結(jié)果，這一點我們已經(jīng)說過了。我們現(xiàn)在來看，如果光速不是常數(shù)，而像我們直覺認為的那樣，像排球、雪球的速度那樣變化，那么站臺和列車上的人的意見就不會有沖突了。站臺上的人還是會說，光離“后衛(wèi)國”總統(tǒng)的距離要比離“前衛(wèi)國”總統(tǒng)遠一點兒，但直覺告訴我們，光飛向“后衛(wèi)國”總統(tǒng)的速度也要快一點兒，因為向前奔馳的火車也在給它“加勁兒”。同樣，他們會看到光飛向“前衛(wèi)國”總統(tǒng)的速度會慢一點兒，因為向前的列車會將它“拖住”。考慮了這些效應(yīng)（當然是錯誤的），站臺上的人們會看到光同時到達兩位總統(tǒng)。然而，在現(xiàn)實世界里，光不能被加速，也不會慢下來，所以火車既不可能使它更快，也不可能使它變慢。于是，站臺上的觀察者最終還是會說光先到達“前衛(wèi)國”的總統(tǒng)。

千百年來，我們一直以為同時性的概念是普適的，不論運動狀態(tài)如何，都是大家公認的；然而，光速不變性要求我們放棄這種觀念。我們曾經(jīng)幻想一種普適的時鐘，不論在地球、火星、木星還是在仙女座星系，它在宇宙的每一個角落都能以完全相同的節(jié)律，一分一秒地走下去?，F(xiàn)在看來，這樣的鐘是不可能存在的。反過來說，相對運動的觀察者對事件是否同時發(fā)生，會有不同的看法。然而，還是因為我們尋常遇到的速度太小，所以我們世界的這種實實在在的特征對我們來說依然是陌生的。假設(shè)談判桌長30米，火車以每小時16千米的速度運行，那么站臺上的人們會“看到”光到達“前衛(wèi)國”總統(tǒng)的時間比達到“后衛(wèi)國”總統(tǒng)的時間要早大約一千萬億分之一秒。雖然這是真正的差別，但確實太小了，我們不可能直接感覺得到。假如火車快得多，每小時跑10億千米，那么，站臺上的人會看到光到達“后衛(wèi)國”總統(tǒng)的時間要比到“前衛(wèi)國”總統(tǒng)多20倍。在高速情況下，狹義相對論的驚人效應(yīng)就越發(fā)顯著了。

很難為時間下一個抽象的定義——那常常會把“時間”本身卷進來，要不就得在語言上兜圈子。我們不想那么做，而采取一種實用的觀點，將時間定義為時鐘所測量的東西。當然，這也把定義的負擔轉(zhuǎn)給了“時鐘”。這里，我們不那么嚴格地將時鐘理解為一種做著完全規(guī)則的循環(huán)運動的儀器。我們通過計數(shù)時鐘經(jīng)過的循環(huán)次數(shù)來測量時間。像手表那樣的尋常鐘表是滿足這個定義的，它的指針規(guī)則地一圈一圈地轉(zhuǎn)，而我們也的確通過它的指針在兩個事件之間轉(zhuǎn)的圈數(shù)來確定時間。

當然，“完全規(guī)則的循環(huán)運動”也隱含著時間的概念，因為“規(guī)則”指的正是每一個循環(huán)經(jīng)歷相同的時間間隔。從實用的立場出發(fā)，我們用簡單的物理過程來建立時鐘，就是說，我們希望它在原則上反復(fù)地循環(huán)，從一個循環(huán)到下一個循環(huán)不發(fā)生任何方式的改變。古老的來回搖蕩的擺鐘和以重復(fù)的原子過程為基礎(chǔ)的原子鐘，為我們提供了簡單的例子。

我們的目的是認識運動如何影響時間的流逝。既然我們已經(jīng)以操作的方式用鐘的運動定義了時間，那么也可以將問題轉(zhuǎn)換為：運動如何影響鐘的“嘀嗒”？首先應(yīng)強調(diào)一點，我們的討論并不關(guān)心某個特殊的鐘的機械零件會在搖晃、碰撞中發(fā)生什么事情。其實，我們要講的只是最簡單最平凡的運動——速度絕對不變的運動——這樣也不會有搖晃或碰撞。我們真正感興趣的是一個普遍性的問題：運動如何影響時間的流逝，也就是說，如何根本地影響任何鐘的節(jié)律，而與鐘的具體設(shè)計和構(gòu)造無關(guān)。

為此，我們引入一種最簡單的概念性的（不過也是最不實用的）鐘，那就是所謂的“光子鐘”。它由安在架子上的兩面相對的小鏡子組成，一個光子在兩面鏡子間來回反射（圖2.1）。假定鏡子相隔15厘米，光子來回一趟需要大約十億分之一秒。我們可以把光子的一次來回作為光子鐘的一聲“嘀嗒”——嘀嗒10億聲就意味著經(jīng)過了1秒。

圖2.1　兩面平行鏡子構(gòu)成的光子鐘，中間有一粒光子。光子每完成一次往返，鐘就“嘀嗒”一聲。

我們可以拿光子鐘做秒表來測量兩個事件的時間間隔：只需要數(shù)一下在我們感興趣的期間里聽到了多少次“嘀嗒”聲，然后用它乘以每次“嘀嗒”所對應(yīng)的時間。例如，我們測量一場賽馬的時間，從開始到結(jié)束，光子來回的次數(shù)為550億次，那么我們知道賽馬經(jīng)過了55秒。

我們用光子鐘來討論是因為它的力學性質(zhì)很簡單，而且擺脫了許多外來的影響，從而能讓我們更好認識運動如何影響時間過程。為看清這一點，我們來仔細看看身邊桌上的光子鐘是怎么計時的。這時候，忽然從哪兒落下另一只光子鐘，在桌面上勻速地滑過（圖2.2）。我們的問題是，運動的鐘與靜止的鐘會以相同的節(jié)律“嘀嗒”嗎？

為回答這個問題，讓我們從自己的角度來看光子在滑動的鐘內(nèi)為了一聲“嘀嗒”該走的路徑。如圖2.2，光子從滑動著的鐘底出發(fā)，然后到達上面的鏡子。在我們看來，鐘是運動的，光子的路徑應(yīng)該像圖2.3那樣是斜的；如果光子不走這條路，就會錯過上面的鏡子而飛向空中。然而，滑動的鐘也有理由說自己是靜止的而其他東西在運動，我們也知道光子一定會飛到上面的鏡子，所以我們畫的路線是對的。然后，光子從上面反射下來，沿著另一條斜線落回下面的鏡子，“敲響”滑動的鐘。顯然，我們看見的光子經(jīng)歷的兩條斜線比光子在靜止的鐘里從上到下的直線更長，因為從我們的視角看，光子不僅上下往返，還必須隨滑動的鐘從左飛到右。這一點是有根本意義的。另外，光速不變性告訴我們，滑動鐘的光子與靜止鐘的光子一樣，都以光速飛行。光子在滑動的鐘里需要飛過更長的路徑，所以它“敲響”的鐘聲會比靜止的鐘少。這個簡單的論證說明，從我們的視點看，運動著的光子鐘比靜止的光子鐘“嘀嗒”得慢。而我們已經(jīng)認為“嘀嗒”的次數(shù)反映了經(jīng)歷時間的長短，因此我們看到，運動的鐘的時間變慢了。

圖2.2　前面是靜止的光子鐘，另一只光子鐘勻速滑過。

圖2.3　從我們的視點看，光子在滑動的鐘里走過一條折線。

你可能想問，也許這不過是光子鐘的特殊性質(zhì)，未必適合于古老的擺鐘或者勞力士手表。這些更熟悉的鐘表測得的時間也會慢嗎？我們可以響亮地回答“是的”，可以用相對性原理來證明。在光子鐘上系一只勞力士表，重復(fù)剛才的實驗。我們已經(jīng)講過，靜止的光子鐘和系在上面的勞力士表所測量的時間是一樣的，光子鐘“嘀嗒”10億次，勞力士表走1秒鐘。如果光子鐘和勞力士表在運動呢？勞力士表會像光子鐘那樣也同步地慢下來嗎？為使問題更明白，我們把鐘和表固定在列車車廂的地板上，車廂沒有窗戶，列車在筆直光滑的鐵路上勻速地滑行。根據(jù)相對性原理，車上的人誰也沒有辦法判斷列車是否在運動。但如果勞力士表和光子鐘不同步，他們就可以憑這一點發(fā)現(xiàn)運動的效應(yīng)。因此，運動的鐘和鐘上的表一定測量相同的時間間隔；勞力士表一定以完全相同的方式像光子鐘那樣變慢了。不論什么牌子、什么類型、什么結(jié)構(gòu)的鐘表，只要在相對運動，它們就會測量出不同的時間節(jié)律。

光子鐘的討論還說明，靜止與運動的鐘的時間差決定于滑動鐘的光子完成一次往返飛行需要經(jīng)過的距離，而這又決定于鐘滑動的速度——從靜止的觀察者看，鐘滑動越快，光子飛行越遠。所以，與靜止的鐘相比，滑動的鐘滑得越快，它“嘀嗒”的節(jié)律就越慢。3

為了對時間大小有一點感覺，我們注意光子來回一趟大約是十億分之一秒。能在“嘀嗒”聲中經(jīng)過一段可以覺察的路徑的鐘一定運動得很快——那速度與光速差不多。假如它以尋常的每小時16千米的速度運動，則在光子走完一個來回時它才移動了五百億分之一米。這個距離太小，從而光子經(jīng)過的距離也小，相應(yīng)地，對鐘的影響也小了。根據(jù)相對性原理，這同樣適合于所有的鐘——也就是說，適合于時間本身。這也是為什么我們這些以低速度相對運動的生命一般都感覺不到時間的扭曲。那效應(yīng)雖然肯定存在著，卻是小得驚人。相反，假如我們能抓著滑動的鐘，跟它一起以3/4光速運動，那么我們可以用狹義相對論方程證明，靜止的觀察者會發(fā)覺我們運動的鐘的節(jié)律大約只是他們的鐘的2/3，這實在是顯著的效應(yīng)。

我們看到了，光速不變性意味著運動的光子鐘比靜止的光子鐘的“嘀嗒”節(jié)律慢，而根據(jù)相對性原理，這不僅對光子鐘是正確的，也適合于任何類型的鐘——也就一定適合于時間本身。運動的觀察者的時間過得比靜止觀察者的慢。照這樣的推理，運動著的生命豈不是比靜止的生命活得更長嗎？畢竟，假如運動的時間比靜止的時間慢，那么這種差別不應(yīng)僅適用于鐘表測量的時間，也同樣適用于心跳和身體器官衰老所決定的時間。真是這樣的，它已經(jīng)得到了直接證實——不是人的壽命延長了，而是來自微觀世界的某種粒子（μ子）的壽命延長了。然而，我們卻不能說找到了青春的源泉，因為面前還有巨大的困難。

在實驗室里處于靜止狀態(tài)時，μ子經(jīng)過類似放射性衰變的過程，在大約百萬分之二秒的時間內(nèi)發(fā)生分裂，這是得到無數(shù)證據(jù)證明了的實驗事實。μ子仿佛舉著一支槍頂著自己的頭，在百萬分之二秒時扣動扳機，把自己擊碎，分裂成電子和中微子。但是，假如μ子不是靜止在實驗室里，而是在某個粒子加速器里，它將獲得只比光慢一點的速度。實驗室的科學家會發(fā)現(xiàn)它的平均壽命驚人地延長了。確實如此。以每小時10.73億千米（約99.5%的光速）運動的μ子，壽命大約會增大10倍。照狹義相對論的解釋，快速運動的μ子“戴”的表比實驗室里的鐘慢得多，當實驗室鐘聲響起該它開槍時，它的表還遠沒到那“最后的時刻”。這說明了運動對時間過程直接而驚人的影響。假如誰能像μ子那么快地飛翔，他的生命也會一樣地延長。原先活70歲的，會活到700歲。4

現(xiàn)在我們來看那困難是什么。實驗室的人看到高速運動的μ子比它靜止的伙伴活得更長，那是因為對運動者來說，時間走慢了。不僅μ子的表慢了，它經(jīng)歷的一切活動都慢了。例如，假如靜止的μ子一生能讀100本書，它那運動的兄弟也只能讀100本書——盡管它的壽命長多了，但它閱讀的速度和它生命的一切活動也都慢下來了。從實驗室看，運動的μ子會比靜止的活得更長，但它經(jīng)歷的“生命的總和”卻是一樣多。這個結(jié)論當然也適用于那些高速運動的能活幾百歲的人。在他們自己看來，生命如故。在我們看來，他們過著超慢節(jié)奏的生活，他們的一個普通生命周期要經(jīng)歷我們漫長的時間。

運動的相對性既是愛因斯坦理論的鑰匙，也是混亂的根源。你大概已經(jīng)注意了，如果換一個角度看，那么時間過得慢的“運動的”μ子與“靜止的”μ子將相互改變角色。像喬治和格蕾茜都能說自己是靜止的一樣，我們講的運動的μ子完全可以從它自己的角度說它沒有動，真正（在相反方向）動的是那“靜止的”伙伴。從這個角度看，前面的論證同樣是成立的，于是我們得到一個表面上很矛盾的結(jié)果：我們所講的靜止的μ子的時間，相對于我們所講的運動的μ子的時間，慢了。

在“燈光簽字儀式”的例子中，我們曾遭到過這樣的情形：不同觀點會帶來離奇的結(jié)果。在那里，我們被迫根據(jù)狹義相對論的基本論證放棄了這樣一個根深蒂固的舊觀念：不論在什么樣的運動狀態(tài)，人們對事件發(fā)生的時間會有一致的認識。而眼前的沖突似乎更嚴重。兩個觀察者怎么可能都說對方的表慢了呢？更令人驚訝的是，兩個不同的μ子的觀點使我們面對這樣一個嚴酷而悲哀的境地：兩個兄弟都說自己會先離開這個世界。我們知道世界上會發(fā)生一些出人意料的怪事，但我們還是不希望出現(xiàn)邏輯荒唐的事情。究竟是怎么一回事呢？

像狹義相對論出現(xiàn)的其他悖論一樣，仔細考察這些邏輯怪圈會帶來對宇宙行為的新認識。為避免過分的擬人化，我們不談μ子兄弟了，還是來看喬治和格蕾茜。現(xiàn)在，他們除了太空服上的閃光燈以外，還帶著明亮的數(shù)字鐘。在喬治看來，他是靜止的，而格蕾茜的燈光和她巨大的數(shù)字鐘出現(xiàn)在遠處，然后從黑暗的虛空空間走過來，經(jīng)過他。他發(fā)現(xiàn)她的鐘比自己的慢（慢多少則依賴于他們相互經(jīng)過的速度是多大）。如果再機靈一點兒，他還會發(fā)現(xiàn)，不僅她身上的鐘慢了，她的一切都慢了——她經(jīng)過時揮手的動作慢了，她眨眼睛的速度慢了……在格蕾茜來看，這些緩慢的運動同樣發(fā)生在喬治身上。

雖然這顯得很奇怪，我們還是來看一個揭示邏輯荒謬的精確實驗。最簡單的辦法是，讓喬治和格蕾茜相遇時把他們的鐘都撥到12：00。兩人分開后，都說對方的鐘慢了。為看個究竟，他們只好又回到一起，直接比較鐘的時間。不過，他們怎樣才能再相遇呢？既然喬治帶著噴氣袋，他當然可以利用它來追格蕾茜（從他的角度看）。但是，如果他真那么做，那引發(fā)悖論的兩人的對稱關(guān)系就被破壞了，因為喬治現(xiàn)在經(jīng)歷著加速，而不是沒有力作用的自由運動。當他們這樣重逢時，喬治的鐘真的慢了，他可以肯定地說自己在運動，因為他感覺到了。喬治與格蕾茜的觀點不再相同。打開噴氣袋時，喬治就不再說自己是靜止的了。

假如喬治就這樣追趕格蕾茜，他們的相對速度和喬治噴氣的具體方法將決定兩人的時間會有多大差別。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，如果相對速度小，時間差別也會很??；如果速度同光速差不多，則時間差可能會是幾分鐘、幾天、幾年、幾百年，甚至更大?？紤]一個具體的例子：喬治和格蕾茜以99.5%的光速分離，3年以后（據(jù)喬治的鐘），喬治在瞬間點燃他的噴氣袋，以同樣的速度去追格蕾茜。當他追上她時，6年過去了——這是他的鐘所經(jīng)歷的時間，因為他需要3年才趕得上格蕾茜。然而，狹義相對論的數(shù)學證明，格蕾茜的鐘這時已過了60年。這不是什么夢幻：格蕾茜得追尋60年前的記憶，才會想起她經(jīng)過喬治的那一刻。而對喬治來說，那不過是6年前的事情。喬治真的成了時間行者，準確地說，他走進了格蕾茜的未來。

讓兩個鐘回到一起來面對面地比較，這似乎只是一個邏輯小把戲，然而的確觸及了問題的核心。我們想過很多辦法來克服這點疑惑，最終都失敗了。例如，我們不讓鐘回到一起，而讓喬治和格蕾茜通過網(wǎng)絡(luò)電話聯(lián)系來比較他們的時間，事情會如何呢？如果這種聯(lián)系是瞬間的，我們就不得不面對一個難以逾越的障礙：從格蕾茜的角度看，喬治的鐘走得較慢，所以他通報的時間一定會小些；從喬治的角度看，格蕾茜的鐘走得更慢，所以她通報的時間一定會小些。兩個人不可能都是對的，而我們卻糊涂了。問題的關(guān)鍵在于，網(wǎng)絡(luò)電話同所有通訊方式一樣，不是瞬時傳遞信號的。電話經(jīng)過無線電波（光的一種）傳達信號，因此信號也以光速傳播。這意味著接收信號需要一定的時間——實際上，正是這一時間延遲，將彼此的觀點協(xié)調(diào)起來了。

我們先從喬治的角度來看。假定在每小時正點的時候，喬治就在電話里報告，“現(xiàn)在是12點正，一切正?！保艾F(xiàn)在是1點正，一切正?！薄谒磥?，格蕾茜的鐘走得慢，所以他開始以為她的鐘在她收到通話后還沒走到那個鐘點。于是，他認為，格蕾茜會同意她的鐘走得慢。但他馬上又想，“格蕾茜在離我而去，我給她的電話一定要經(jīng)歷更遠的距離才能到達她。也許，這多出的傳話時間正好補上她走慢的鐘?！眴讨蜗氲搅舜嬖谥鴥煞N對立的效應(yīng)——一方面，格蕾茜的鐘走得慢；另一方面，他的信號傳播需多費些時間——于是，他滿懷熱情地坐下來計算這兩個效應(yīng)的綜合結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)，傳播信號需要的時間超過了格蕾茜的鐘慢的那段時間。結(jié)論令他驚訝：格蕾茜要在她的鐘過了那點以后才能收到他報告那點的電話。實際上，喬治知道格蕾茜也精通物理學，知道她在根據(jù)他的電話確定他的時間時，會把信號傳播的時間考慮進來的。經(jīng)過更多的計算，我們會證明，即使考慮了信號傳播的時間，格蕾茜在分析他的信號后，也會得到這樣的結(jié)論：喬治的鐘比她的慢。

從格蕾茜的角度看，讓她向喬治發(fā)正點報時信號，上面的論證也一樣適用。起初，她覺得喬治的鐘走得慢，因而會在他到點以前收到她的正點消息。但她接著考慮了她的信號一定要走得遠一些才能追上正消失在黑暗中的喬治，于是她意識到，他實際上會在發(fā)出自己的正點信號以后才能收到她的消息。她同樣意識到，即使喬治考慮了信號傳播的時間，他也會根據(jù)她的電話得到結(jié)論：她的鐘比他自己的慢。

只要喬治和格蕾茜都沒有加速，他們兩個的觀點就都是站得住腳的。盡管表面看來像一個悖論，但他們卻通過這種方式發(fā)現(xiàn)，在認為對方的鐘走得慢這一點上，他們是完全一致的。

上面的討論說明觀測者會看到運動的鐘比自己的鐘走得慢——就是說，運動影響時間。向前一小步，我們可以看到運動也同樣驚人地影響著空間。我們回頭來看斯里姆兄弟和他們的短距離試車。我們講過，當汽車還停在展廳時，斯里姆就用皮尺認真測量過新車的長度。當汽車在跑道上飛馳時，吉姆不可能再用皮尺去量，只好用一種間接的辦法。我們在前面曾提過一個辦法：在車頭經(jīng)過時，吉姆打開秒表；車尾經(jīng)過時，吉姆按下秒表，然后，用這個時間乘以汽車的速度，就能確定車的長度。

根據(jù)剛發(fā)現(xiàn)的時間特性，我們知道，在斯里姆看來，自己是靜止的，吉姆是運動的。于是，他看到吉姆的鐘走慢了。結(jié)果，斯里姆認為吉姆用間接方法測量的汽車長度比他自己在車庫測量的短。因為，在吉姆的計算里（車長等于速度乘以經(jīng)過時間），他用的是走得慢的表測量的時間。既然表慢了，他看到的時間短了，他計算的結(jié)果一定也短了。

于是，吉姆將感覺斯里姆的汽車在運動中會變得比在靜止時短。這不過是一個例子。一般情況下，觀察者會看到運動的物體在運動方向上縮短了。10例如，狹義相對論的方程證明，如果物體以90%的光速運動，那么靜止的觀察者將發(fā)現(xiàn)它比靜止時短了80%。圖2.4畫出了這個現(xiàn)象。5

圖2.4　運動物體在運動方向上縮短了。

光速不變性引出一種新的空間和時間概念，取代了傳統(tǒng)的固定的剛性結(jié)構(gòu)的空間和時間觀念。在新的概念里，空間和時間的結(jié)構(gòu)密切依賴于觀察者和被觀察者之間的相對運動。我們已經(jīng)認識到運動物體的演化慢了，在運動方向上的長度也縮短了，本可以就這樣結(jié)束這兒的討論。然而，狹義相對論還提供了一個更為深刻的統(tǒng)一的觀點，能囊括所有這些現(xiàn)象。

為了理解這個觀點，我們想象有輛不那么現(xiàn)實的汽車，能很快達到省油速度，160千米/小時，然后保持這個速度，不快也不慢，最后突然剎車停下來。這時候，斯里姆高超的駕駛技藝越來越出名了，于是人們請他在廣袤平坦的大沙漠上的一條筆直的路上試開這輛汽車。從起點到終點，路線長16千米，汽車6分鐘（1/10小時）就能開過去。吉姆這回充當汽車技師，檢查12組試車數(shù)據(jù)。令他困惑的是，盡管多數(shù)記錄的時間都是6分鐘，但最后三次卻長一些：6.5分、7分、7.5分。起初他懷疑是機械故障，因為這幾個時間說明汽車在最后三輪的試驗中速度沒能達到160千米/小時。但是，認真檢查后，他相信汽車沒有一點兒問題。他無法解釋那些反常的時間，就去問斯里姆最后三輪的情況。斯里姆的解釋很簡單。他告訴吉姆，在最后三輪，天近黃昏，車從東頭開向西頭，他的眼睛正對著落山的太陽，于是把車開偏了一點兒。他還畫了一張草圖說明最后三輪的路線（圖2.5）?，F(xiàn)在明白了為什么那三輪的時間會長一些：從起點到終點偏了一個角度，路線更長了，因而相同的速度需經(jīng)歷更長的時間才能開過去。換句話說，當路線偏離一個角度時，160千米/小時的速度有一部分耗在了從南到北的方向上，于是從東到西的速度就慢了一點兒，從而經(jīng)過這段路線的時間會長一點兒。

圖2.5　在黃昏陽光的照射下，斯里姆在最后三輪試車中路線越偏越遠。

像上面講的，斯里姆的解釋很容易理解；不過，我們在這兒重復(fù)它多少是為了下面在概念上的飛躍。南北方向和東西方向是汽車能自由活動的兩個獨立空間維度。（當然，它還可以在豎直方向上運動，例如爬過山坡。不過，在這兒不需要那樣。）斯里姆的解釋說明，即使汽車速度每回都是160千米/小時，在最后三輪里，因為它在兩個方向上運動，因而在東西方向上的速度就顯得比160千米/小時慢了。在前些輪試車時，那160千米/小時的速度完全都跑在東西方向上；而在最后三輪，南北方向上也有了一定的速度。

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，這種運動在兩個方向上分解的思想，正是狹義相對論一切驚人的物理學事實的基礎(chǔ)——不過我們需要明白，不光是空間維分解運動，時間維也能“分享”運動。實際上，在大多數(shù)情況下，物體運動的大部分都是在時間而不是空間度過的。我們來看這是什么意思。

在空間發(fā)生的運動，我們很小的時候就知道了。我們也知道（盡管沒有這樣想過），我們和我們的朋友，以及我們所有的東西，也在時間里運動。當我們抬頭看掛鐘的時候，或者當我們悠閑地坐著看電視的時候，鐘的讀數(shù)在不停地變化，不停地“在時間里向前走”。我們和周圍的一切事物都會變老，不可避免地在時間里從一刻走到下一刻。實際上，數(shù)學家閔可夫斯基（Hermann Minkowski）以及后來愛因斯坦，都倡導(dǎo)把時間看成宇宙的另一維——第四維——就像我們想象自己浸在三維空間一樣。這聽起來很抽象，但時間維的概念卻是具體的。當我們想會見某個人，我們會告訴他“在空間”的哪兒見面——如第7大道53街區(qū)一個角落的大樓的9樓。那地方由三條信息（7大道，53街區(qū)，9樓）確定，是三維空間里的一個特定位置。然而，還有一點也同樣重要，我們應(yīng)確定在什么時候見面——如下午3點。這個信息告訴我們“在時間”的什么地方。于是，事件由4點信息來確定：3個空間的和1個時間的。這些數(shù)據(jù)就確定事件在空間和時間（或者簡單地說，在時空）里的位置。在這個意義上，時間是另一維。

從這個觀點說，空間與時間是全然不同的維度。那么，我們是不是還能像講物體通過空間的速度那樣來講它通過時間的速度呢？當然可以。

能這么做的一大線索來自我們曾經(jīng)遇到過的一個重要現(xiàn)象：當物體相對于我們在空間運動時，它的鐘比我們的走得慢。就是說，它在時間里的運動速度慢了?，F(xiàn)在來看愛因斯坦的思想飛躍，他宣布，宇宙間的一切事物總是以一個固定的速度——光速，在時空里運動。這是很奇怪的想法；我們習慣了物體運動速度遠小于光速的觀念，我們還反復(fù)強調(diào)這一點正是在日常生活中看不到相對論效應(yīng)的原因。這都是對的。我們現(xiàn)在講的是在四維——三維空間和一維時間——里的組合速度，這個推廣的速度正好等于光的速度。為更徹底理解這一點，認識它的重要意義，我們還來看上面講的那輛只有一個速度的汽車。那個速度可以在不同的維度里分解——不同的空間維和一個時間維。假如物體（相對于我們）靜止不動，就是說，它不在空間運動，類似于第一輪試車，所有的運動都發(fā)生在一個維度里——不過，在現(xiàn)在的情形，那一維是時間。而且，相對于我們靜止以及相互相對靜止的所有物體，都在時間里運動——以完全相同的速度或節(jié)律衰老。然而，假如物體在空間運動，那么剛才講的在時間的運動一定會轉(zhuǎn)移一部分到空間來。跟汽車偏離路線一樣，物體運動的轉(zhuǎn)移意味著它在時間里的運動比靜止時慢，因為有的運動現(xiàn)在轉(zhuǎn)移到空間里去了。就是說，當物體在空間運動時，它的鐘會變慢。這正是我們以前發(fā)現(xiàn)的結(jié)果?，F(xiàn)在我們看到，相對我們運動的物體的時間變慢的原因，是它在時間里的部分運動轉(zhuǎn)移為空間運動了。這樣，物體在空間的運動只不過反映了有多少時間里的運動發(fā)生了轉(zhuǎn)移。6

我們還看到，這個理論框架直接包含著一個事實：物體的空間速度有一定的極限。假如物體在時間里的運動完全轉(zhuǎn)移到空間來了，物體在空間的運動就達到那個最大速度。也就是說，以光速在時間里運動的物體，現(xiàn)在以光速在空間運動。因為所有在時間里的運動都被占有了，因此這是物體——任何物體——所能達到的最大速度。這相當于說，我們試驗的汽車直接在南北方向行駛。這時候，汽車在東西方向沒有留下一點兒運動；以光速在空間運動的事物，同樣也沒有留一點兒在時間里的運動。因此，光不會變老；從大爆炸出來的光子在今天仍然是過去的樣子。在光速下，沒有時間的流逝。

盡管愛因斯坦沒有宣揚他的理論是“相對論”（他建議叫它“不變性”理論以反映光速的不變性特征），我們現(xiàn)在還是明白了這個詞的意思。愛因斯坦的研究證明，在過去似乎分離、絕對的空間和時間的概念，實際上是相互交織的，是相對的。他還接著證明，世上的其他物理性質(zhì)也是出人意外地相互關(guān)聯(lián)的。他最有名的方程為我們提供了一個重要范例。在這個方程里，愛因斯坦宣布，物體的能量（E）和質(zhì)量（m）不是兩個獨立的概念；我們可以從質(zhì)量（乘以光速的平方，c2）決定能量，也可以從能量（除以光速的平方）得到質(zhì)量。換句話講，能量與質(zhì)量像美元與法郎一樣，是可以兌換流通的。然而，與鈔票兌換不同的是，這里的兌換率是光速的平方，總是固定不變的。由于這個因子很大，小質(zhì)量能產(chǎn)生大能量。不足8.712克（0.02磅）的鈾轉(zhuǎn)化的能量，曾在廣島帶來毀滅性的破壞；總有一天，我們可以利用取之不竭的海水，通過核聚變獲得我們世界所需要的能量。

根據(jù)這一章強調(diào)的概念，愛因斯坦方程為我們最確切地解釋了一個關(guān)鍵問題：沒有什么東西能比光更快。你可能會奇怪這是為什么。例如，我們把一個μ子用加速器加速到10.73億千米/小時——光速的99.5%，“加把勁兒”，加到99.9%光速，然后，“真正再加把勁兒”，讓它突破光速的壁壘。愛因斯坦的公式說明這樣的努力是永遠不會成功的。物體運動越快，它的能量越大；而根據(jù)愛因斯坦的公式我們看到，物體能量越多，它的質(zhì)量越大。例如，μ子以99.9%的光速運動時，要比它靜止的伙伴重得多——嚴格說，大約重22倍（表1.1所列的是靜態(tài)粒子質(zhì)量）。而物體質(zhì)量越大時，把它加速就越困難。把小孩兒搭上自行車很容易，推動一輛大卡車可就是另一回事兒了。所以，當μ子越來越快時，越不容易提高它的速度。當速度為99.999%光速時，μ子的質(zhì)量增加到它原來的224倍；在99.99999999%光速時，它的質(zhì)量比原來大70000多倍。在速度逼近光速的過程中，質(zhì)量的增加是沒有極限的，因此需要無限的能量才可能使它達到或超過光速壁壘。這當然是不可能的，所以絕對不會有什么東西能比光還跑得快。

在下一章，我們會看到，這個結(jié)論也是物理學過去百年面對的第二個大沖突的根源，并最終使另一個曾令人仰慕和喜愛的理論走向死亡——那就是牛頓的萬有引力理論。

注釋

1.當?shù)厍蚰菢拥拇筚|(zhì)量物體存在時，并不會因為出現(xiàn)強大的引力使問題更復(fù)雜。因為我們關(guān)心的是水平方向而不是豎直方向的運動，所以可以忽略地球的存在。在下一章我們會徹底討論引力作用。

2.準確地說，光在真空中的速度是10.8億千米/小時。光在經(jīng)過空氣、玻璃等物質(zhì)時，速度會減小，就像懸崖上落下的石頭落進水里也會減慢速度。光速的減小并不影響我們的相對論討論，所以我們有理由完全忽略它。

3.我們?yōu)橄矚g數(shù)學的讀者把這些觀測現(xiàn)象表達為定量的形式。例如，設(shè)運動的鐘的速度為v，光子往返經(jīng)過的時間為t秒（根據(jù)我們靜止鐘的觀測），則當光子回到下面的鏡子時，鐘經(jīng)過了vt的距離。現(xiàn)在，我們可以用

4.看了下面這個實驗，你會更加相信我們的結(jié)論。實驗不是在粒子加速器里做的，要簡單得多。1971年10月，哈費爾（J.C.Hafele，當時在圣·路易的華盛頓大學）和吉?。≧ichard Keating，美國海軍天文臺）用銫原子鐘在商務(wù)飛機上飛行了40小時?？紤]了大量與引力效應(yīng)（下一章討論）有關(guān)的特征后，狹義相對論結(jié)果證明運動的原子鐘經(jīng)歷的時間比地球上靜止的同樣的鐘少千億分之幾秒。這就是哈費爾和吉丁的發(fā)現(xiàn)：運動的鐘的時間真的慢了。

5.盡管圖2.4正確說明了物體在運動方向上的收縮，但那圖像并不是我們實際看到的樣子——假如真有物體被推向光速，假如我們的眼睛或者相機能靈敏地捕捉每個瞬間！我們——或者相機——看一樣?xùn)|西，是收到了從那物體表面反射回來的光。但是，反射的光來自物體不同的位置，所以我們在任何時刻看到的光經(jīng)過了不同長短的路線。結(jié)果，我們看到的是一幅帶著相對論視覺錯亂的圖像：物體不但縮短了，還旋轉(zhuǎn)了。