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愛因斯坦在他與別人合著的科普名作《物理學的進化》一書中寫下了這麼一段話:物理概念是人類心智的自由創造,儘管它們看上去是由外在世界單獨決定的,但實際上不是。
這本科普名作首次出版是在20世紀上半葉的1938年。但相對而言,這本科普書無論多麼著名,它的知名度是遠遠不能與愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論相提並論的。在這之前的1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,再往前的1905年,愛因斯坦提出了狹義相對論,正是因為這兩個相對論導致愛因斯坦的名聲享譽全球,科學界也將這兩個年份公認為是愛因斯坦的「奇蹟年」。
不得不說的是,那時的愛因斯坦雖然已被認定為是全球頂尖的物理學家,無人可與之比肩,但並不意味著他的理論就完全讓人信服,尤其是1905年正式面世的狹義相對論,在科學家中間引發了激烈的爭論,爭論的焦點主要集中在對時空性質的認定。1713年,牛頓在《自然哲學的數學原理》第二版中提出,時間和空間是絕對的、客觀的衡量標準;而愛因斯坦在1905年的狹義相對論中則提出,時間和空間是相對於觀察者而言的。
時空的真實性質到底是什麼?自狹義相對論面世一個多世紀以來,這個問題一直是科學家和哲學家爭論的主題。說到底,這種爭論其實就是關於時空性質的相對主義與絕對主義的鬥爭。牛頓說空間和時間是絕對的,絕對空間的本性與任何外在事物無關,它總是相似的、不可移動的;時間是一種客觀而固定的衡量標準,儘管人們能感到時光飛逝或者度日如年,但那只是一種主觀體驗,與時間穩定的前行節奏無關。
牛頓的絕對時空觀統治了物理學幾百年,在愛因斯坦之前幾乎所有科學家都信奉牛頓的觀點,這主要是因為牛頓的運動和引力理論確實相當精確有效,很少有人具備資格和勇氣反駁牛頓的觀點。當然,在牛頓之前,伽利略就曾提出,運動是依賴於觀察者的,而與牛頓同時代的德國哲學家萊布尼茨也一直反對牛頓的絕對主義。但是,這兩個極少數反對者的觀點並沒有讓後人深思,更沒有人對牛頓提出挑戰,知道愛因斯坦的出現。
愛因斯坦的狹義相對論認為,不僅空間是相對的,時間也是相對的,而光速卻又是恆定的,這個結論似乎違反了人類的直覺,讓人們感到無比困惑。當你的運動速度接近光速時,相對於低速狀態的人,你會經歷明顯的時間膨脹效應,即時間變得更慢了。所以,當你的速度越來越接近光速,由於光速是恆定的,那麼必定會有其他事物發生變化,而相對於你,變化的事物正是時間和空間。另外,根據E=mc^2,能量和質量是可以相互轉換的,運動速度越快需要的能量就越大,而你的質量也越大,當你接近光速時,你的質量會達到無窮大,而質量無窮大的事物就很難再提速了,所以光速永遠是可望而不可及的。
這一切似乎都很難理解。然而,有一個著名的悖論可以闡明這個問題,即「雙胞胎悖論」:雙胞胎中的一個人坐著火箭高速離開地球,而另一個留在地球上,當高速離開地球的那一個回到地球時,他的年齡要比留在地球上的更小,這是因為時間是相對於運動速度而言的,運動速度越快則時間過得越慢。儘管在日常情況下這種效應很難察覺,但當運動速度越來越接近光速時,這種效應就會越明顯。