文/廁所所長

本書書影

可能前幾天洗澡的時候腦袋被門夾了，一吹完頭發，就迫不及待地抄起了十五年前買的《狹義與廣義相對論淺說》，作者正是被譽為地表最強公務員，業餘小提琴演奏者，猶太社會活動家的兼職物理學達人，埃爾伯特·愛因斯坦。書的英文全名叫 Relativity the Special and the General Theory (A Popular Exposition)，譯者是天津師範大學的楊潤殷老師。這個書名看起來有點意思，尤其是popular這個詞，深得專利局辦事員三昧，我覺得翻譯成“淺說”當然挺好，但是好像就少了點愛因斯坦式的幽默。說到這裡，估計又會有噴子聞風而至——你說楊老師翻譯的不好，you can you up！那我隻能告訴他，讓您失望了，我不行，我不上，我就是一隻曳尾泥塗的綠毛龜，看人挑擔不吃力站着說話不腰疼。反正，一個當年拿綠色奧迪當過婚車的中年油膩男人是不可能被激将的。

愛因斯坦像（來源：網絡）

盡管愛因斯坦在序言中寫道：“本書假定讀者已具備大學入學考試的知識水平……力求以最簡單明了的方式來介紹相對論的主要概念……”，我依然認為我會完全看不懂這本書，畢竟，多年的數學學習經驗告訴我，這些大咖的“顯然”、“易證”、“同理可得”、“不難看出”永遠是我們這種普通讀者的噩夢。但是随着閱讀的進程，我陡然間發現，愛因斯坦所描述的，不是一般書本中字斟句酌的定理和公理，而是自己發現這些規律的過程。他把自己的相對論變成了一個故事，這個故事，可以上溯古希臘的黃金時代，而且似乎至今仍未結束。

故事是從幾何學開始的，愛因斯坦首先叙述了歐幾裡得幾何學的基本概念——點，線，面的性質，并不失禮貌的質疑了它們的真實性。正如他所說，我們不能過問“過兩點隻有一條直線”這個命題是否真實，因為歐幾裡得幾何研究的僅僅是他稱之為“直線”的東西，而這樣的東西在現實中并不存在。随後，他稍微回顧了伽利略坐标系（使牛頓的慣性定律始終成立的坐标系）中的經典力學，就直接進入了狹義相對論原理。他通過一個極其簡單的例子，就講清楚了狹義相對論的基點，即由于所有的物理量必須由測量來決定，而測量的精确性都依賴于光速。

圖/廁所所長 狹義相對性原理示意圖

這個例子是這樣的，假設有一列火車在鐵路上行駛，火車上的M’點對應于鐵路上的M點（見上圖），現在，有一道雷電同時擊中了鐵路上的A,B兩點。那麼，什麼叫“同時”呢？實際上，我們隻能說，我們同時看到了雷電擊中了A,B兩點，而所謂“同時看到”，又依賴于射入觀察者眼睛的光線。于是，稍有幾何知識的人就會發現，上面那個“雷電同時擊中A,B兩點”的論斷，隻有在觀察者位于AB垂直平分線上時才成立，因為此時，觀察者到A,B兩點的距離相等，所以A,B兩點發出的光線，會同時到達他的眼睛。我們不妨假設觀察者在A,B中間的M點，然後，我們考慮一列在鐵路上以速度v行駛的火車，在雷電擊中鐵軌時，火車上與M對應的M’點也有一個觀察者，這時，我們發現，位于火車上的觀察者由于火車的運動，将先看到B點射來的光線，再看到A點射來的光線，因此對于M’的觀察者，“雷電擊中鐵軌上A,B兩點”這個事件就是不同時的。

這就是同時性的相對性，愛因斯坦由此斷言，時間和距離不是絕對的，由于測量的關系（不幸的是，這可能是我們認識世界的唯一方法），它們可能會發生變化。于是，結合光速不變原理和一系列不太複雜的數學推導（可以參看書的附錄），他斷言，如果一個坐标系相對于另一個作勻速直線運動，這兩個坐标系中的長度和時間都會有所不同，其變化規律正好符合大名鼎鼎的洛倫茲變換。

愛因斯坦在思考（來源：網絡）

這看似是一個極為違背常識的論斷，但是，它卻深深植根于愛因斯坦對宇宙根本規律的想法，他認為，宇宙中并沒有“特别優越”的坐标系來參照物理規律，相反的，一切參照系都應該是相對的，因此，在所有坐标系中，物理規律都應該具有某種相同的形式。

借着這個想法，他把相對論往更廣義的道路延伸，這迫使他考慮引力場的問題。他發現，如果從一個坐标系觀察另一個相對于它作均加速運動的坐标系，光是沿着曲線傳播的，這也就是我們常說的，光線在引力場中彎曲的現象。

由此，直接導出的結論是，光速不變并不具有無限的有效性，它在某些情況下，是不對的。那麼，是廣義相對論推翻了狹義相對論嗎？愛因斯坦告訴我們，不是的。狹義相對論實際上是廣義相對論的一個特例，在沒有引力場影響的情況下，光速确實是不變的。也就是說，作為廣義相對論的特例，狹義相對論仍然正确。

這時，愛因斯坦說道，任何物理理論都不會獲得比這更好的命運了，一個理論本身為創立一個更全面的理論指出了道路，而在這個更全面的理論中，原來的理論，作為它的一個極限情況繼續存在下去。

那麼，既然狹義相對論中使用的傳統坐标系是一個特例，那有沒有更一般的坐标系呢？愛因斯坦告訴我們是有的，這個坐标系稱為高斯坐标系，它更一般的在非歐幾裡得連續的時空中，界定了物理規律之間的關系。這終于促成了廣義相對論的一個較為嚴格的表述：“所有的高斯坐标系對于表述普遍的自然界定律在本質上是等效的。”

愛因斯坦和家人在一起（來源：網絡）

于是，我們終于發現，使用了多年的牛頓經典力學中，引力定律的假設是一個過強的假設，它的命運已經走到了盡頭，它不是相對論的一個特例，隻是洛倫茲變換的幂級數展開中一個二階近似項，在物體低速運動時往往擁有一個可以接受的誤差。實際上，在我們所處的世界中，合理的定義時間是不可能的。我們的時鐘和标尺，都由于引力場的關系，在時空裡或多或少的扭曲，因此無法通過測量，描述事件的真相。雖然高斯坐标系能幫助我們等效的表出自然規律，但一個令人沮喪（或歡呼雀躍？）的事實是，在廣義相對論中，不再有脫離物質獨立存在的絕對時間和空間。我們經驗上所熟悉的時間和空間，都會因物質而改變，沒有物質也就沒有時空。換句話說，是物質創造了時間和空間。

反觀自身，我們這些常被譽為上帝造物的人類，其實隻是不停地在我們的存在之中，無意識的經驗着自己不能理解的經驗。正如愛因斯坦在本書中常用的例子一樣，我們就像一個個趴在三維中的“軟體動物”，在不同參照系的夾縫中，徒勞的找尋真實的自我。

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