爱因斯坦的时空论

根据物理学家马克思·波恩的观点，1905年9月发行的德国物理学刊《物理学年刊》被认为是“整个科学文献中最具纪念价值的一本刊物”。在这本刊物中，当时在伯尔尼担任瑞士专利办公室专利审查员、年仅26岁的阿尔伯特·爱因斯坦公开发表了3篇论文。这3篇论文为长期以来被奉为经典的伽利略和牛顿的世界观敲响了葬钟，同时揭开了一直以来被隐藏着的另外一个宇宙。在这个宇宙中，时间、空间、物质、能量、万有引力似乎都在发挥着无法想象的作用。

阿尔伯特·爱因斯坦

爱因斯坦认为，世界并非我们原先所熟知的世界，也就是说，时间、速度、空间、位置和物质都是具体的客观事实。这种观点是一种最为理想的解释。我们以时钟记录时间，以汽车、飞机加大移动速度，以一个成套的基本坐标来确定我们的位置并区分某个物质是否处于固体状态······正如爱因斯坦自己总结的那样，在日常生活中，“我们所有的思想概念都是通过感官体验所建立起来的，而其特定的意义只限于相应的感官体验本身”。爱因斯坦的理论貌似难以理解的原因在于，这些理论把我们自身的感官体验全部抛开了。

19世纪和20世纪之交，虽然人们已经了解了关于光的更多知识，但是物理学家们对一个问题仍然百思不得其解：为什么所有的光速都是不变的，只是运动着的物体发出的光也是如此？

如果你以每小时1km的速度沿着一条水流速度为每小时2km的河流向上流动，那么你的相对速度其实是每小时3km。如果你只是横穿过这条河流，那么你的速度又回到了原来每小时1km。19世纪，科学家也提出了类似的观点，即地球正在穿越虽然看不见但是却客观存在的、流质一样的以太。

爱因斯坦则坚持认为，根本没有什么所谓的以太。无论作为光源的物体是否处于静止状态还是运动状态，都不会改变其原来的光速。就光本身而言，这个观点与牛顿的物理学观点完全背道而驰。原因在于，根据牛顿的理论，速度必须遵循简单相加的原则。爱因斯坦进一步设想，一个人如果真的以光速行进，那么将会出现奇妙的结果。

感官体验告诉我们，任何地方的时间都以同样的速度前进，如果看到一架飞机掠过天空，我们一定会认为飞机上乘客的手表和我们的手表以同样的速度运转。进一步来说，如果我们看到闪电的同时在飞机的前面和后面划过，那么我们就会认为飞机上的所有人都会看到同样的画面，因为时间对所有观察者来说都是一样的。爱因斯坦则认识到，所有这些事情要视我们所在位置和我们（或者观看同一事物的另外一个人）的运行速度而定。

如果你把车速控制在每小时10km，那么你的车前灯所发出的光依然以每秒18.6万km的速度向前移动。如果另一个姑娘的速度嗯为每小时20km，那么他的车前灯所发出的光也是以每小时18.6万km的速度向前移动。如果两辆车的速度都无法超过光速，那么他们的速度就等于距离除以时间。这时，能够说明两辆车所发出的光保持不变的速度的唯一理由，就是光所对应的距离和时间发生了变化。

爱因斯坦的理论就是如此陈述的：一个物体运动的越快，那么对于这个物体而言，所经过的时间反而越慢。美国自然历史博物馆海顿天文馆的主任尼尔·泰森绘制的一个图形表明，在25%光速的情形下，一秒钟被延长了0.03秒。在50%光速的情形下，一秒钟被延长了0.15秒。而在99%光速的情况下，一秒钟则变成了在地球上所经历的一秒钟的7.09倍。在99.99999999%的光速的情形下，这时的一秒钟则变成了相对于在地球上所经历的19.6小时。

这不仅仅是一种抽象的概念，也证明了爱因斯坦的理论能够在一架快速飞行的飞机里被精确地测量出来。而且这一概念已经成为我们在研究各种物体（如速度接近光速的原子粒子）时所必须考虑的一个重要因素。在粒子加速器里，这种粒子的质量可能也会有所增加，而且最为关键的是，以光速运行的物质的质量会倾向于无穷大。虽然爱因斯坦无法接触到这种技术，但是他的理论确实使质量理论以及描述质量与能量关系的理论发生了一系列的转变。

不久之后，爱因斯坦公开发表了狭义相对论。实际上，在另一期《物理学年刊》中，爱因斯坦公开发表了广义相对论的雏形。“一个物体的惯性是否依赖其所含的能量呢？”这个问题仅仅是爱因斯坦具有地震效应的论文中一个非常小的标题，但是这种思想恰恰与认为物质与能量都无法被创造和消灭的理论之间存在很大的出入。

传统理论认为磁能可以转变成电能，液体可以转变成气体，但是物质和能量之间的守恒定律是神圣不可侵犯的。然而，爱因斯坦却不这么看。他指出，物质与能量相当于一枚硬币的两面，能量能够从物质中衍生出来，而物质也能从能量转化出来。爱因斯坦甚至还给出了一个对物质和能量之间互相关系进行描述的公式，即能量等于质量乘以光速的平方。由于光速的平方值是一个巨大的天文数字，其实际值接近448900000000000，因此很小的质量就能制造出巨大的能量。

爱因斯坦认识到，居里夫人所研究的镭元素的一部分，实际上正转化为能量形式。我们现在所称的辐射能实际上就是质量被转化为能量的过程，而爱因斯坦的理论可以准确无误的将其测量出来。这个公式的公布直接导致了核裂变技术的发展，在核裂变的过程中原子进行分裂是为了能够把他们的质量转化成能量。令爱因斯坦非常遗憾的是，这种技术却被用于制造原子弹。

核裂变甚至可以制造出更为巨大的能量。在太阳中，高强度的热能把氢原子撕裂开来，即把带正电的氢核子与带负电的氢电子分离开来。这些粒子相互碰撞之后形成了氦原子。四个氢原子正好可以合成一个氦原子。所形成的氦原子的质量要比参加合成的所有氢原子的质量总和小一些。而这个差额部分就变成了核粒子和能量。然而爱因斯坦的理论又碰到了另外一个问题，如果太阳的万有引力对地球发挥作用，那么这就意味这个万有引力必须以接近1.5亿km每秒的超级速度进行移动，而这个速度比光速快的多。由于爱因斯坦已经得出没有任何物质的运动速度会快于光速的结论。因此，要么存在某种非万有引力的物质，在使地球保持着其运行轨道。要么，万有引力并不是像牛顿所认为的那样发挥作用。

此外，爱因斯坦还推算出，导致万有引力存在的是在一个质量物体周围所形成的空间扭曲。牛顿的万有引力定律所描述的是万有引力依赖于两个物体之间的距离；爱因斯坦的广义相对论则认为这种距离会由于物质的空间扭曲而发生扭曲。

如果是质量较大的物体，空间扭曲足以使光速在万有引力作用下，沿着其所形成的扭曲空间运动。虽然太阳的质量能够达到使光线发生弯曲的地步，但是与那种恒星坍缩以及恒星质量挤压所产生的空间扭曲相比，太阳的这种级别几乎是不值一提的。外有在时空被严重扭曲而引力又非常强大的时候，即使是光也无法逃脱，这种加速旋涡便是我们现在所知道的黑洞。

爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论改变了物理学家对宇宙的理解方式。同时也改变了人类对宇宙空间的想象方式。爱因斯坦完全清楚自己的理论将会产生什么样的哲学影响。他写道：“非数学家在听到了‘四维’这个概念的时候，被一种莫名其妙的浑身站立所侵袭，这种感觉不亚于被某种超自然的玄妙思想所惊醒。但是，实在找不到更加平白直叙的话语来代替这种思想的表达，因为我们所生存的世界就是一个思维时空连续统一体。”