我希望这是一本很有趣的书。我认为这本书与传统科普书最大的差别在于,它更像是一本茶余饭后的休闲书,或是一本有点意思的小说。在这本书里,你会看到很多天马行空般的小故事。牛顿带着Tom和Jerry来到一个大水桶里面观看神奇的水面凹陷;爱因斯坦化身大警长先是调查了一起环球快车谋杀案,然后又要奔赴云霄电梯处理可怕的超级炸弹,最后又在太空中建造了一个超级大圆盘以展示他那神奇的时空观。
虽然这一切看上去不像是专家学者式的科普,但我可以很负责任地说,故事里包含的都是些很靠谱的科学真相。很多科学真相用“不可思议”来形容是一点都不过分的,你平常之所以感受不到物理学的神奇,那是因为没有人告诉你很多看似普通的物理现象背后的故事。我们这本书大致可分为上下两部分。
前六章和大家一起回顾物理学走过四百多年坎坷历史,这段历史中的悬念,其精彩程度不亚于任何一段战争史,因为物理学的发展本身就是一部精彩的好莱坞悬疑大片。在伽利略、牛顿等巨星纷纷谢幕后,我们的超级巨星爱因斯坦闪亮登场,而他成为我们的主角的时候不过26岁。他就像是一个横空出世的大侠,无门无派,但是一出手就让天下震惊,他的绝招就是“相对论”。
在第六章,我将讲述一段跨越半个多世纪的厚重和真实的历史故事,这个故事尘封已久,但我想告诉大家,真相往往比小说更曲折。后四章是本书的下部,故事更神奇,真相更惊人。在下部中,我将帮你细致地剖析时空的真相,带你领略神奇的四维时空奇景。我们先一起去了解整个宇宙时间光锥的终极图景,然后再回到原子的深处见识一下不可思议的微观世界,最后看一看当下物理学的最新进展——万物理论。
看完这本书,也许你对这个世界的看法会大大改观。潮起潮落,斗转星移,这些平常司空见惯的大自然现象突然在你眼里会产生完全不一样的意义。当你晚上抬头仰望星空,看着夜空中的皓月星辰,宇宙在你眼里将会换了一番景象,过去的宇宙观一去不复返了,一个崭新的宇宙观将在你的头脑中建立起来。
自小到大,你可能一直会有这样的疑问:时间到底是什么东西?我们能跨越未来吗?我们能回到过去吗?光到底是什么东西?宇宙到底长什么样?有大小吗?有生死吗?我们能像星际迷航一样穿梭在银河系吗?这个世界的物质到底是由什么构成的?物质可以无限分割吗?这些令人不可思议的问题,科学家到底是如何找到答案的?看完这本书,或许你将对以上这些问题不再感到疑惑,说不定,你还可以很自信地为你的亲朋好友解答他们心中同样的疑惑。
所有这一切,都要从爱因斯坦发现的相对论开始讲起。这的的确确是一个伟大的理论,这是上个世纪人类对这个宇宙秘密最深刻的一次发现。你可能还是在茫然地看着我:“我听说过相对论,可是它跟我们的日常生活有关系吗?”当然是有关系的。比如,GPS导航系统现在已经是一个满大街都可以看到的常用小电器了,我估计很多读者都有一个车载的,或者手机里面就有一个。知道吗,如果没有相对论,那么这玩意可就会出大问题。
因为根据相对论,卫星上面的时钟会比地面上的时钟走得快,每天大约快38微秒(0.000038秒)。这个时钟的快慢并不是因为计时器精度不够造成的,而是因为卫星上的时间真的变快了。你设想一下,如果人类没有掌握相对论的知识,那么就不会知道发射到天上的卫星哪怕用再精确的计时工具计时,也不可能消除这个误差。
你千万不要小看这似乎微不足道的38微秒,如果不校正的话,那么GPS导航系统每天积累的误差将超过10千米(当然这个误差是垂直方向上的,不是水平方向上的),如果美军用这个来导航导弹的话,那麻烦可就大了。因此在GPS卫星发射前,要先把其时钟的走动频率调慢100亿分之4.465,把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫,这些数字全靠有了相对论才能那么精确地计算出来。
我们对相对论的误解实在是太多了。大多数人都觉得相对论很神秘、很深奥,是大科学家才能理解的东西。这种误解来源于一个广为流传的关于相对论有多难懂的故事,说的是一个记者问天文学家爱丁顿:“听说全世界总共只有三个人能懂爱因斯坦的相对论,您是其中之一,是不是这样?”爱丁顿一时沉默了,正当记者以为爱丁顿要反驳的时候,没想到爱丁顿说:“我正在想另外两个人是谁。”我估计当时这个记者就震惊了。
不管这个故事是真是假,总之给我们的一个印象就是相对论很难懂。但是大家千万不要忘了,这个故事发生在100多年前的1906年,那时候相对论刚刚被爱因斯坦用严谨的数学语言描述出来,对那个时代的人来说确实是很难理解的。不要说相对论了,你想象一下如果你回到乾隆年间,对大知识分子纪晓岚说随便找一个三角形的东西,把三只角割下来拼在一起,不多不少,总是恰好能拼出直直的一条边。
同样,相对论的一些基本原理和概念对我们现代人来说,也一点都不高深,不神秘,很好懂,关键在于你是不是愿意听我娓娓道来。