第一章 一個簡單的信念
相對論對絕大多數的人來說，是個神祕的理論。你肯定已經聽說過一些有關相對論有趣和怪異的結論，比如一個物體在高速運動的時候，它的長度會變短，它的時間會變慢。
我們假設有一個距離地球四十光年遠的星球，光需要走四十年才能到達那裡。那麼，如果你以八○％的光速前往那個星球，你得飛行五十年才能到達目的地，對吧？留在地球的我們看來的確是這樣。如果你出發的時候是二十歲，到達的時候應該是七十歲嗎？
不是。根據相對論效應，高速運動物體的時間會變慢。尋常的五十年對你來說只有三十年，你到達的時候，只有五十歲。而你要是能以九九．五％的光速飛行，你的時間將會比地球上的我們慢十倍！
這也就是說，相對論效應可以讓人穿越到未來。這不是科幻，這還僅僅是開胃菜。相對論，本質上是關於時空的理論——時空和我們平常想像的完全不同。正是因為有了相對論，我們才知道有黑洞這種東西，我們才知道空間居然會膨脹，我們才知道宇宙有個起源。
相對論也是一個出了名的難懂理論。據說愛因斯坦剛剛發表狹義相對論的時候，只有少數物理學家能理解。等到相對論已經被物理學家廣泛接受、愛因斯坦博得響亮名聲時，大眾仍理解不了。
我記得歐洲當時還出了一本叫《一百個反對愛因斯坦的作家》（One Hundred Against Einstein）的書——然而愛因斯坦對此的回應是：「如果相對論真的錯了，有一個人反對就夠了。」
相對論真的這麼難嗎？要知道愛因斯坦發表狹義相對論是在一九○五年，距今已經一百多年了，我們實在沒有理由不能理解一個清朝末年就被提出來的理論！
所以，我想在這本書中為你徹底講白相對論。相對論的數學很簡單，但我們的重點是要說它的思想。
相對論會對你的世界觀產生重大影響。作為一個現代人，如果不理解愛因斯坦的相對論，就錯過了這個世界最精彩的東西。一旦理解相對論，你就不再是以前的你，你就再也回不去了。不過只知道一些奇妙的結論，可不算理解。
我有一個好消息：相對論是簡單的，這是一個乾淨俐落的漂亮理論。
但簡單不等於容易，簡單的東西可以非常深刻。
一個信念
我們先來開啟一個想像實驗：假設你在一艘豪華遊輪上旅行，這艘遊輪在海上行駛的速度很快，但是它非常平穩，沒有任何顛簸。遊輪上有個完全封閉的大廳，裡面有游泳池，有球場，你甚至還可以在裡面做物理實驗。
請問，在完全不和外界聯繫的情況下，你能判斷出這艘遊輪是在前進還是靜止不動嗎？
你可以在遊輪上做各種實驗來進行判斷。假設你拋球，站在陸地上把球拋到空中，在靜止的情況下，球會落回你的手中，可是在封閉的遊輪上拋球，也會是這樣的結果。又好比你向遊輪前進的方向射門，同在遊輪上的守門員只會感覺到平常你射門的速度，不需要考慮遊輪前進的速度。
只要遊輪的速度平穩、不發生變化，你就無法判斷它是運動的，還是靜止的。其實，我們生活的地球就相當於這一艘遊輪，地球繞太陽公轉的速度約為每秒二十九．八公里，比飛機快得多，但因為地球走的幾乎是一條直線，我們完全感覺不到它正在高速前進。
這一個道理，最早是「現代物理學之父」伽利略（Galileo Galilei）想明白的。你在速度是每小時五十公里的遊輪上建立一個座標系來研究物理學，而我在地面建立一個座標系時，我們其實是對等的。你相對於遊輪是靜止的，相對於我是運動的。你向前射出一支箭，假設箭相對於你的速度是每小時三百六十公里，那相對於我就是每小時四百一十公里（360km/h＋50km/h＝410km/h）。
不跳出自己的座標系向外看，你單憑做一個射箭、拋球之類的實驗，無法區分運動和靜止。等速直線運動和靜止沒有本質上的差別，所謂的「速度」，都是相對的。
這其實就是相對論，叫「伽利略的相對論」。
當我們講到廣義相對論的時候，你還會知道，其實不一定是等速直線運動，加速度運動和靜止也沒有本質上的差別……
總而言之，物理學家看破了「運動」。在物理學家的眼中，運動和靜止其實是同一回事。
看破世間繁華
我學物理的一個感受是──以物理學觀察世界，有點像傳說中的得道高人。普通人說這個好，說那個不好，高人會說它們其實是同一回事。愛拚搏就好嗎？淡泊名利就壞嗎？你看破了，就會認為這兩者沒有絕對的好與壞，必須看相對於什麼而言。物理學，有點看破紅塵的意思。
以前人們眼中非常不一樣的兩個東西，物理學家發現它們其實是同一回事，這是物理學統一世界的主要精神。
古人認為大地靜止不動，日月星辰都繞著地球做完美的圓周運動，天和地截然不同。可是後來天文學家透過精細的觀測發現──不對，天體運行的軌跡並沒有那麼完美，它很複雜。
哥白尼（Nicolaus Copernicus）就提出，如果把太陽當作是靜止不動的，並且想像地球和其他行星都繞著太陽做圓周運動的話，就能夠解釋以前解釋不了的一些軌道。地球，不是宇宙的中心。這就是「日心說」。
日心說就有點看破紅塵的意味。哥白尼等於是說地球和天上的那些天體沒有本質上的差別，天和地是同一回事。
天主教會無法接受這個學說，而物理學的思想解放才剛剛開始。那時人們認為行星都是做圓周運動，而且是有一些小精靈在推著行星運動……之後，天文學家克卜勒（Johannes Kepler）提出行星繞著太陽轉的軌道並不是完美的圓形，而是橢圓。克卜勒甚至已經提出行星不需要精靈推著走，只要太陽給行星一個吸引力就行。克卜勒，把行星給看破了。
等到牛頓（Isaac Newton）一出手，就把引力也看破了。牛頓指出不但太陽和地球之間有引力，地球上所有具有重量的物體之間也都有引力。引力普遍存在，天上和地上真的是同一回事。
這幾次「看破」之後，再結合數學方程式和天文觀測，物理學就成了一個非常成功的理論。
我們看看「牛頓三大運動定律」中的前兩個——
第一定律，是在沒有外力作用的情況下，任何一個物體將會保持等速直線運動或者靜止。等速直線運動和靜止一樣，無須外力，無須解釋。
第二定律，是「力」會改變物體的運動方式。注意，這裡有個關鍵點，力不是運動的原因；沒有力，物體本來也在進行等速直線運動。力，是改變運動的原因。如果是一個理想的光滑平面，一個滾動的乒乓球會在上面一直前進，而在生活中，乒乓球之所以會停下來，是因為平面提供它摩擦力。一直動不停，無須解釋；動著動著卻停下了，才需要有個原因。
這兩個定律都離不開伽利略的相對論。力只能帶來加速度，單純的速度與力無關。等速直線運動和靜止都沒有力的作用，所以物理定律在遊輪和在地面是一樣的。
其實你不做實驗也能想明白，單純談速度真沒有什麼意義。宇宙中你來我往，可能距離地球很遙遠的一個星球，和我們之間就有個特別高的相對速度，但那個天體上的物理定律和我們這裡也沒有什麼不一樣。或許在那裡的外星人看來，他們是靜止的，我們才是在進行高速運動。
所以相對論是物理學家的一個信念。這個信念也可以叫「不特殊論」：不管你的速度有多快，你的座標系都不特殊。
這個信念實在太簡單，也太完美了。完美到即使海枯石爛、扭轉時空，物理學家也不應該放棄它……
「相對論與哲學家們」
愛因斯坦的相對論其實是伽利略相對論的延伸。伽利略的相對論是──如果你不看向自己以外的座標系，你做任何拋球之類的力學實驗都無法判斷自己是運動還是靜止。而愛因斯坦的相對論則不必限制於力學──你不管做什麼實驗，都無法判斷自己是運動還是靜止的。
這樣看來，相對論不是很容易嗎？這簡直就是一個簡單的哲學道理。
還真是這樣。哲學家很喜歡談論相對論。但是物理學家對哲學家有時是嘲諷的態度。有一套特別厲害的物理學教材叫《費曼物理學講義》（The Feynman Lectures on Physics），是大概有史以來最有趣的物理學家，理查．費曼（Richard Feynman）在加州理工學院給大學生講課的記錄。費曼在這本講義裡專門寫了一個小節——「相對論與哲學家們」。
費曼說，有些哲學家把相對論想得特別容易。哲學家聽說了相對論的這個信念，認為這對我們哲學家來說，不是明擺著的原理嗎？不跳出自己的座標系，當然不會知道自己是運動還是靜止！物理學家折騰了半天，得出的還不是我們哲學家早就想明白的道理？
是嗎？相對論如此平凡嗎？哲學家坐在家裡喝著茶就能想出來嗎？不是。牛頓以後的物理學之所以不叫哲學了，就是因為物理學並非坐在家裡就能想出來的學問，物理學家靠的是數學、實驗和觀測。
接下來我們要介紹的事實，足以讓費曼嘲笑那些哲學家。因為它足以讓所有人——包括你、哲學家和物理學家——目瞪口呆。
這件事就是──光速在所有座標系下都是一樣的。
再回到遊輪的例子。假設站在遊輪上的你，並不是向遊輪前方射出一支箭，而是用手電筒打出一束光。相對於你來說，光速是每秒近三十萬公里。
既然你和站在地面上的我的相對速度是每小時三百六十公里，也就是每秒○．一公里，根據伽利略的演算法，在我眼中，這束光的速度就應該是每秒三十萬．一公里，對吧？
物理學家發現，不是這樣的。不管你我的相對速度是多少，我測量這束光和你測量這束光的速度都是每秒三十萬公里！
這怎麼可能呢？我們這個世界怎麼會是這樣的呢？
這件事，哲學家坐在家裡喝多少茶都發現不了。你之所以覺得它怪異，只不過是因為你生活的範圍實在太小了，你的見識太有限了。
有些信念可以堅持，但是別忘了，有些常識是錯的。
相對論對絕大多數的人來說，是個神祕的理論。你肯定已經聽說過一些有關相對論有趣和怪異的結論，比如一個物體在高速運動的時候，它的長度會變短，它的時間會變慢。
我們假設有一個距離地球四十光年遠的星球，光需要走四十年才能到達那裡。那麼，如果你以八○％的光速前往那個星球，你得飛行五十年才能到達目的地，對吧？留在地球的我們看來的確是這樣。如果你出發的時候是二十歲，到達的時候應該是七十歲嗎？
不是。根據相對論效應，高速運動物體的時間會變慢。尋常的五十年對你來說只有三十年，你到達的時候，只有五十歲。而你要是能以九九．五％的光速飛行，你的時間將會比地球上的我們慢十倍！
這也就是說，相對論效應可以讓人穿越到未來。這不是科幻，這還僅僅是開胃菜。相對論，本質上是關於時空的理論——時空和我們平常想像的完全不同。正是因為有了相對論，我們才知道有黑洞這種東西，我們才知道空間居然會膨脹，我們才知道宇宙有個起源。
相對論也是一個出了名的難懂理論。據說愛因斯坦剛剛發表狹義相對論的時候，只有少數物理學家能理解。等到相對論已經被物理學家廣泛接受、愛因斯坦博得響亮名聲時，大眾仍理解不了。
我記得歐洲當時還出了一本叫《一百個反對愛因斯坦的作家》（One Hundred Against Einstein）的書——然而愛因斯坦對此的回應是：「如果相對論真的錯了，有一個人反對就夠了。」
相對論真的這麼難嗎？要知道愛因斯坦發表狹義相對論是在一九○五年，距今已經一百多年了，我們實在沒有理由不能理解一個清朝末年就被提出來的理論！
所以，我想在這本書中為你徹底講白相對論。相對論的數學很簡單，但我們的重點是要說它的思想。
相對論會對你的世界觀產生重大影響。作為一個現代人，如果不理解愛因斯坦的相對論，就錯過了這個世界最精彩的東西。一旦理解相對論，你就不再是以前的你，你就再也回不去了。不過只知道一些奇妙的結論，可不算理解。
我有一個好消息：相對論是簡單的，這是一個乾淨俐落的漂亮理論。
但簡單不等於容易，簡單的東西可以非常深刻。
一個信念
我們先來開啟一個想像實驗：假設你在一艘豪華遊輪上旅行，這艘遊輪在海上行駛的速度很快，但是它非常平穩，沒有任何顛簸。遊輪上有個完全封閉的大廳，裡面有游泳池，有球場，你甚至還可以在裡面做物理實驗。
請問，在完全不和外界聯繫的情況下，你能判斷出這艘遊輪是在前進還是靜止不動嗎？
你可以在遊輪上做各種實驗來進行判斷。假設你拋球，站在陸地上把球拋到空中，在靜止的情況下，球會落回你的手中，可是在封閉的遊輪上拋球，也會是這樣的結果。又好比你向遊輪前進的方向射門，同在遊輪上的守門員只會感覺到平常你射門的速度，不需要考慮遊輪前進的速度。
只要遊輪的速度平穩、不發生變化，你就無法判斷它是運動的，還是靜止的。其實，我們生活的地球就相當於這一艘遊輪，地球繞太陽公轉的速度約為每秒二十九．八公里，比飛機快得多，但因為地球走的幾乎是一條直線，我們完全感覺不到它正在高速前進。
這一個道理，最早是「現代物理學之父」伽利略（Galileo Galilei）想明白的。你在速度是每小時五十公里的遊輪上建立一個座標系來研究物理學，而我在地面建立一個座標系時，我們其實是對等的。你相對於遊輪是靜止的，相對於我是運動的。你向前射出一支箭，假設箭相對於你的速度是每小時三百六十公里，那相對於我就是每小時四百一十公里（360km/h＋50km/h＝410km/h）。
不跳出自己的座標系向外看，你單憑做一個射箭、拋球之類的實驗，無法區分運動和靜止。等速直線運動和靜止沒有本質上的差別，所謂的「速度」，都是相對的。
這其實就是相對論，叫「伽利略的相對論」。
當我們講到廣義相對論的時候，你還會知道，其實不一定是等速直線運動，加速度運動和靜止也沒有本質上的差別……
總而言之，物理學家看破了「運動」。在物理學家的眼中，運動和靜止其實是同一回事。
看破世間繁華
我學物理的一個感受是──以物理學觀察世界，有點像傳說中的得道高人。普通人說這個好，說那個不好，高人會說它們其實是同一回事。愛拚搏就好嗎？淡泊名利就壞嗎？你看破了，就會認為這兩者沒有絕對的好與壞，必須看相對於什麼而言。物理學，有點看破紅塵的意思。
以前人們眼中非常不一樣的兩個東西，物理學家發現它們其實是同一回事，這是物理學統一世界的主要精神。
古人認為大地靜止不動，日月星辰都繞著地球做完美的圓周運動，天和地截然不同。可是後來天文學家透過精細的觀測發現──不對，天體運行的軌跡並沒有那麼完美，它很複雜。
哥白尼（Nicolaus Copernicus）就提出，如果把太陽當作是靜止不動的，並且想像地球和其他行星都繞著太陽做圓周運動的話，就能夠解釋以前解釋不了的一些軌道。地球，不是宇宙的中心。這就是「日心說」。
日心說就有點看破紅塵的意味。哥白尼等於是說地球和天上的那些天體沒有本質上的差別，天和地是同一回事。
天主教會無法接受這個學說，而物理學的思想解放才剛剛開始。那時人們認為行星都是做圓周運動，而且是有一些小精靈在推著行星運動……之後，天文學家克卜勒（Johannes Kepler）提出行星繞著太陽轉的軌道並不是完美的圓形，而是橢圓。克卜勒甚至已經提出行星不需要精靈推著走，只要太陽給行星一個吸引力就行。克卜勒，把行星給看破了。
等到牛頓（Isaac Newton）一出手，就把引力也看破了。牛頓指出不但太陽和地球之間有引力，地球上所有具有重量的物體之間也都有引力。引力普遍存在，天上和地上真的是同一回事。
這幾次「看破」之後，再結合數學方程式和天文觀測，物理學就成了一個非常成功的理論。
我們看看「牛頓三大運動定律」中的前兩個——
第一定律，是在沒有外力作用的情況下，任何一個物體將會保持等速直線運動或者靜止。等速直線運動和靜止一樣，無須外力，無須解釋。
第二定律，是「力」會改變物體的運動方式。注意，這裡有個關鍵點，力不是運動的原因；沒有力，物體本來也在進行等速直線運動。力，是改變運動的原因。如果是一個理想的光滑平面，一個滾動的乒乓球會在上面一直前進，而在生活中，乒乓球之所以會停下來，是因為平面提供它摩擦力。一直動不停，無須解釋；動著動著卻停下了，才需要有個原因。
這兩個定律都離不開伽利略的相對論。力只能帶來加速度，單純的速度與力無關。等速直線運動和靜止都沒有力的作用，所以物理定律在遊輪和在地面是一樣的。
其實你不做實驗也能想明白，單純談速度真沒有什麼意義。宇宙中你來我往，可能距離地球很遙遠的一個星球，和我們之間就有個特別高的相對速度，但那個天體上的物理定律和我們這裡也沒有什麼不一樣。或許在那裡的外星人看來，他們是靜止的，我們才是在進行高速運動。
所以相對論是物理學家的一個信念。這個信念也可以叫「不特殊論」：不管你的速度有多快，你的座標系都不特殊。
這個信念實在太簡單，也太完美了。完美到即使海枯石爛、扭轉時空，物理學家也不應該放棄它……
「相對論與哲學家們」
愛因斯坦的相對論其實是伽利略相對論的延伸。伽利略的相對論是──如果你不看向自己以外的座標系，你做任何拋球之類的力學實驗都無法判斷自己是運動還是靜止。而愛因斯坦的相對論則不必限制於力學──你不管做什麼實驗，都無法判斷自己是運動還是靜止的。
這樣看來，相對論不是很容易嗎？這簡直就是一個簡單的哲學道理。
還真是這樣。哲學家很喜歡談論相對論。但是物理學家對哲學家有時是嘲諷的態度。有一套特別厲害的物理學教材叫《費曼物理學講義》（The Feynman Lectures on Physics），是大概有史以來最有趣的物理學家，理查．費曼（Richard Feynman）在加州理工學院給大學生講課的記錄。費曼在這本講義裡專門寫了一個小節——「相對論與哲學家們」。
費曼說，有些哲學家把相對論想得特別容易。哲學家聽說了相對論的這個信念，認為這對我們哲學家來說，不是明擺著的原理嗎？不跳出自己的座標系，當然不會知道自己是運動還是靜止！物理學家折騰了半天，得出的還不是我們哲學家早就想明白的道理？
是嗎？相對論如此平凡嗎？哲學家坐在家裡喝著茶就能想出來嗎？不是。牛頓以後的物理學之所以不叫哲學了，就是因為物理學並非坐在家裡就能想出來的學問，物理學家靠的是數學、實驗和觀測。
接下來我們要介紹的事實，足以讓費曼嘲笑那些哲學家。因為它足以讓所有人——包括你、哲學家和物理學家——目瞪口呆。
這件事就是──光速在所有座標系下都是一樣的。
再回到遊輪的例子。假設站在遊輪上的你，並不是向遊輪前方射出一支箭，而是用手電筒打出一束光。相對於你來說，光速是每秒近三十萬公里。
既然你和站在地面上的我的相對速度是每小時三百六十公里，也就是每秒○．一公里，根據伽利略的演算法，在我眼中，這束光的速度就應該是每秒三十萬．一公里，對吧？
物理學家發現，不是這樣的。不管你我的相對速度是多少，我測量這束光和你測量這束光的速度都是每秒三十萬公里！
這怎麼可能呢？我們這個世界怎麼會是這樣的呢？
這件事，哲學家坐在家裡喝多少茶都發現不了。你之所以覺得它怪異，只不過是因為你生活的範圍實在太小了，你的見識太有限了。
有些信念可以堅持，但是別忘了，有些常識是錯的。
