《时间的形状：相对论史话（彩图升级版）》读后感_4500字

《时间的形状：相对论史话（彩图升级版）》读后感4500字

《时间的形状》浅读（三）

（接二）

5、质速关系式。物体的质量也是相对的，物体运动速度越快质量越大。物体运动速度无限接近光速时，质量会无比巨大，足以击毁一颗恒星。

6、质能转换。也就是相对论最著名的公式：E=mc2 从而揭示了质量和能量也是可以相互转换的。这也奠定了原子能的理论基础。

狭义相对论带来的震撼是打破了当时人们固有的绝对时空观念，从此时间和空间甚至是质量和能量再也不是绝对的，都变成了相对的。这一切都彻底颠覆了人们的固有思想，从而开启了一个新的时代。

五、广义相对论

下面的内容开始烧脑了，如果说狭义相对论你还可以接受的话，那么广义相对论一定会让你对世界的认识上一个新的台阶。相对论为什么要分成狭义和广义呢？其实，狭义相对论是英文Special Relativity 也就是特殊相对论，而广义相对论则是 General Relativity 也就是普遍相对论。狭义相对论特殊在什么地方呢？有两个地方，一个是狭义相对论公式所能处理的运动全都是匀速直线运动，也就是“惯性系”。第二个，狭义相对论没有把万有引力，这个宇宙中普遍存在的研究对象纳入到理论中。

经过了十年的漫长努力，爱因斯坦终于丢掉了惯性系，搞定了引力，把特殊相对论升级为了普遍相对论，从此，相对论就可以适用于一切时间、空间、运动和引力这四者的相互关系。更加神奇的是，它几乎是爱因斯坦一个人潜心修炼的成果，如果没有爱因斯坦，我们可能今天还在等待这个理论。在一本美国人写的科学史书中，广义相对论被评价为“这无疑是人类历史上最高的智力成就”，它也被众多物理学家称为“世界上最美的理论”。

我们就要问一个问题，惯性系与非惯性系的本质区别在于什么呢？惯性系其实就是匀速直线运动，非惯性系就是非匀速直线运动，那么这之间差了个什么东西？就是加速度。

1.等效原理

书中通过“死亡电梯”的思维实验,解释了一个重要问题,那就是引力和加速度其实是等效的,你可以设想,自己在一个封闭的电梯里,两种情况一种是电梯静在地球上,与你在失重的太空中,但电梯朝上以加速度为g(地球重力加速度)向上运行,在电梯里的你,能够感觉出区别吗?另一种是,你静止在失重的太空里,与你和电梯一起在地球上做自由落体运动,在电梯里的你,能够感觉出区别吗?答案是,没有区别。在这两种情况里,你在太空里的感觉,其实与在地球上是一样的。我们前面讲过,狭义相对论解释的只是惯性系下的物理规律,惯性系也就是不做加速运动(没有加速度),那其实所谓的非惯性系,实际可以理解为在引力状态下的惯性系,如前所言,你在地球上静止(地球万有引力状态下的惯性系),其实与在太空中做以g(地球重力加速度)为加速度加速运行,本质上没有任何区别。那也就是说,任何非惯性系(以某一加速度加速运动),我都可以把它同在以该加速度等效的引力下的惯性系作为考虑,反过来讲,一个在引力中的惯性系,我们也可以把它等同于正在以该引力等效的加速度做加速运行。

说到这个问题,就非常有趣了,比如我们在开车,猛踩油门的时候,你会感觉到有推背感,也就是感觉被吸附在座位上,现在你想想自己正躺在床上,你是被重力吸附在床上的,那么你完全可以想象,这其实就跟你和地球一起朝你的上方做加速度为g的加速运动,没有任何区别,它们在物理上是完全等效的。再比如,你在做匀速圆周运动（匀速圆周运动本质上也是加速运动，因为速度是矢量,方向变化也是在变化),而当你处于匀速圆周运动的系统内部时,你感觉和向心力相同的引力作用下的静止状态是一样的、而且,所谓的绝对运动并不存在，所谓运动,都只是相对而言,对我们来说,地球是静止的,对其他星体来说,地球是运动的(至于呈现什么样的运动轨迹,则完全取决于观察者处在哪个参考系里,目前我们对地球运动的轨迹模型,是基于太阳作为中心构造的。

2.光会弯曲

书中电梯的例子太过于复杂,不作详论。简单解释下，其实和之前讲狭义相对论时的光子钟大同小异,即当光源对于其他参考系而言正在运动时,光本身在外参考系的观察者看来,是呈曲线运行的,那么我们又知道,当我们身处于参考系内部之时,什么样的情况会知道自己正在或是当做正在运动?是加速或者受到引力(此二者是完全等效的),那也就是说,当一束光经过列力场时,我们可以假设引力场本身相对于这束光正在加速运动,所以,在引力场内的参考系的观察者看来,光也是呈曲线运行的（引力越大越明显,因为加速度越大)。

3.时空弯曲

接下来我们进入一个思维实验太空圆盘”。简单介绍下，我们设想在太空中(没有引力)放置一个大圆盘,在中心处一个人，我们称之为a,圆盘壁上一个人,称之为b,然后使其旋转起来,这时候圆盘中心的人没有运动,因此没有任何感觉,但b明显感觉到了圆盘璧给予他的吸附力,就好像受到了引力一样。我们前面说过,由于匀速圆周运动本质上也是加速运动(线速度方向在不断变化),根据狭义相对论的结论,相对a来说,圆盘b有线性速度,因此b比a的时间膨胀(变慢)了,但因为b本身是感觉不到自己正在运动(就好比我们在地球上),他只能感受到引力,因此,从本质上讲,我们认为,是引力导致了时间的膨胀,而且,离圆盘的中心越远,受到的向心力(引力)越大,线速度越大,时闻膨胀得越厉害。我们如果做一个直角坐标系,把X轴当作离圆盘中心距离的变化，Y轴当作时间变慢的幅度大小，在这个思维实验中，时间的图形就是一个抛物线，因此从这个角度来看，时间在引力作用下弯曲了。

再来说空间，同样，b相对a作相对运动，因此，根据狭义相对论的结论，在a看来，b的长度比之前变短了，但b本身感觉不到运动，而只是感觉到引力，因此引力导致了空间的弯曲。

根据这个概念，我们可以谈一谈著名的“双生子佯谬”，有一对孪生兄弟，哥哥跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而弟弟则留在地球。结果当旅行者回到地球后，请问，哪个更年轻？按照狭义相对论的原理，哥哥相对弟弟在运动，因此时间变慢了，但对哥哥而言，弟弟也是相对自己远去，时间也变慢了。所以，如果是用狭义相对论原理，无法做出解释，但是我们现在知道广义相对论原理，即引力（加速度）导致时间变慢，那么你想，哥哥的宇宙飞船如果一直在朝远处航行下去，那么兄弟俩的时间是一样的，只不过相互觉得对方变年轻而已，但是，请注意，哥哥如果要回到地球，一定要在某一处调头，调头意味着什么？减速到0，再反方向加速到一定速度，而在这个过程中，由于减速与加速（有了加速度，也就是受到了引力），他的时间将膨胀变慢，他的弟弟在此期间将迅速老去，换句话说，当哥哥掉头之时，则是像弟弟的未来奔去，当他回到地球之时，弟弟已经比哥哥老了。这个解释，后来得到了大量的实验证明。

我们还可以想到一个问题，地球是在自转的，离地面越高，自转的线速度就会越大，根据狭义相对论，速度越快，时间越慢，因此高山上的时钟应该比地面上的慢；但是根据广义相对论，高山上的地球引力更小，所以高山上的时钟又应该比地面上的快。那么到底是狭义还是广义相对论的效应更显著一点呢？根据精确的计算，是广义相对论效应更加显著，高山上的时钟走得比地面上的快。这也是得到实验支撑的。

4.引力本质

前面我们说过，引力和加速度等效，但是引力的本质是什么呢？牛顿认为，引力就像一根无形的线，牵连着宇宙中的所有物体，而质量的变化将直接导致引力变化，那也就是说，引力的作用是一瞬间，是可以忽视空间，甚至比光速还快。这在爱因斯坦看来，是不可思议的，按照狭义相对论的原理，没有什么信号或者能量的传递速度能超过光速，牛顿的结论一定有问题。

爱因斯坦认为，光受到引力的作用，会弯曲，并不是因为真的有力在作用，而是光本身就要走最短的路线，但明明光又在走曲线，怎么会最短呢？如果我们学过曲面的几何原理，就会知道，在曲面上，比如说球面，两点之间最短的距离，并非直接两点连线，而是同心大圆与两点相切的那一条轨迹。那么光走的轨迹，仍然是最短路线，但因为空间的弯曲，而呈现出来了光沿着一条曲线在走，也就是说，引力只是空间弯曲的外在表现而已。

但是空间是三维的，我们无法去描绘一个恰当的图形，只能大概描绘一个二维图形便于理解，如上图，你可以把空间想象成一张膜，地球放在这张膜上，膜呈现了凹陷，那么假设一个东西经过它，如果速度不快，就会被地球捕获（比如地球上的所有被吸附的东西，包括我们），如果这个东西速度够快（比如光），就会像上图那个玻璃小球一样逃过这个凹陷区域，但它的路线就是一条曲线。因此，引力的本质就是空间的弯曲。根据这个理论，如果地球的质量发生变化，那么就相当于这张膜的凹陷程度发生变化，相当于膜震动了一下，并从地球为中心呈波状扩散出去，这就是著名的“引力波”，这个预言，在2016年2月11日被仪器探测到，这再一次证明了爱因斯坦相对论的伟大。

5.黑洞与虫洞

根据刚才说的，引力就是空间的弯曲，那么如果一个星体，体积小，质量大，那么会怎么样？

假设这个星体，密度达到一定程度，把空间这张膜整个坍缩下去，呈现一个漏斗状，那就是-黑洞！

我们前面讲过，这个凹陷的空间区域，要想从旁边跑过，就要具备一定的速度，我们称之为“逃逸速度”，如果一个星体的逃逸速度超过光速，那么也就意味着，连光都无法从它身边逃逸出去，

而这种星体，就是“黑洞”。

大家都听过黑洞，可能也偶尔听说过虫洞，那么什么又是虫洞呢？如上图所示，一个黑洞在空间中就类似一个漏斗，而如果两个尾巴相连的黑洞，呈现双漏斗状，就形成了虫洞。目前我们无法知道进入虫洞之中会发生什么，你可千万别以为真的可以从这个洞穿越到另一边去，毕竟，黑洞是连光都无法逃逸的存在。说到此，广义相对论的基本理论框架就说完了。

广义相对论整理和小结：

狭义相对论是在惯性系中研究时间、空间、运动三者的关系，而广义相对论将惯性系扩展开来，通过等效原理加入了“引力”的概念。

质量产生引力，引力等效于加速度，加速度带来时间和空间弯曲，也就是说：引力的实质就是弯曲的时空。

质量越大引力越强的地方，时空被弯曲的越厉害，时间变得越慢。当某些天体的质量变得非常大时，就形成了“黑洞”，黑洞周围的时空被扭曲，黑洞内部无法观测。由两个黑洞扭曲的时空可能形成“虫洞”，但虫洞至今未被明确证实。

根据广义相对论还推导出宇宙目前正在膨胀，并促成了宇宙大爆炸理论的诞生。之后的宇宙微波背景辐射的发现和引力波的探测进一步印证了这个观点。

与主要使用欧几里得平面几何学的狭义相对论相比，广义相对论推导所使用的是黎曼的曲面几何学。如今广义相对论更多的应用在天体物理学和研究宇宙结构演化上。

六、最后的话

以上就是对爱因斯塔相对论的形成过程以及相关原理的简单剖析，通过对相对论形成史的简单探寻与知悉，让我对世界本身有一个颠覆性认知，也就是我们直观常识的世界，与理论物理学的世界，存在着天壤之别，在我们常规的眼里，仍然保持以伽利略和牛顿建立的绝对时空观之中，我们认为，时间与空间是绝对独立的，与其他任何东西毫不相干，从康德哲学的角度来看，时间与空间取决于人的先天认识形式，这当然并不是爱因斯坦要说的，但是，物理学也向我们证明了，世界并非一个绝对独立于我们存在的毫不相干的世界，它一定是需要建立在人的认识基础之上的。另外，有一句最重要的话仍想重说一遍，“比科学知识、科学故事更重要的，是科学精神”，我想这句话，甚至不应该仅仅适用于自然科学的领域，而应该适用于所有人类的认知领域，知识、故事本身固然重要，但更重要的，是我们对待知识乃至世界的态度，也就是称之为“观”的东西，对待科学，我们应该有正确的科学观，对待哲学、历史、文学亦如是。

以上。

李俊

2019年3月6日