《时间的形状：相对论史话（彩图升级版）》读后感6000字

《时间的形状》浅读（一）

我尝试通过对这样一本科普读物的解读，首先让我自己搞懂这本书，也希望通过我狭隘的个人视角，与愿意读下去的书友们一起走进波澜壮阔的物理学世界（写到一半回来加这句话：试图讲清楚相对论似乎并非易事，简单说又说不明白，解释具体又显得枯燥乏味，看官们请根据自身情况自便处理吧）。

一、作者与本书简介

汪诘，“科学声音”组织首届轮值秘书。其代表作《时间的形状：相对论史话》获第八届国家文津图书奖，另著有《星空的琴弦》《外星人防御计划》《科幻世界漫游指南》等作品。自媒体节目《科学有故事》主播，全国各科技馆、中小学人气演讲嘉宾。

《时间的形状》，副标题“相对论史话”，主要讲述的是，大名鼎鼎的相对论到底是一个怎样的理论，爱因斯坦又是如何提出的。这是一本读着像小说一样的科普读物，作者按照时间顺序，从伽利略、牛顿的经典物理学理论开始说起，再讲到光速测量，以及困扰经典物理学界很多年的光速不变之谜。一个接一个的悬念推动物理学的发展，直到爱因斯坦横空出世，用相对论破解有关时间、空间、运动和引力的谜团，为读者打开一个看待世界的全新视角。

说到相对论，有些人觉得，相对论的意思就是，世界上没什么是绝对的，都是相对的。这完全就曲解了相对论的真正含义，不是说世界是相对的是错的，而是说相对论根本就没有也没有意图要在哲学层面上去表达这层意思，恰恰相反，爱因斯坦晚年，非常不喜欢别人把这个理论叫相对论，他觉得应该叫不变论。因为爱因斯坦最自豪的就是他发现了宇宙中的那些永恒不变的东西，比如在真空中光的传播速度是不变的。

《时间的形状》这本书，为每一个想了解相对论的人，提供了一条捷径。相对论是个什么理论？它是研究时间、空间、运动、引力这四者关系的理论体系的总称，它是这一百多年来人类最伟大的两个理论之一，另一个理论是量子力学。在科学史上，曾经有一些理论没有获得诺贝尔奖，但并不是这个理论的遗憾，而是诺贝尔奖的巨大遗憾。

二、你必须了解的四个概念

在开始进入相对论是怎么被提出的这段历史之前，我们还要先来学习四个很重要的概念，可以说，这四个概念不仅对于了解相对论有帮助，对于了解所有科学理论都会有帮助，也可以加深我们对科学精神的理解。作者汪诘有一句名言：比科学故事更重要的是科学精神。下面了解一下这四个概念：

（一）波普尔的证伪说——科学与伪科学的量尺

要判断一个理论是不是科学理论，著名的科学哲学家波普尔提出，一个理论如果想要被真正完全的证实，是不可能的，但是可以具备被证明是错误的可能性，也就是具备“可证伪性”。比如说，天下乌鸦一般黑，想证明这句话是不是科学理论，你就得满世界去抓乌鸦，但你即使抓便天下的乌鸦，我还是可以问你，你怎么知道宋朝的乌鸦也都是黑的？你怎么知道以后不会有白乌鸦？这就是无法完全证实，你是不是想说，这tmd完全就是在抬杠嘛，有这个必要吗？有，这不是抬杠，这叫科学精神。但如果你抓到一只白色的乌鸦，就证明这句话是错的，这就是可证伪性。另外，科学理论还应该可以做出预言，比如有人说他抓住了一只乌鸦，你都不用看就知道，乌鸦应该是黑色的。

也就是说，只有满足了“预言”和“证伪”这两个条件，我们才能为其冠以科学之名。反过来说，如果你提出的一个理论并且做出的预言是永远不可能被实验推翻的，那么就不能称之为科学理论。

（二）奥卡姆剃刀原理

很多人多多少少可能听过这个原理，是什么意思呢？原文比较文绉绉，是这样说的：“如无必要，勿增实体”。想解释一个现象，假设最少的解释往往最接近真相。比如咱们都听过的《皇帝的新装》这个童话，除了那个说真话的小孩，其他人可能都做了这么几个假设：假设皇帝穿了一件漂亮的衣服，假设只有聪明人才能看到，假设我比较蠢，所以看不到那件衣服。这是三个假设。但那个孩子呢，他的假设只有一个，就是：皇帝根本没穿衣服，所以我看不到。这就是最接近真相的解释。

奥卡姆剃刀原理还说明了另外一个道理：如果有某个条件是不能被我们感知和检测到的，那么和没有这个条件根本就是等价的。比如说，天上发生闪电的时候，某大师告诉我们，这是我发功召唤来的一条天龙正在吐火，但是这条天龙你们凡人是永远不可能看见的，也永远别想用任何科学手段检测到，只有我能看见。根据奥卡姆剃刀原理，某大师的说法和没有这条龙的存在是等价的。换句话说，我们应当把所有一切不能被我们所感知和检测的条件都毫不留情地像剃刀刮肉一样从我们的理论中刮去，毫不犹豫。奥卡姆剃刀原理，就是爱因斯坦说的“上帝喜欢简单”。

结合波普尔的证伪说以及奥卡姆剃刀原理，霍金在《大设计》里就提出了基于模型的实在论，人类对世界的一切认知，都是建立在模型上的，也就是说，不存在一个绝对正确客观的世界，而可以有更好更恰当的模型，我们纠结这个模型是否是绝对真理是没有意义的，而只要它能够做出更好的解释就可以了，一个好的理论模型所要具备的条件是：

1.它是优雅的，（是否可以被严格的数学表达）

2.它包含很少任意或者可调整的元素，（奥卡姆剃刀）

3.它和全部已有的观测一致并能解释之，（逻辑自恰并符合实践，）

4. 它对将来的观测做详细的预言，如果这些预言不成立，观测就能证伪这个模型。（波普尔证伪说）

（三）思维实验——在大脑中运行的实验

在物理学的发展史上，有一种特殊的实验起到了至关重要的作用，这就是“思维实验”，也就是不需要任何实验设备，只需要在头脑中想象一个实验就行。这听上去很违反常识，怎么只靠想就能做实验呢？这还真不是骗人的，相对论的最终建立，思维实验起到的作用可以说是居功至伟。它的好处是当一些真实情况由于技术缺陷而无法做到时，我们可以在脑子里做，甚至于很多被推翻的理论，仅仅只是通过思维实验就可以做到，但思维实验不是天马行空和胡思乱想，它是需要建立在经验与逻辑之上的。比如伽利略推翻亚里士多德的两个铁球问题，就是通过逻辑推导就已经证明了亚里士多德的说法是自相矛盾的。

（四）佯谬——乍一看肯定是不对的，但没想到却是真的。

在物理学中，有一个很拗口的术语，叫“佯谬”。什么意思呢？就是反直觉，乍一听肯定是错误的，但是没想到却是正确的。在相对论的发现过程中，人们发现了非常多的佯谬，也就是反直觉、彻底颠覆我们三观的现象，这个世界的奇妙往往远大于你的想象，还有无数更加不可思议的佯谬在前面等着我们。

以上是四个认识科学的基本概念，搞清楚这四个基本概念之后，下面我们开始进入物理学的世界，在讲相对论之前，我们先要了解伽利略和牛顿所建立的绝对时空观，因为相对论既建立于其上，又是对其的颠覆。

三、绝对时空观

别说爱因斯坦那个时代，甚至在现在，毫不夸张地说，绝大多数人的世界观是停留在三四百年前的伽利略和牛顿时代的，你还真别不信，我下面简单说一说。

时间是什么？时间虽然看不见摸不着，难以准确定义，但牛顿说，时间是它自个儿的事，它真实存在但又与外在的一切事务都无关，它绝对地、均匀地流逝，不与任何性质相关，任何力量都无法改变它绝对不变的频率。这就是牛顿经典物理中的绝对时空观。时间对于世间万物都是公平的，上帝他老人家就既像一个慷慨的施主又像是一个超级吝啬鬼，不论你是国王还是乞丐，他从不多给一点也不少给一点。在爱因斯坦成名之前，人人都认为这个绝对时空观是天经地义的常识，难道还会有什么错吗？先不急，我们一点一点地推进。

1.伽利略相对性原理：在任何惯性系中，力学规律保持不变。

什么是力学规律？比如我们中学学过的自由落体定律和惯性定律。

自由落体定律：如果不考虑空气阻力的话，那么任何物体的下落速度都是一样的，且都是呈一个固定的加速度（这个加速度上过中学的人都知道，就是g≈9.8米/秒2）。

惯性定律：伽利略是通过U形管思维实验（具体实验不提，可自行查阅）发现，在一个完美光滑的表面运动的物体，会保持这个运动的“惯性”，除非有外力阻止这个惯性。其实就是牛顿第一定律（任何一个物体在不受外力或受平衡力的作用时，总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。原来静止的物体具有保持静止的性质，原来运动的物体具有保持运动的性质，因此我们将物体具有保持运动状态不变的性质称为惯性。一切物体都具有惯性，惯性是物体的物理属性。）其实伽利略在牛顿之前已经发现，但在伽利略这里，表述得还不够完整，因此这个定律的发现权归牛顿所有。

什么是惯性系？就是静止或匀速直线运动的系统。

那伽利略相对性原理又是什么意思？这也得益于伽利略的思维实验，我们可以想象，你在一艘船上，如果你不往窗外看的话，那么这艘船是静止的还是匀速直线运动中的，你在这艘船里面，是完全感觉不出来的。那也就是说，在一艘静止或是匀速直线运动的船上，力学定律都是不变的，你做什么实验，看见任何物体的运动规律和状态，都是一样的。

2.伽利略变换式

一道初中数学应用题：小明和小红各自代表一个坐标系的坐标原点，且初始位置相同，有一只大懒猫在小明的坐标系中的坐标x处睡大觉，此时小红以速度v沿着X轴方向做匀速直线运动，t时间以后，设大懒猫在小红的坐标系中的坐标为x＇（注意这个是x一撇），求x和x之间的关系式以及小明的时间t和小红的时间t＇之间的关系式。

经过计算，得出x= x＇+vt，t= t＇。所有的力学实验无非就是测量各种各样的坐标和时间的数据，然后从这些杂乱的数据中寻找普遍规律，从而总结出力学定律。那么在不同坐标系之间做的力学实验，如何变换啊？很简单，只要知道二者之间的相对速度，然后通过伽利略变换，就可以把坐标转换，而无论如何变换坐标，本质上相互之间的关系，即规律是不变，那么，伽利略变化式最伟大的意义就是，通过纯数学方法，证明了由思维实验得出的伽利略相对性原理。

3.牛顿的绝对运动观

前面我们说的是坐标之间的转换，那么基于伽利略变换式的基础上，不同参考系下，物体的速度之间的关系是什么？是否可以相互转换？答案是，可以。

前面提过伽利略变换：x= x＇+vt，t= t＇，设x坐标的速度为w，x＇坐标速度为u，那么x=wt，x＇= u t＇，则伽利略变换可以变为wt=u t＇+vt，t= t＇，两边消掉t和t＇，得出w=u+v（注意速度是一个矢量，需要根据方向决定加或减），也就是我们中学物理上得出的相对速度公式。举个例子：你在船上，我在岸上，船相对岸的速度为10米/秒，你在船上与船同方向奔跑，相对船的速度为2米/秒，请问你在我眼里速度是多少？很简单也很直观，就是12米/秒，你觉得简单，那是因为你的观念已经形成，而记住了就是这个道理，但是为什么？那么原因就在相对速度公式这里。

4.牛顿的绝对空间观

前面我们注意到了一个问题，参考系取决于观察者，那么牛顿要问，空间本身，可不可以也是一个参考系呢？他提出：“请你们想象一下，宇宙中充满了空间，宇宙延伸到哪里，空间就延伸到哪里。这个巨大的空间本身代表的就是宇宙的母体，处处均匀，永不移动，所有的东西，天上的星星，地上的蝼蚁，我们所居住的地球都在这个空间中运动。如果把空间本身看作是一个参考系，这个参考系就是一个‘绝对空间’，所有物体在这个参考系中的运动速度就是一种‘绝对速度’，它们就可以比较快慢了，我们会发现，原来地球的绝对运行速度比太阳的绝对速度要快。”

你别说，这还不是随便想想的，为了证明这个想法，牛顿设计了一个著名的思维实验，那就是他的“水桶实验”，大概意思就是，一桶水，旋转起来后里面的水也会跟着桶一起旋转，对于桶外的我们，就会看见水和桶一起在旋转，而且水的中心向下凹陷，那么如果你在桶壁上，你看见的水是静止的，但是，水的中心却也是凹陷下去。于是，牛顿得出了结论，宇宙之中，存在着静止不动的绝对空间，水的旋转，就是相对于这个绝对空间做了旋转，否则无法解释水的中心凹陷下去这个事实。

但其实水的凹陷的本质并不是因为存在绝对空间，而是因为外沿的水分子受到桶壁所给予的向心力而发生挤压，正常来讲，是会向上或下两个方向飞走，但因桶有底，它下不去，只能往上走，直到向上的力与地球引力相当，它才维持在一个高度，那么相对而言，水的中心就呈现了凹陷。但因为老牛实在太牛，几乎没有人要想到去质疑他，因此直到爱因斯坦，人们都一直秉持着绝对时空观（其实现在绝大多数大众也还是这个概念）。

由此，前面讲过，在牛顿看来，时间与我们无关，它是上帝定下来的均匀变化不随任何人或事改变的东西，而空间，则是一个固定不变的看不见摸不着的一个空框，无边无际。

空间我们先不谈，先简单谈谈时间，我们注意到了绝对时空观的一个大前提，就是伽利略变换里面的t= t＇，也就是说，不管你在何时何地，时间都是一个常量，而我们都知道，物体的速度、时间和距离之间的关系是s=vt，这三者之间，只有时间t，不管在任何参照系都是相同的，所以我们的观念就是，你的速度快，意味着经过的距离长，反之经过了短距离，意味着你的速度变慢了，我为什么讲这么多废话？因为这牵扯到相对论的核心观念，后面会详述，这里简单说一下，当光速是常量作为前提之时，由于s=ct，而在不同的参考系中距离如何变化，c都不变，那这个公式岂不是出了问题？no，没有问题，你感觉有问题，对不起，是因为你的观念，还在绝对时空观里，因为你天然觉得时间t，不可能改变，但爱因斯坦告诉你，同学， t为常量为前提，只是伽利略和牛顿这两个老头告诉你的固有观念，当然它在低速宏观视野里，也确实符合你的常识，但如果你不那么执着的话，换一个角度，接受光的速度不变这个事实，它成为常量，那么时间不是一成不变的了，就可以成为变量。怎么样？有没有感觉背脊发凉？有一种颠覆三观的感觉？用作者的话说就是，爱因斯坦用这把小小的木剑，一下子把伽利略变换这把倚天宝剑生生斩成了两截。

三、光

非常抱歉，前面说了这么多，还是没有开始讲相对论，但在这之前对伽利略和牛顿的绝对时空观有一个全面的了解，还是很有必要的，从现在开始，正式进入相对论的世界。我们来先聊一聊，光。

你一定又感觉到很奇怪了，光为什么那么重要？它和时间、空间、运动有什么关系？为什么不是别的东西？而一定是光？注意了，不因为别的，只因为光，是我们人类，赖于认识世界最重要（没有之一）的工具，没有光，世界将一片黑暗，或者反过来讲，一个没有眼睛的物种，世界对于它而言，是没有概念的，它没有什么时间、空间、运动的概念，你会质疑，不对啊，瞎子也不至于如此，那是因为，他可以获得那些不瞎的其他人类的知识，而如果人类一开始就是瞎的，可能能够生存，但一定不可能是今天这个状态。（接二）