提起相对论，很多人会摇头，因为觉得堪比天书；但其实，相对论没那么可怕，作为普通人，我们不需要弄清楚理论的细节和来龙去脉，因为这涉及高等数学的推理，但这并不妨碍作为吃瓜的我们了解、掌握它的基本原理和应用领域，就像我们不懂压燃与点燃的区别，但丝毫不影响我们开柴油车和汽油车一样，更进一步成为赛车手也不是不可能，当然，难点不在于理论，而在于你的氪金水平。

今天给大家推荐一本非常精彩的科普书《时间的形状》，副标题是《相对论史话》，这本书大约20万字，阅读起来需要一点时间。不过，我已经为大家浓缩了其精华和干货，可以先让大家一饱眼福。

相对论是做什么的？

首先，让我们管中窥豹，从相对论为我们带来了什么，以及它如何影响我们的生活说起，理论知识我们放到下一部分再聊。

我们从大师诺兰的科幻巨制《星际穿越》说起，这部电影2014年上映，豆瓣评分9.2。影片上映之后争议很大，不过如果你在观影之前已经了解了相对论的基本知识，我想你对这些争议会一笑了之。这里，我们还是先看看几条豆瓣评论好了：

从评论我们不难发现，看懂的人各种感慨和不吝褒奖，而没看懂的人有修养的一脸懵逼没修养的则恼羞成怒，所以即使不为秀（zen）优（me）越（ke）感（neng），仅为健康着想，我们了解一下相对论的基础知识，也没什么坏处。

试举一例，在影片中，库珀和布兰德他们从土星附近的虫洞穿越之后，来到了另一个星系，同时也收到了10年前那一批先行的地球飞船发射来的信号。他们此时面临一个选择，就是考虑到飞船本身的燃料和给养储备，不可能三个信号源（米勒、曼恩、爱德蒙斯）都去探测一遍。最后他们决定去米勒所在的那个星球，因为他们离米勒最近，同时那个星球上面有水和有机物，但问题是米勒的星球离卡冈图雅太近，而卡冈图雅是一个超级黑洞。米勒的星球已经是在擦着卡冈图雅的视界在运行了，所以如果登陆米勒的星球，极有可能会被卡冈图雅吸入黑洞。另外一个问题，就是由于黑洞引力的影响，米勒的星球上的时空已经被严重扭曲，时间将会比地球慢非常多（米勒的星球上一小时，相当于地球上的七年）。经历重重磨难，当库珀回到太阳系的时候，他的女儿墨菲已经垂垂老矣，而他还如星际穿越前那般年轻。我们惊叹于库珀的时间何以如此缓慢，也惊叹于片中的五维生命、超立方体、量子引力方程等等的视觉盛宴，但同时肯定也是疑惑满满。

不要着急，接下来，我就带领大家走进相对论的世界。

相对论简述

相对论里的“相对”二字，指的是时间、质量、速度、空间等这些我们司空见惯的参数，放置到整个宇宙的尺度，会因为参照系的不同而变化，是相对的。有点不好理解？没事，你先记住这一点，看完下面的解释，你就有感觉了。

相对论的基本观点：

1）光在真空中的传播速度永恒为c（约30万公里/秒），这是一个常数；

2）宇宙中任何物体的运动速度都恒定为c；

先对前两点做一个解释。首先，光速永恒为c，这是人类上百年各种科学测试验证过的，相对论也是以光速恒定为基本前提之一推演出来的。肯定有人会问，有没有超过光速运动的物体，答案是没有。为什么？一定有人会说，小明和小红的运动速度都是0.9c，一个向东，一个向西，那相对于小明，小红的速度岂不是1.8c，这不就超过光速了吗？很遗憾，你的算法不对，那是牛顿的经典物理算法，相对论里不是这样的。要理解相对论，我们必须接受一个现实，那就是，人类只是茫茫宇宙中的一种低速生物，我们习惯了地球上的运动速度，但不能认为地球上的速度就应该是宇宙万物的参照速度。

用一个公式来表示的话，刚才的场景可以替换为：w=u+v（w是合成速度，u是小明相对于地面的速度，v是小红相对于地面的速度，他俩反向而行）。而真实的公式其实应该是

。

我们可以看到，新公式里，u和v还在，但是把光速c的平方引入了公式。什么意思？我们思考一下，我们平时在地球上的运动速度相对光速来说是非常小的，那么公式中的uv除以c^2就非常小了，近似为0，所以新公式也就可以近似为（u+v）/(1+0)=u+v。看，又退回到了u+v。这说明什么？说明我们在地球上的速度合成公式，仅仅是相对论速度公式的一个特例，也说明了人类在宇宙中一点也不特殊，更不是宇宙的中心。整个宇宙都遵循

这样一个普适公式，而我们之所以认为w=u+v，只是由于我们的u和v相比c来说太小了，可以忽略不计。至于这个公式的由来，那是洛伦兹和爱因斯坦的伟大发现，史话里有详细介绍，本文不再赘述。

对于第二点，宇宙中任何物体的运动速度恒定为c。肯定有人要说，这不扯吗？我明明坐到这儿不动，速度为0，你怎么能说我在光速飞行？不，你又想当然了，还没有摆脱牛顿经典物理的思维限制。相对论是这么解释的，这个c不是三维空间里的c，而是四维时空（三维空间+一维时间，时间和空间是垂直的）里的c。在相对论里，时间和空间是一体的，相对论用的是“时空”这个词。为什么，给大家看一幅时空坐标图就好理解了。

具备中学数学基础知识的小伙伴，从上图不难看出，由于物体在时空中的速度恒定为c，所以物体在空间里的运动速度会分走物体在时间中的速度。换句话说，物体在空间维度里的运动速度越快，那么它在时间维度中就越慢；反之，时间流逝的越快。我们完整地套用一下这个结论，三维空间里的低速生物（比如地球上的人类），相对于别的高速生物（比如某外星高级生物或者《星际穿越》里已经进化为五维时空生物的未来人类）而言，它们的时间流逝是要快的多的。

更进一步，我们来思考光本身。由于光速在任何条件下恒定为c，也就是说，当空间维度里光的速度已经是c的时候，那意味着时间维度的数字是0，即时间停止了。所以，对光来说，时间是没有意义的。时间没有意义？你肯定又犯嘀咕了，没事，多犯几次就习惯了。以后有机会我们聊量子理论的时候，光还要出场的，而且是绝对的C位。

最后我们从数学的角度来了解时间的相对性，公式是

，这个公式依然是洛伦兹和爱因斯坦这两个大神的杰作，洛伦兹还要早一点，其中

，可以标记为γ（读作伽马），于是，公式可以简写为

，这个γ就是大名鼎鼎的“相对论因子”。跟前面的解释一样，在这个公式里，当速度v远小于光速c时，γ约等于1，则公式就退回到了低速世界，即时间不受速度影响。但是，如果物体的速度v接近光速比如达到0.9c时，γ约等于2.3，这意味着如果物体上的计时器显示过了1分钟，则地面上的计时器会显示过了2.3分钟。如果物体的运动速度达到了光速，那么γ的分母就变成了0，1除以0，答案是无穷大。可以这样理解，随着物体运动速度逐渐增大，时间会变的越来越慢，达到光速的时候，时间就停止了。需要说明的是，这一节里物体的运动速度都是指三维空间里的速度，因为前一节我们已经讨论过在时空里，任何物体的合成速度都恒定为c。

说到这里，有人肯定会说，真是这样的话，那就太棒了，如果我能坐上一搜接近光速的宇宙飞船，比如达到0.99999c，则γ约等于224，那意味着我在飞船上待一年，地球上已经过去了2个世纪还多，如果速度进一步提升，我岂不是可以长生不老了？抱歉，我又要打脸了，一定要记住：相对的，相对的，相对的。你在飞船上感受到的一年还是一年，一分不多，一分不少，你能感知的存活年限还是100年（前提是基因编辑和组织工程没有突破的话，改天可以聊聊这个话题）。区别只在于，当你100年后回到地球的时候，走出飞船舱的那一刻，你才发现恍若隔世，因为地球上已经过去了22400年。

《星际穿越》里，库珀从超级黑洞卡冈图雅星系回到太阳系的时候，发现自己的女儿已经100多岁了，不过导致他的时间变慢的原因可不是他曾经高速飞行过（他乘坐的飞船相比光速还是太慢，从地球飞到土星都用了2年时间），而是因为引力，OK，接下来我们移步广义相对论，黑洞、虫洞、时空穿越都在那里等着我们。不过，我先补充一句，其实，不光时间可以变慢或者变快（时间膨胀），空间也是可以收缩的，方法一样，从洛伦兹的公式都能推导出来，本文不再赘述。

3）引力会导致时空弯曲，引力越强的地方，时空弯曲的越厉害，同时时间会变慢；引力场会使得光线弯曲，引力场越强，光线弯曲的越厉害。

这次我们不能像之前那样给出一个简单的公式，以方便我们来计算引力导致时间变化的程度，因为广义相对论涉及到微分方程了，这个会让大多数人头大。当然，我们无需对推理过程全部弄清楚，只要记住这个结论，并能大致想象出来引力导致时空弯曲的场景就好。

我们借助书中的四张图来了解这些知识。需要说明的是，图仅为示意，因为受引力影响而弯曲的是时空而不仅是空间，所以示意图上我们能直观看到的仅是空间的扭曲，而实际的情况是空间和时间一起被引力所扭曲。

在上图的左半部分，我们看到地球的引力使得它周围的时空发生了变形（想象宇宙就像是一张平坦的蹦床，地球的出现把床压出了一个小坑），而右半部分则展示了一个原本直线运动的物体经过地球附近时，所经历的路径也随着时空的扭曲而发生了弯曲。同理，光线经过太阳时，也会发生弯曲。爱因斯坦当年为了证明自己所提出的广义相对论是正确的，提出了著名的“星光实验”（光线会被引力所扭曲），这个实验已经于1918年被人类的实际观测所证实，具体的故事详见《时间的形状》第126页。

值得指出的一点是，《三体》迷们对书中的引力波天线非常感兴趣，那么到底什么是引力波？在刚才的蹦床比喻中，如果地球的质量发生了变化，那么地球的引力也就会跟着改变，则地球在宇宙这张蹦床上所压出的坑的大小也就会发生改变，从而导致宇宙就像水面的涟漪一样，形成了时空波澜。这个波澜的传递速度也是光速，这个波澜就叫做引力波。引力波是爱因斯坦在100年前提出广义相对论时所作出的最后一个预测。大家都知道，2016年，LIGO引力波探测器已经成功的探测到了引力波，这位早生了一百年的旷世奇才的预言最终被证实。

上图的含义，用书中的话说，就是质量越大的物体在时空中形成的洞越深，我觉得表述不够严谨，体积越小同时质量越大的物体，也就是密度越大的物体，其对时空的扭曲就越严重，所形成的洞也就会越深。这就意味着，途径太阳的光线被弯曲的程度肯定比途径的地球的光线被弯曲的程度要高。那有人就说了，会不会出现一种星体，它的密度极高，途经其附近的光线被弯曲成绕着星体转圈而无法离开，甚至更有甚者被扭曲到直接弯向星球表面飞去？答案是有的，这就是黑洞，下面的图就是示意图。

黑洞，指的是一种非常致密的天体，它的引力大到连光线都休想从里面跑出来（没跑出来之前就又被弯曲回去了）。如果没有光线照出来，没有光子撞到我们的视网膜上，则黑洞我们人眼是看不见的。黑洞一开始也确实仅仅只是作为方程的一个解而存在，仅是一个数学概念。但随着研究的深入，科学家们逐渐发现，黑洞是可以间接观测到的。比如黑洞的两极会喷发出巨大的X射线，虽然这些辐射流不是可见光，但射电望远镜是可以检测到它们的。再比如，黑洞在宇宙中运动的时候，它边上的星光都会被扭曲变形，虽然黑洞看不见，但是它的质量和引力是实实在在的，通过观测它旁边星光的扭曲可以间接验证它。影片《星际穿越》中有电脑模拟的超级黑洞卡冈图雅的镜头，感兴趣的小伙伴可以去感受一下。

可能有人会问一个问题，黑洞的视界（光能从黑洞逃逸的空间边界）里面是什么？光虽然无法从黑洞里面跑出来，但是外面的光可以被吸进去。所以，如果有人能够进入到黑洞视界里面，那么外面的人就永远也看不到他了；但是，他是可以看到外面被吸进来的光线的，所以理论上他还是能够看到外面的宇宙的。另外，在黑洞里面，时间是停止的，准确的说，时间是不存在的。时空在这个地方被打成了一个死结，就像宇宙空间中的一个天牢，无门无窗，完全封闭的，外面的人谁也看不见里面，里面的谁也别想出来。

如果说黑洞能够把周边的时空压成一个深洞，那么有没有可能凑巧出现如上图这样的两个黑洞，洞与洞相连，两个黑洞连成了一个整体。爱因斯坦和罗森研究发现，广义相对论的方程中有一个解可以从理论上允许这种情况发生，物理界的人称之为“爱因斯坦-罗森桥”，大多数情况下，人们还是愿意把它叫做虫洞，因为这个比喻更形象，更能深入人心。从示意图可以看出，虫洞最神奇的地方在于，它可以连通相隔遥远的宇宙空间，让人突然从一个地方跨越数百光年出现在另一个地方；而且，它还能连通时间，这意味着，你可以进行时间旅行，不光能从现在到未来，还可以回到过去。

不过，要让各位失望的是，两个连在一起的黑洞所形成的虫洞是只进不出的，所以穿越是不可能的，光进去了都跑不出来，何况其他物体。就算能穿越，也必须要告诉大家的是，你出来的时候，只能是辐射的形式，也就是被还原成了基本粒子。人类目前显然还不具备将基本粒子重组为人的黑科技，所以穿越这种事情暂时就不可能了。

一些题话外

至此，相对论的基本观点就介绍完了。相对论在宏观尺度上，用数学的方式，完成了对宇宙的解释。而对微观世界的数学化，就要交给量子理论了，那是一个更加光怪陆离的世界，以后有机会咱们再聊。

其实，相对论的衍生话题很多，比如平行宇宙，比如超弦理论，等等。不过这些话题科学界还在探索中，它们是这个地球上的天才们为了统一相对论和量子理论而做出的各种尝试，目前还没有定论。所以，本文的最后，我特别想表达对爱因斯坦先生的敬意。如果说量子理论是100年前，这个星球上的群星闪耀的杰作；则相对论就是爱因斯坦一个人孤独的狂欢。一个人，完成了整个理论的搭建。对于这样的天才，我说什么褒奖的话都不能充分表达我的敬佩。我一直特别喜欢相对论里的一个公式，

，如此简洁，却又无所不包，这个公式就是大家耳熟能详的质能守恒方程。质量和能量，依靠光速的平方，联系起来了。需要说明的是，爱因斯坦在量子理论的开创过程中也有贡献，爱因斯坦发现的光电效应证明了光的波粒二象性，他为此还获得了1921年的诺贝尔奖，只是后来他坚守定域性而与大玩概率分布的量子理论分道扬镳，那是后话。整体而言，爱因斯坦是截止目前，这个星球上最强大的大脑，他对于人类的贡献仅有牛顿可以匹敌。

结尾

好了，我的男神安利完了，我们收个尾。《星际穿越》里有一句话：爱是一种力量，让我们超越时空而感知他们的存在。关于爱，我在之前一篇讲癌症的文章里也提到了，爱或许也是一种能量，如同引力一样，跨越维度，影响时空。是不是到了一定的文明高度，比如万有理论统一了相对论和量子论后，哲学与科学会在宇宙的框架下统一，终极理论就是“爱”？哈哈哈，大家乐一乐就好，这一段是我胡诌的。

向大家推荐汪洁的这本《时间的形状》，放飞心灵，畅游宇宙，祝你开卷有益。