爱因斯坦的宇宙②

艰涩的相对论

记者：你是不是世界上仅有的能够理解爱因斯坦相对论的三个人之一？

阿瑟·爱丁顿：我正在想谁是第三个人呢。

又少了几个人

1919年，爱因斯坦因为自己的理论一般人看不懂而意外获得了许多关注。《纽约时报》派出高尔夫运动记者亨利·克劳奇对爱因斯坦做了专访。事实也正如预测的一样，克劳奇几乎把一切都弄错了。克劳奇在稿件中断言：全世界只有12个人能够看懂的这本书，是找不到出版社的，也不存在那么狭小的学术界。

这种盲目的观点深入人心。不过，之后在人们的想象中能搞懂相对论的人又少了几个。其实相对论的复杂之处并不在于它涉及许多数学方程和计算，虽然这其中有一些计算连爱因斯坦都需要别人帮助才能完成，而在于相对论并不是凭直觉就能搞懂的，它缺乏现实生活中可以类比的素材。

相对论ABC

相对论认为空间和时间不是绝对的，于观察者和被观察者来说都是这样。对于观察者来说，被观察者的速度越快，观察者看到的模样就越模糊。

罗素是一位著名的数学家和科学家，他的《相对论ABC》一经出版便得到了广大读者的青睐。其中有一个非常形象的类比：一辆90米长的火车正在以光速60%的速度前进，站在站台上的人们看到的火车就只有70多米长，而列车上人的活动看起来都会变慢，就连车上的时钟也是。而车上的人看车外的人也会有这样的感觉，他们各自在看自己时并不觉得自己身边发生了对方看到的变化，这一切都与相对移动的位置有关。

探秘四维空间

在相对论中，时间和空间一起组成了四维空间，构成了宇宙的基本结构。时间和空间都是相对的，这否定了绝对时间的存在。观察者以不同的相对速度或者在不同的空间结构中所观测到的时间的流逝速度是不同的。

时空坐标系

如果2016年10月1日14:00一个人走进书店开始看书，两小时后离开了书店。那么这个时间在四维时空坐标系中会呈现出一段线段，如果将这个人在书店中位置的变化考虑在内的话，将表现为一段弯折的曲线。

相对的时间

举足“轻”“重”的相对论

相对论无处不在，只是绝大多时候它对我们的影响微乎其微。平时我们在屋子里两个不同地方的移动也会使我们经历的时间和空间发生变化。根据计算，一个以每小时160千米的速度投掷出去的棒球在抵达本垒时会增加万亿分之二克的质量。在人类能达到的速度里而发生变化的质量都小得令人难以察觉，但对于光、引力以及宇宙来说就具有非比寻常的重要影响了。

时空

这几乎是相对论中最难为人接受、最难用直觉去体会的了。爱因斯坦认为时间是空间的组成部分，时间是不断变化的、可以更改的，甚至还有形状。斯蒂芬·霍金认为一份时间和三份空间结合在一起构成了时空。

时空的作用方式可以想象成一个平坦而又柔软的橡皮或海绵垫子，在上面放置一个浑圆的重球。球的重量使得垫子发生了凹陷。而在之后的时间里，如果有小的球经过这里时就会顺着下陷的部分滚到低处。这是从另一个角度给出引力的解释——引力是时空弯曲的产物。于是丹尼斯·奥弗比曾经得出结论：宇宙是一个“最终的下陷底垫”。

宇宙总是膨胀或是收缩的

爱因斯坦认为宇宙总是膨胀或是收缩的，但他并不是宇宙学家，因此还是下意识地在自己的公式中加入了所谓的宇宙常数。科学史原谅了爱因斯坦的这一失误，但他却坚持认为这是他“一生中所犯的最大的错误”，事实上，这在科学上是一件非常可怕的事情。

光速恒定带来的奇特现象

1887年，迈克尔逊和莫雷通过实验得出光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的。我们接下来要讨论的问题就是在光速恒定的情况下出现的匪夷所思的事情。

运动的钟表

外部的观察者观察到的光线的运动路径超过内部观测时光线所运动的距离，但因为光速恒定，所以外部的观察者的时钟会比内部的时钟多走一些。

物体长度在运动方向上变短了

物体的运动速度越快，它本身的时间流逝就更慢。我们假设有一个高速运动的箱子穿过一定长度的隧道。外部的人测出的穿越速度可能需要10秒钟，而箱子内部测出的时间却可能只需要5秒钟。对于箱内的测量者来说，隧道的长度也因此会变得比静止时测量的短。而外部的人则同样发现箱子的长度变短了。