Danyang's Teahouse

        从古至今，人类始终葆有一种本能——探索的欲望。在史前时代，人们也许会站在山洞前眺望，好奇山的那边是什么。直到现在，人类受好奇心驱使，去探索未知，发现新世界，突破科学和技术的极限，这促使着人类社会一次又一次发展、变迁。

        物理学是人类探寻自然规律的基础与精华。在物理学里，最根本的问题莫过于叩问时间与空间的本质。小到原子、电子，大到星系、宇宙，一切事物都嵌入在我们生活的时空中，它究竟有怎样的规律？它是宇宙的本质属性，困扰了一代又一代的哲学家和科学家们。一百年前，爱因斯坦给出了一个令人信服的答案，即相对论。

        在这个系列里，我将通过几个角度，从逻辑推理出发，一步步为大家揭开时空神秘的面纱。本文将按递进的顺序介绍其中两个初步的观点。

        难度：★★★☆☆（没有物理基础也可以放心阅读~）

        兴趣：★★★☆☆（思想十分有趣，结论有些朴素）

        阅读提示：请大家与我一起，顺着文本的逻辑，理解加粗的概念。【斜体字】为补充的概念或者更加详细的解释说明，可以选择性地阅读。

一、时空的“相对性”

        时空，是时间和空间的并称。时空的特征，可以用度量来描述。例如，我们人为规定了何为一秒，何为一米，并用时钟和尺子来测量、比较它们。三百多年前，牛顿划时代地建立了经典力学体系，提出了“绝对时空”的观点，即：

世界上存在一个绝对的时间（钟），独立于任何意识存在，在宇宙里不断、均匀地流逝。也存在一个独立的、绝对的空间（尺），始终保持相似，并且不会移动。

牛顿

        这些定义表明了牛顿认为时间和空间独立于任何物理事件，是所有事件发生的背景和环境。这样的时空结构似乎非常符合我们的认识，但相对论却指出，这是不必要的，也是错误的。我将在几节内说明这件事。

        我们先从“运动”这个词出发，“运动是相对的”这一哲学观点来自与牛顿同时代的伽利略，这不仅符合辩证法的思考，其实它也间接凸显了时空的本质特征——相对性，相对论（Relativity）即得名于此。

        在车水马龙的街边，站立的行人可以认为他是静止的，巴士在相对于地面运动；而在巴士里，乘客也可以认为他是静止的，路人在相对于车运动。

宇宙里没有绝对的运动与静止，只有相对于一个参考物体的运动或静止。因此，当我们在描述事物运动时，必须要选择一个参考物体。在物理中，我们往往会建立空间坐标系来描述物体相对于一个参考物体位置，这样的坐标系叫做参考系。例如，我们常常选取地面为参考系，巴士相对于地面在运动，路人相对于地面静止。正是由于运动的相对性，我们选取的参考物体事实上也一定在做相对运动，大地（地球）也在以30km/h的速度绕着太阳转。这进一步说明了确定一个物体的绝对静止与运动是毫无意义的。【这里的运动都指匀速直线运动，是物体完全不受外力的基本状态。变速运动将会涉及更复杂的广义相对论】

既然我们不可能确定物体是否静止或运动，那么宇宙中的一切规律也应该与运动与否无关，宇宙的规律应该是自洽的。【或者，在相对地面运动的参考系中，物理规律的形式也应该“相对于地面运动”，从而在每个参考系中保持相同的形式。】【物理数学规律应有参考系协变性】基于这样的思考，一个重要的推论随之产生：在任何参考物上，物理规律不变。这就是狭义相对论中重要的相对性原理。

        人类在地球上发现的数学、物理定律，也在宇宙的其他地方成立。欧几里得的几何公理、麦克斯韦的电磁场方程等等规律，在任意匀速运动的参考系中都不变。

        事实上，相同的宇宙规律也包含、体现了，我们能在任何一个参考系中观察到相同的时空属性与结构。在任何一个参考系里，一米、一秒所产生的效果完全一致【例如，在任何一个参考系中，两个相距1米的带1mC正电荷的粒子，相互之间的排斥作用力是9000N。这表明在任何一个参考系里，一米所产生的效应完全相同。又例如，在任何一个参考系里，】那么在不同参考系（在巴士上、在地面上、甚至在太阳上）中，一切实验、观察都会产生同样的结果，我们也因此无法通过任何手段来区分自己到底处于怎样的参考系中。因为，我们身处的时空完全相同。

        然而，在到目前为止的推理仍只能说明时空在各个参考系中完全相同，只描述了一个参考系中的现象。但是这些推理并没有指出两个相对运动的参考系中的时空的相互关系，接下来几节就将逐步揭晓谜底。

二、时空是等价的

        人类生活在三维空间、一维时间的四维时空中，作为三维空间的“霸主”，我们能在长、宽、高中任意一个方向上自由地来回移动。但是在时间这一维度上，我们却只能随波逐流，一路向前，无法逆转流逝的时间。因此“时空是等价的”这个论点，似乎听起来有点玄乎。我将用两个例子表明，这个论点是正确的。

        请大家看一个司空见惯的情景：一辆巴士路过站台，随着时间的流逝，巴士的位置不断改变。（等车人：喂！师傅停车啊！）

        在这个例子里，我们就涉及到了两个参考系，地面参考系与巴士参考系，巴士参考系在相对于地面运动，我们即将迈出跨越两个参考系的第一步。

        通过观察出现在自己面前的巴士乘客，地面上的人发现，在不同时刻下，他看到了坐在不同座位上的乘客出现在他的面前，并且这些乘客的座位逐渐接近车尾。【由于信息的传播也需要时间（信息以光速传播），为了减少影响因素来方便思考，我们只允许路人观察他身边发生的事件】为了便于之后的思考，我们换一种表述方式：在地面上，同一位置、不同时刻观察，路人看到了位于巴士上不同位置的乘客。再简单点：路人在同一位置看到了巴士上不同位置的事物。

        接下来的内容就似乎有点玄幻了，作为思想实验，我们只需要假设时间和空间是等价的，并依此做一次词汇交换。

        把上面加粗的句子里的“位置”和“时刻”两个词相互交换，这句话也是对的：在地面上，同一时刻、不同位置观察，路人能看到位于巴士上不同时刻的乘客。也就是说，路人在同一时刻可以看到巴士上不同时刻的事物！！

        相关的实验验证了这一切，如果图中三位路人约定在同一时间观察运动巴士里乘客的手表，他们将看到三个不同的时间！时间，不是处处一致的！（尽管这个现象极其微弱）

        如果时空是等价的，上面两个巴士思想实验即揭示了“同地的相对性”和“同时的相对性”两个重要概念。而实验证明它是对的。

——To be continued

本期结语

        以上两个更像哲学观点的结论——“运动的相对性”与“时空的等价性”，还不足以挑战经典时空观，得到爱因斯坦的狭义相对论。二十世纪初，一个重大的实验发现，“光速不变”，才真正促成了相对论。

        作为一个物理系学生，我时常感到孤独，尽管我有许多好朋友。我的喜好与理想，也许正在慢慢远离身边人的视野，其实大家也许都是如此。我希望读者朋友们、我的家人们能通过这篇科普，理解我和其他喜爱物理的同学所感受到的快乐！如果读者也能同样感受到物理的美，那就更好了！要是反响不错，之后我会继续写科普届常提的广义相对论和量子力学，并说说我的理解。

        事物的美是有共性的，有的揭示了自然的精妙，有的体现了思想的严密，也有的展露了人性的复杂。我希望通过适当的交流来促进不同专业的同学之间的理解与沟通，希望这篇科普能起一个抛砖引玉的作用。如果大家有兴趣，我很希望大家也来写篇关于自己最喜欢的事物的美。

        最后，感谢@沈丛 同学，和你的聊天极大的提升了我对相对论的理解哈哈。感谢@天协小伙伴 ，不管是前期撰稿还是后期投稿，都不能没有你们的帮助。

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