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爱因斯坦告诉我们,这一始于孩提时代的对时间的理解是错误的。
时间并不是对所有人都以相同速度流逝,它不是一个普遍概念。
时间是“私人物品”
,它与我们相对运动的方式有关。
相似地,空间也不像我们理解的那样是固定的舞台背景。
我们脑子里的距离和物体的长度实际上都取决于我们如何运动。
这些想法非常惊人。
起初,它们令人十分不安,因为我们理解世界的支柱好像突然间倒塌了。
不过,我们不必去修复这些支柱,在爱因斯坦的理论中,有一个关于时间和空间的概念幸存了下来,并且依旧是独立于观察者存在的事物,这就是所谓的时空(space-time)。
和牛顿的绝对时空观念不同,我们现在有了一个新的,可以同时囊括两者的构造。
一个人或一个事物,比如你和我,在这个构造中沿着一条线运动,这条线就被称为我们的世界线(world-line)。
每个人的时间都是按照自己的世界线测量出的,我的世界线可能和你的不同,但它们都存在于同一个时空(见图3)。
图3 同一个时空两个观者的世界线的例子。
世界线相交之处,两个观者相遇
将时间和空间的概念进化为时空的概念,就能使牛顿力学和麦克斯韦理论相容。
这是爱因斯坦在科学上的早期贡献之一,它就是现在人们熟知的狭义相对论(SpecialTheoryofRelativity)的支柱。
狭义相对论有许多深刻的结果,不少已经被实验证实。
其中最著名的当属下面这个方程:
这个方程告诉我们,质量和能量是紧密地联系在一起的(当核武器面世时,这一事实变得无比明显且极具破坏力)。
关于它的推导出的其他结论还包括不稳定粒子快速运动时它们的寿命会变长,以及任何物体的移动速度都不可能超过光速。
上述最后一条结论以及时空这个新概念,让爱因斯坦发展出了他的引力理论。
紧接着,一个明显的矛盾推动了这个发现,牛顿理论又陷入了麻烦中。
这回,矛盾产生于牛顿理论和狭义相对论之间。
牛顿引力是瞬时存在于物体之间的,也就是说,如果太阳突然爆炸,根据牛顿的理论,在事情发生的那一刹那,我们立刻就能感受到引力的变化。
爱因斯坦知道这是不可能的。
首先,他发现没有任何物体的运动速度可以超过光速;其次,绝对普适的时间是不存在的,也就是说“两件事在不同地点同时发生”
这种说法根本没有意义(如果在一个观察者眼中它们同时发生,那么在另一个运动状态不同的观察者眼中它们可能不同时发生)。
所以,我们的理论中又存在一些错误需要修正。
爱因斯坦解决这个问题的手法更加精妙。
他假设引力并不是把物体拉到一起的力,而是时空弯曲的结果。
根据爱因斯坦的理论,有质量物体会相互靠近,只是因为它们在弯曲的时空中遵循最短路径运动。
质量和能量导致时空弯曲,而时空弯曲折弯了物体移动的路径。
这一想法的美妙之处是:我们不再需要把引力当成宇宙中存在的一种额外的力,有质量的物体之间的相互吸引仅仅源自时空本身(它本来就存在)。
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