爱因斯坦在他与别人合著的科普名作《物理学的进化》一书中写下了这么一段话:物理概念是人类心智的自由创造,尽管它们看上去是由外在世界单独决定的,但实际上不是。

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这本科普名作首次出版是在20世纪上半叶的1938年。但相对而言,这本科普书无论多么著名,它的知名度是远远不能与爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论相提并论的。在这之前的1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,再往前的1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,正是因为这两个相对论导致爱因斯坦的名声享誉全球,科学界也将这两个年份公认为是爱因斯坦的“奇迹年”。

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不得不说的是,那时的爱因斯坦虽然已被认定为是全球顶尖的物理学家,无人可与之比肩,但并不意味着他的理论就完全让人信服,尤其是1905年正式面世的狭义相对论,在科学家中间引发了激烈的争论,争论的焦点主要集中在对时空性质的认定。1713年,牛顿在《自然哲学的数学原理》第二版中提出,时间和空间是绝对的、客观的衡量标准;而爱因斯坦在1905年的狭义相对论中则提出,时间和空间是相对于观察者而言的。

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时空的真实性质到底是什么?自狭义相对论面世一个多世纪以来,这个问题一直是科学家和哲学家争论的主题。说到底,这种争论其实就是关于时空性质的相对主义与绝对主义的斗争。牛顿说空间和时间是绝对的,绝对空间的本性与任何外在事物无关,它总是相似的、不可移动的;时间是一种客观而固定的衡量标准,尽管人们能感到时光飞逝或者度日如年,但那只是一种主观体验,与时间稳定的前行节奏无关。

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牛顿的绝对时空观统治了物理学几百年,在爱因斯坦之前几乎所有科学家都信奉牛顿的观点,这主要是因为牛顿的运动和引力理论确实相当精确有效,很少有人具备资格和勇气反驳牛顿的观点。当然,在牛顿之前,伽利略就曾提出,运动是依赖于观察者的,而与牛顿同时代的德国哲学家莱布尼茨也一直反对牛顿的绝对主义。但是,这两个极少数反对者的观点并没有让后人深思,更没有人对牛顿提出挑战,直到爱因斯坦的出现。

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爱因斯坦的狭义相对论认为,不仅空间是相对的,时间也是相对的,而光速却又是恒定的,这个结论似乎违反了人类的直觉,让人们感到无比困惑。当你的运动速度接近光速时,相对于低速状态的人,你会经历明显的时间膨胀效应,即时间变得更慢了。所以,当你的速度越来越接近光速,由于光速是恒定的,那么必定会有其他事物发生变化,而相对于你,变化的事物正是时间和空间。另外,根据E=mc^2,能量和质量是可以相互转换的,运动速度越快需要的能量就越大,而你的质量也越大,当你接近光速时,你的质量会达到无穷大,而质量无穷大的事物就很难再提速了,所以光速永远是可望而不可及的。

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这一切似乎都很难理解。然而,有一个著名的悖论可以阐明这个问题,即“双胞胎悖论”:双胞胎中的一个人坐着火箭高速离开地球,而另一个留在地球上,当高速离开地球的那一个回到地球时,他的年龄要比留在地球上的更小,这是因为时间是相对于运动速度而言的,运动速度越快则时间过得越慢。尽管在日常情况下这种效应很难察觉,但当运动速度越来越接近光速时,这种效应就会越明显。