时空密码:揭开相对论奥秘的科学之旅

爱因斯坦自认为50年内都不会被别人发现的新理论简单说来就是解释物质和时空的关系：物质的存在会造成时空的弯曲，弯曲的时空反过来又会影响物质的运动。换句话说，就是物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。所以，地球的存在使空间变弯了，而苹果下落不过是弯曲空间中的自由运动，并不存在什么“万有引力”。

《时空密码》以爱因斯坦建立狭义和广义相对论的思想历程为主线，以物理学家们对时空和宇宙的探索为主线，循序渐进地介绍了相对论的产生、发展、验证与应用，介绍了各种神奇的相对论效应和宇宙学奇观，深入剖析了时空的本性，厘清了一些容易产生误解问题，另外还简单介绍了统一场论。作为一本科普读物，《时空密码》涵盖了光速本质、尺缩钟慢、质能等价、闵氏四维时空、时空旋转、时空图、光锥、引力场、时空度规、时空弯曲、引力透镜、引力波、时间箭头、时空量子化、多维时空等相对论中引人入胜的大部分内容，也涵盖了宇宙的基本图景、宇宙的过去未来、暗能量、黑洞、白洞、虫洞、时空旅行等相关的宇宙学方面的内容，还涉及了原子弹、氢弹、卫星导航、相对论效应的视觉图像模拟等相关技术，同时还把历史趣事穿插其中，以使读者在轻松的气氛中完成对奇妙的相对论世界的探索。

高鹏，山西五寨人，工学博士，毕业于哈尔滨工业大学，现在哈尔滨工业大学（威海）任教。喜好人文历史，热爱自然科学，对相对论和量子力学尤感兴趣，多年来不断学习与思考，偶得一些感悟与体会，想拿出来与读者朋友们一起分享。首部科普作品《从量子到宇宙——颠覆人类认知的科学之旅》被中国图书评论学会评为2017年月度“中国好书”。《时空密码》秉承了《从量子到宇宙》的作品风格，希望本书能带领读者朋友们走进相对论，探索时空的奥秘，领略宇宙的奇妙。

第一部分 狭义相对论 1 时间与空间 最熟悉的陌生人 002 1.1 什么是时间？ 002 1.2 钟表的计时原理 004 1.3 时间的本质 006 1.4 什么是空间？ 007 1.5 时空本性 009 2 牛顿时空观 固定舞台上的世界 012 2.1 牛顿与苹果那些事儿 012 2.2 牛顿与微积分那些事儿 015 2.3 牛顿的绝对时空观 018 3 以太危机与光速之谜 020 3.1 光与以太 020 3.2 寻找以太行动 022 3.3 迈克尔逊—莫雷实验：最成功的失败 024 3.4 洛伦兹的离奇假说：长度收缩 026 3.5 发射假说：光速受光源影响吗？ 027 4 经典时空变换 029 4.1 运动的相对性与惯性系 029 4.2 伽利略相对性原理 031 4.3 伽利略时空变换 032 5 狭义相对论的建立 034 5.1 巨变的前夜 034 5.2 一篇划时代的论文 036 5.3 相对性原理和光速不变原理 038 5.4 洛伦兹变换 040 5.5 狭义相对论的发展 043 附录 一块石头的成长史 044 6 震惊世界的E=mc2 050 6.1 光速极限 050 6.2 时间能否倒流？ 051 6.3 三大守恒定律的秘密 054 6.4 质能等价： E=mc2 057 6.5 光速的本质 058 6.6 核时代的开启 060 6.7 核裂变与原子弹 061 6.8 核聚变与氢弹 065 7 牛顿时空观的颠覆 067 7.1 同时性的相对性 067 7.2 时间延缓效应 069 7.3 时间延缓的实验验证 072 7.4 双生子佯谬解析 073 7.5 运动双方都认为对方钟慢了吗？ 074 7.6 长度收缩及其视觉图像 075 7.7 运动双方都认为对方尺缩了吗？ 079 7.8 空间收缩与时间旅行 079 8 四维时空奇景 082 8.1 欧氏几何简史 082 8.2 四维欧氏空间 084 8.3 广义的勾股定理 087 8.4 坐标系旋转：以不变应万变 089 8.5 时空本性：四维时空 090 8.6 尺缩钟慢与四维时空投影 091 8.7 四维时空的绝对性 093 8.8 闵可夫斯基时空 094 8.9 时空图与世界线 096 8.10 时空图解析双生子佯谬 098 8.11 光锥：光锥之内即命运 100 第二部分 广义相对论 9 广义相对论的建立 106 9.1 爱因斯坦的困惑 106 9.2 广义相对论的构想 107 9.3 回顾：万有引力定律的发现 110 9.4 引力场：质量也能产生场 112 9.5 马赫原理对爱因斯坦的启发 114 9.6 两种质量的神秘联系 116 9.7 等效原理 118 9.8 从物理到几何 121 附录 走向巅峰的坎坷之路 122 10 引力场与时空弯曲 127 10.1 光线受引力作用吗？ 127 10.2 引力场中的时间延缓与空间弯曲 128 10.3 弯曲空间的几何 130 10.4 空间内部看空间：内蕴几何学 134 10.5 时空密码：四维时空度规 135 10.6 解锁时空密码的钥匙：引力场方程 138 10.7 物体在弯曲时空中的运动 140 10.8 坚硬的时空 144 11 广义相对论的实验验证 146 11.1 三大验证之一：光线弯曲 146 11.2 三大验证之二：水星近日点进动 149 11.3 三大验证之三：引力红移 151 11.4 雷达回波延迟 152 11.5 引力时间延缓的应用：GPS时间校正 153 11.6 宇宙之戒：爱因斯坦环 155 11.7 时空的颤抖：引力波 157 12 爱因斯坦的宇宙 163 12.1 爱因斯坦的大胆假设：有限无界的宇宙 163 12.2 爱因斯坦的大胆假设：宇宙学常数 165 12.3 爱因斯坦的“最大错误” 166 12.4 膨胀宇宙模型 168 12.5 宇宙是如何膨胀的？ 170 12.6 宇宙大爆炸 172 12.7 宇宙学常数与暗能量之谜 176 12.8 宇宙的未来 178 13 超时空之旅 179 13.1 史瓦西黑洞的发现 179 13.2 进入黑洞内部 181 13.3 观测黑洞 185 13.4 黑洞不黑 187 13.5 黑洞、白洞与虫洞 188 13.6 克尔黑洞与虫洞 190 13.7 可穿越的虫洞 192 14 时间之箭 195 14.1 有关时间箭头的讨论 195 14.2 三种时间箭头 196 14.3 关于时间旅行的讨论 199 14.4 微观尺度的时间逆流 200 第三部分 统一场论 15 时空与万物至理 204 15.1 卡鲁扎的五维时空 204 15.2 爱因斯坦梦碎统一场 207 15.3 统一场论路在何方？ 209 15.4 圈量子引力与量子化时空 212 15.5 超弦理论和M理论 213 参考文献 217 后记 221

诗曰： 时间空间为何物？物质运动何相关？ 剪不断来理还乱，且看爱氏相对论。 什么是相对论？我想最有资格回答这个问题的人非爱因斯坦莫属。 爱因斯坦在著作中指出：相对论是以对运动、空间和时间的贯彻一致 的物理解释为基础的一种物理理论。提到运动显然离不开物质，所以 物质也应该囊括在其中。这样一来，相对论实际上就是一种解释宇宙 整体规律的理论了，因为宇宙就是时空以及其中所包含的物质及运动。 自古以来，宇宙就是人类永恒的话题。浩渺的宇宙充满了神秘， 也引发了人类无数的幻想。爱因斯坦曾说过：“为什么相对论及其如此 远离日常生活的概念和问题会在公众中引起持久而强烈的反响，有时 甚至达到了狂热的程度，这一点我从来没有想清楚……”其实，我觉 得可以从他所说的另一段话中来寻找答案：“我们所能拥有的最美妙的 情感体验就是神秘……谁要是对神秘失去了兴趣，不再好奇、不再惊 讶，那他就失去了活力。”任何一个有活力的人都对探索未知充满了兴 趣。相对论是解开宇宙之谜的钥匙，所以，尽管它与日常生活无关， 还是引起了无数人的狂热，因为它把人们带进了最美妙的神秘体验中。 按爱因斯坦自己的说法，相对论分为三层境界：第一层是狭义相 对论，第二层是广义相对论，第三层是统一场论。遗憾的是，第三层 境界爱因斯坦穷其毕生精力也没能完成，所以，目前人们只把相对论 的发展分为两个层次：狭义相对论和广义相对论。广义相对论是狭义 相对论的延续，狭义相对论则是广义相对论的一种极限情况。我们都 知道狭义相对论很精彩，但是，广义相对论更精彩！狭义相对论建立 了四维时空的概念，广义相对论则找到了解锁时空密码的钥匙！ 本书以爱因斯坦建立狭义和广义相对论的思想历程，以及物理学 家们对时空和宇宙的探索为主线，循序渐进地介绍了相对论的产生、 发展、验证与应用，介绍了各种神奇的相对论效应和宇宙学奇观，深 入剖析了时空的本性，厘清了一些容易产生误解的问题，另外还简单 介绍了统一场论。作为一本科普读物，本书涵盖了光速本质、尺缩钟慢、 质能等价、闵氏四维时空、时空旋转、时空图、光锥、引力场、时空 度规、时空弯曲、引力透镜、引力波、时间箭头、时空量子化、多维 时空等相对论中引人入胜的大部分内容，也涵盖了宇宙的基本图景、 宇宙的过去和未来、暗能量、黑洞、白洞、虫洞、时空旅行等相关的 宇宙学方面的内容，还涉及了原子弹、氢弹、卫星导航、相对论效应 的视觉图像模拟等相关技术，同时还把历史趣事穿插其中，以使读者 在轻松的气氛中完成对奇妙的相对论世界的探索。 相对论与量子力学并称为现代物理的双璧，想写好它绝非易事。 我最早接触相对论时就曾陷入过这样的困境：为什么光速是速度的 极限？尺缩钟慢的本质原因是什么？如何理解运动双方都觉得对方 的尺子缩短了？为什么时间和空间可以组合在一起，其科学道理何 在？等等。如果这些问题不说清楚，就会使读者觉得相对论很难理 解。这种情况我在本书中是极力避免的，我力求达到让读者知其然 而更知其所以然的目的，相信读者朋友们读完本书后，相对论的神秘 面纱会被撕下，如果你能有豁然开朗的感觉，对我来说就是最大的 成功。 本书中出现了少量的公式，这些公式都是相对论中最精华的公式 以及理解相对论所必需的，而且只要具备初等数学知识就能看懂，并 不会给读者带来额外的负担。另外，在本书中，如无特别说明，“光速” 均指真空光速。提醒读者注意的是：当光射入介质中（如空气、水等）时， 会与介质中的微观粒子发生相互作用，从而导致光在介质中的表观传 播速度减小。空气中的光速比真空光速小万分之几，可近似认为二者 相等。 在本书的写作过程中参考了大量相关文献，将主要参考文献列于 书后，这些文献使我受益匪浅，在此向其作者表示衷心的感谢。另外， 由于本人能力所限，疏漏和不足之处在所难免，敬请读者朋友们批评 指正。 高鹏 2019年1月于山东威海