Day 146: 《时间的形状》
今天来写一下开尔文爵士说的另外一朵乌云：迈克尔逊乌雷实验未能证实以太这种物质的存在。
在爱因斯坦的相对论横空出世之前，经典物理的世界里，光是通过以太传播的。以太最开始是由亚里士多德假想出来的一种物质。迈克尔乌雷实验试图通过静止的发光的以太物检测出物质的相对运动。但这个实验无法证实这一点，有人预测是因为实验所用的仪器是带电荷的粒子，实验中的量杆在运动中会产生磁场，它的长度取决于静电平衡。这样它在指向地球运动的方向时会缩短，正好抵消光速在以太物质传播中的减慢。后来洛伦兹提出了洛伦兹变换，证明运动物体的长度会收缩，但只收缩在运动方向上，仿佛给了此实验一个精准的解释。
直到1905年，Again，就是爱因斯坦一年出了6篇论文的那一年（包括上篇写的光电效应的论文），狭义相对论横空出世。爱因斯坦抛弃了以太，提出了光速不变原理和狭义相对性原理。
来看看狭义相对论的具体阐述：
1 相对性原理：在任何惯性体系中，所有物理规律保持不变（相对性原理）；
2 光速不变原理：光在真空中传播速度恒定为c （光速不变原理）；
3 同时性的相对性：对于两件事件的发生，只能做出相对同时的判断，而不能做出绝对同时的判断（取决于参考系）
4 洛伦兹变换（时空坐标系）
5 时间膨胀 : 当物体运动时，时间会膨胀（变慢）！
6 空间收缩（洛伦兹收缩）！
7 质速关系式（运动物体速度越快，质量越大）what?质量还能变？
8 光速极限：没有能量和信息的传递速度能超过光速
9 质能公式：E=MC2(质量和能量可以相互转换）
（爱因斯坦把牛顿绝对论的公式全部”相对“了一遍，如果牛顿地下有知，估计会跳出来胖揍爱因斯坦的吧？）
综上可知，狭义相对论是建立在同一惯性体系里的，只研究了时间，空间，运动三者的关系。
但是爱因斯坦总觉得这事情不靠谱啊，人类生活在根本不存在的惯性体系，所有的运动没有一个是匀速直线运动。我们生活在宇宙里，非惯性系主宰者我们。
那必须不能忽略引力这个东东，因此就诞生了广义相对论。如果说狭义相对论是集合各派之大成（洛伦兹，庞加莱等等），那么广义相对论就是爱因斯坦傲视天下的独门秘籍。广义相对论是人类智力之颠，是对整个宇宙模型的预言。
爱因斯坦推测引力使得光线弯曲。引力越大，光线弯曲得越厉害。他在《相对论浅说》里推断，当星光掠过太阳时候，其歪曲的曲率估计值达到了1.7角秒，当日全食出现的时候能够被观测到。太阳的位置在日全食和非日全食的可视位置会偏离。这个伟大的推测随即在1919年的日全食出现的时候，在全球的天文学家的努力观测和计算中被证实了。这完全证明了广义相对论的精妙。
更深一步，他认为引力根本不是一种力，它是时空弯曲的外在表现。
想象宇宙空间是一张类似如下图的大网，质量越大的星球引力越大，下沉的越多，造成的时空弯曲越大。
这里可以想象一下，当球体的质量增加（比如说黑洞合并这种情况），球体就会下沉地更多，这个深度的变化会从洞的中心迅速传播出去，但不可能瞬间抵达边缘，这个传递的过程就好像卷曲的空间泛起的波澜，它的传播速度也是光速。这个波，就是引力波。爱因斯坦在上世纪就预测到了引力波，我们在2015年和2016年终于探测到了引力波。
如果这个球洞很深很深，那么从这个洞力逃出来的速度也势必会很大。只不过这个速度不是在三维空间里的速度，而是“时空”里的速度。除了空间里的三个维度之外，我们必须加上“时间”这个维度。多了这个维度，就变成了时空。我们每个人都生活在这样一个四维时空里，每个人在时空中的运动速度都是光速c，永远不会快一点，也不会慢一点。这个其实是狭义相对论里的时空坐标系理论，任何物体都在时空里做着相对运动，时间和空间是互相垂直的两个维度。在时空的四维维度里，时间这个维度有点特殊，只能朝一个方向运动，而空间的三个维度可以朝正反运动。
有没有一种球体陷下去的洞，深到令所需的逃逸速度比光速还要大，连光都无法从洞里面逃出来呢？有的。这个就是大家耳熟能详的黑洞了。因为光也逃不出来，那它就是全黑的，尽管如此，它那巨大的引力和时空扭曲还是实实在在的。如果一个恒星和黑洞相遇的话，可能会被黑洞一点点地吞进去。提到黑洞就不能不说霍金，霍金提出了黑洞的辐射理论，但是他却打赌说地球上看天空中最明亮的X射线源之一天鹅座X–1中没有黑洞，结果他输了。天鹅座X-1确立为目前已知的由电磁探测发现的质量最大的恒星黑洞。
对应黑洞的是一种叫白洞的东西。白洞是宇宙中的喷射源，可以向外部区域提供物质和能量，但不能吸收外部区域的任何物质和辐射，所以白洞是一个只发射、不吸收的特殊宇宙天体，与黑洞正好相反。
如果一个黑洞和一个白洞在时空里联结起来了呢？1930年代由爱因斯坦和罗森在研究引力场方程时假设黑洞和白洞透过虫洞（worm hole)连接，认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行。不过这个理论是个预测，不知道会不会真的出现。如果有的话，那任何事情都能解释了：时空旅行，穿越，离奇失踪这种科幻小说的情节统统都可以解释了。
下面这个图是不是很震撼？像一个多维空间隧道一样，让人对太空产生无限想象。
虫洞
你以为虫洞就是最神奇的了吗？再来看看莫比乌斯环吧。虽然它不是广义相对论里面的理论，但是这个可以让我们想象一下时空里的那些可能性。
莫比乌斯带只有一个面，如果你用一把剪刀沿着莫比乌斯环的中线剪开，你会发现：纸环并没有被剪成两个，而是变成了一个更细、更大的纸环。新的纸环被扭转了360度，失去了单面的性质。
如此重复，继续剪开这个新的纸环，结果会让你大吃一惊——剪出来的竟然是两个套在一起的纸环。莫比乌斯环还有个三维的兄弟叫克莱因瓶，如果想象时空扭曲成这样神奇的形状，我们完全有可能坐着宇宙飞船从21世纪出发飞了一大圈，回到了19世纪，继续往前飞又返回了21世纪。我们或许真的可以回到过去。记得我昨天写量子力学里面提到的过去多历史一说吗？我觉得这个可能就是这个多历史世界最好的解释了：穿越到过去，改写历史，在平行宇宙里多个历史共同上演。
最后的最后：爱因斯坦在研究引力场方程的时候，得出来宇宙不可能是稳定的，要么是在膨胀要么是在收缩，这把他给吓坏了。然而崇尚经典的爱因斯坦人为地给这个理论加了一个常量，由此希望这样宇宙就能稳定了。没过几年这个美梦被美国的天文学家打破了，哈勃发现几乎所有的星系都远离我们而去，而且距离越远的星系跑得越快。这一切只有一个解释：宇宙在膨胀！爱因斯坦真滴吓坏了！但是，恰恰是哈勃的发现证明了广义相对论的伟大。这个宇宙模型如此精准。宇宙的不断变化帮助了人们形成了宇宙形成理论的猜想，那就是宇宙大爆炸。关于这一点可以写一本书了，我就打住。
关于相对论的总结，我想就写到这里。其实还有好多特别有趣的事情，是从广义相对论引发的。相对论的出现尤其是广义相对论，就像打开了宇宙潘多拉的盒子，开启了我们对神秘宇宙的无边想象和探索。不禁对爱因斯坦这个神奇的脑袋瓜感到无比地钦佩和景仰！要知道爱因斯坦提出广义相对论时候的天文学还仅仅在能观测到银河系而已，而广义相对论模拟了整个宇宙，很多猜测如引力波超前了近半个世纪，不知道其他猜想有没有可能被证实（如虫洞）。
然而， 和我昨天那篇写量子力学的结尾呼应一下，量子理论和广义相对论还没有完全融合在一起，这就是现代物理学家正在尝试克服的问题。也就是宏观世界和微观世界的调和，这才有了超弦理论,m理论这些新兴出现的理论体系。然而他们还并不成熟，希望有生之年能够看到万物理论大统一（牛顿理论，相对论和量子论），在我们已知的所有尺度上面的物理现象完美融合。
“The eternal mystery of the world is its comprehensibility … The fact that it is comprehensible is a miracle."
"God does not play dice. "
------Albert Einstein
