《时间的形状》读书笔记

update:3/24/2014

题图:好身材!

最近看了《时间的形状–相对论史话》,确实很过瘾,很久没有这种被书中的内容揪着一直看下去的感觉了。从小到大就对于自然科学很感兴趣,但是可能是由于智商的原因吧,应该属于并长期属于需要被科普的对像。小的时候就对于 儒勒·凡尔纳 的作品非常着迷,像《神秘岛》,我记得好几个暑假是翻来覆去看过好多遍,不信?— 我知道硝化甘油是个很厉害的玩意,还有把鲸须掰弯用冰冻住涂抹脂肪做铺兽诱饵。

几年前拜读了大名鼎鼎的《三体》系列,随后又看了《上帝掷骰子吗?—量子物理史话》,让我对自然科学的兴趣又浓厚了起来。看完量子物理史话,并不敢说对量子物理有了什么样的了解,但是给我的感觉就好象上帝的源代码被我看见了一样,在书中的内容带领下仿佛触摸到了这个世界上最神秘的地方。好奇心就来自偷窥欲的本能?

一口气看完了《时间的形状》后,从书中的世界走出来,世界在我眼中依旧还是那样,至于什么….那些个公式和定理似乎也想不起来了。确实对于我们普通人来说这些知识毫无用武之地,而且就算我们知道有这么个玩意,至于它们为什么是这样你也还是摸不着头脑。所以我更看中其中的逻辑思考、思维方式,这些可以提高我们的科学素养,还可以让用不同的角度来看待这个世界。

波普尔的证伪说—科学与伪科学

所有的物理规律(或者说科学定律)都是永远无法被证实的,通俗来讲就是科学规律永远不可能用摆事实讲道理的方式来给你证明,尤其是证明给那些伪哲学家们。比如我说我发现了一个科学规律:天下乌鸦都是黑的。那我怎么证明这个规律呢?我只能到全世界去抓乌鸦的样本,每抓到一只都发现是黑的,但是你质疑我说:“不,你又没有把地球上所有的乌鸦抓来给我看,你怎么知道地球上没有白色的乌鸦呢?就算你把乌鸦都抓来了,你怎么知道宋朝的乌鸦也都是黑的呢?总之你说什么我都不相信”。确实,我没有办法证实我做出的规律是对的,但是我可以保证,你在地球上的某个地方任何时间抓到的乌鸦都是黑的。你每抓到一只黑色的乌鸦就使我的这个“黑乌鸦”理论增加了一分可信度,直到你抓到一只白色的乌鸦,我的理论自然而然的就被推翻了。

科学理论之所以称之为科学,有一个很重要的标准就是可以被证伪,也就是说这个科学理论做出的判断是有办法通过反例来推翻的。举个例子,有人说世界上有一种屁是香的。于是我去全世界到处去闻屁的味道,可是当我闻了很多的屁之后却从来没有闻到过香的,我疑惑了,可是我还是没有办法去推翻他的“有一种屁是香的”理论,因为他说:当你在美国纽约中央公园寻找香屁的时候,我在天朝帝都宇宙中心五道口的地铁站里闻到了香屁。我顿时无语了,我的屁都白闻了吗?转过头来想想,你那伟大的理论不能做出一个准确的预测:在何年何月何时何地何人会放出一个香屁来。因此,当一个理论只能“证实”而无法“证伪”时,我们还不能承认它是科学的,只能当作一种“见解”来对待。

奥卡姆剃刀原理—科学需要什么样的假设

“Entities should not be multiplied unnecessarily”—–如无必要,吾增实体

“在我的车库里有一条喷火的龙!”他这样声称。
“太稀罕了!”他的朋友连忙跑到车库中,但是没有看见龙。“龙在哪里?” “哦,我忘了说,这是条隐形的龙。”
朋友有些狐疑,他还想了些奇怪的办法想让龙现身。我们可以撒一些粉末在地上,看看龙的爪印是不是会出现。但是他声称,这条龙是飘在空中的。 “既然这条龙会喷火,那我们用红外线检测仪做一下热扫描?”
“也不行”,他说,“隐形的火也没有温度。”
“要么对这条龙喷漆让它现行?” “这条龙是非物质的,滑不溜鳅,油漆无处可粘。” 反正我找不到一条方法可以检查到这条龙的存在。那么,这样一条看不见摸不着,没有实体,飘在空中喷着没有温度的火的龙,一条任何仪器都无法探测的龙,和“根本就没有龙”之间又有什么不同呢?

我们观察不到那就是不存在,是不是有些唯心主义呢?

奥卡姆剃刀原理是说,当两种说法都能解释相同的事实时,应该相信假设少的那一个。比如,地球“本来”是方的,但是“观察时显现出圆形”,这和地球“本就是圆的”说明的是同一件事。但前者引入了一个莫名其妙的的不必要的假设,所以前者是胡说。

你也许对这种实证主义感到反感,反驳说:“一片无人观察的荒漠,难道就不存在么?”可是“无人的荒漠”并不是原则上不可观察的。

说到唯心,就不能不提人择原理。

人择原理

“宇宙,或者我们的太阳系为什么会是这个样子?”—-这是个问题?

如果我们用人择原理来解释,就是说我们存在的这个事实本身,决定了宇宙的某些性质为什么是这样的而不是那样的,如果宇宙不是这样的,就不会有我们站在这提出这样的问题。也就是说,我们讨论所有的问题的前提是:事实上已经存在了一些像我们这样的智能生物来讨论这些问题,如果宇宙不是这个样子,就不会有像我们这样的智能生物来提出这样的问题,不管什么问题,你首先要保证有一个“人”来提出这个问题,不然就没有任何意义了,“我思故我在”??太唯心了!,我个人觉得这样解释是很不负责的,给人的感觉是在玩一个逻辑游戏。

我们来看看这样一个神奇的规律:如果你是男的。那么你爸爸有个儿子、你爷爷也有个儿子、你曾祖父还是有个儿子……一直上溯到任意n代祖先,不管历史上冰川严寒、洪水猛兽、兵荒马乱、饥饿贫瘠,他们不但都能存活,而且子嗣不断,始终有儿子,这可是一个非常小的概率(如果你是女性,可以往娘家那条路上推)。你是不是对上面的判断的惊呆了?

我觉得用已经有的事实来推理缘由是不负责任的,我们对这个世界的认知也还是以时间线性发展不可逆转为基础的,毕竟在我们人类可以感受到尺度下这个世界还是是符合因果律的。

我们来看看相对论,先看看什么是物理学。

下面引用维基百科上的解释

首先它是一门自然科学, 注重于研究物质、能量、空间、时间,尤其是它们各自的性质与彼此之间的相互关系。物理学是关于大自然规律的知识。

物理学是自然科学中最基础的学科之一。经过严谨思考论证,物理学者会提出表述大自然现象与规律的假说。倘若这假说能够通过大量严格的实验检验,则可以被归类为物理定律。但正如很多其他自然科学理论一样,这些定律不能被证明,其正确性只能靠着反复的实验来检验。

可以说物理学就是研究世间万物以及他们的组成和之间的关系的学问,是自然科学的根本、基础。(数学不是自然科学哟!)

相对论是什么,相对论是研究时间、空间、运动这三者关系的理论体系的总称。其实相对论的一些基本原理和概念对于我们现代人来说,一点也不高深,不神秘,也不难理解。我们都知道做自由落体运动的物体和物体的质量无关,只和重力加速度G有关,这个现在随便抓一个天朝中学生都知道的东西,可500年前没人知道(直到这个观点被伽利略提出,就是那个传说中在比萨斜塔上进行的实验)。所处在这个信息时代的我们完全有必要去了解这个100年前诞生对我们现代社会和人类发展带来巨大变化的理论。

看完了这本书你可能对相对论其中的某些观点有所了解,能够想象出相关的概念,跟着书中内容做点思想实验。至于这玩意是怎么来的,推理的过程,我想你还是要拿起笔和纸,推理点数学公式才可以。

我也先就捡我还记得住能够理解的记录一下。

相对论相关概念

相对论是关于时空和引力的理论,依其研究对象的不同可分为狭义相对论和广义相对论。

  • 狭义相对论的两个基本公设:

    1. 在任何惯性系中,所有的物理规律保持不变。
    2. 对任何参考系来说,在真空中光的速度都是一个常数C。
  • 广义相对论的等效原理:

    引力和加速度是等效的。

    加速度就是引力,引力就是加速度,他们在物理性质上是完全等价的。对于任何参考系来说,我们都可以把它分解为一个在引力场中的惯性系来考虑。这样一来,所有的参考系就平等了,参考系与参考系之间就没有任何区别。

  • 信息和能量的传递速度不会超过光速。

    爱因斯坦说的没有物体的运动速度能够超过光速,准确地说,是没有能量和信息的传递能超过光速,如果失去了这个前提,那么超光速得到“东西”可就多了。最简单的是,你找一个晴朗的夏夜,站在满天繁星下面,来个360度大旋转,乖乖不得了了,整个宇宙都在你的眼中转了一圈,这宇宙转动的速度何止光速,简直是神速。你可以认为这个神速是超光速运动,但是并不违背相对论,因为没有实际的信息和能量在这个运动中传递。

  • “时空”的概念

    我们再也不能只谈空间而不谈时间,或者只谈时间不谈空间。

    爱因斯坦指出时间和空间不仅不能独立于宇宙,而且不能互相独立,引力不可能只使空间弯曲而时间却安然无恙。我想你可以想象出来空间,也可以想象出时间,但是你却无法想象出时空的模样。这个宇宙中任何物体的运动速度其实都是光速C,只不过这个速度不是在三维空间中的速度,而是在“时空”中的速度,除了空间的三个维度以外,我们在增加一个时间维度,多了个时间维度,空间就不再是空间,时间就不再是时间,而是纠缠在一起成了时空,时空就是一个整体,我们每个人都生活在这个四维空间中,我们在时空中的速度都是光速C,你可以想象一下你距离上一秒的你有30万公里。物体在空间中的运动速度会分走在时间中的速度,空间中运动得越快,在时间中就越慢,时间空间上一个密不可分的整体。

    我们都是生活在低速世界中的生物,我们在空间的三个维度中能达到的速度和光速相比实在小的可怜,这才会让我们产生时间和空间这两个完全不同的概念。

    (疑问)可是为什么时间的那个维度只能朝一个方向运动,而其他的三个维度可以朝正反两个方向运动?从这个角度看,这样的解释不够美,不够简单。simple is better,less is more。

可能你最疑惑的是相对论为什么叫“相对”论呢?相对什么呢?

我们知道,当我们说物体A的运动速度是V的时候,必须先设定这个物体运动的参考系,否则就会失去物理意义。就是说当我们说物体A的速度为V的时候,其实是在说A相对于物体B的运动速度为V。当两个物体以相同的速度并在同一个方向上运动,我们就说这两个物体保持相对静止, 恩,运动和静止是相对的,那么这个相对是不是相对论的“相对”呢?不是,但我们要从这里开始说起。当我们在分析物体运动的时候参考系是非常重要的。

从这个相对速度开始说起。我站在岸上,看见一艘船在海上以速度V1向前运动,你在船上以速度V2从船尾走到船头花了时间t,求你相对于我的运动速度V

$$ v = \frac{s_{1}+s_{2}}{t} $$ $$ v = \frac{v_{1}t+v_{2}t}{t} $$ $$ v = v_{1}+v_{2} $$

我想你可能根本就不用推导就得出了结论,毕竟这是物理课上最初级的运动分析。当我们只知道一个物体X相对于他的参考系的运动速度时,我们只要知道这个参考系相对于我们的速度,我们就可以知道这个物体X相对于我们的速度。这好像没什么特别的呀!不知道你发现了没?在我们推导上面的这个结论的时候,我们只用了一个时间t,咦难道不是一个还是两个,对于在船上运动的你来说是时间t,对于运动的船来说也是时间t,对于观察者我来说也是时间t。

绝对时间!可是爱因斯坦不这么认为。

因为时间也是相对的,只有在同一个参考系中的时间才是相同的有意义的。这点和速度是一样的。

当我们在谈论一件事情的时候,首先要定义这个事情,我们来定义一下“时间”吧,怎么去定义这个词呢,你很快就会发现这个词很难定义,因为你很容易就陷入了用时间来定义时间的逻辑怪圈中。当一个事情总是以一个固定的间隔发生或者持续我们就可以利用这个事情来记时,(时间的基本国际单位是秒。我们把铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间记为一秒)比如古人是怎么做钟表的,一个钟摆摆动一个来回是固定的,但是我们很快就发现这玩意不够精确。但是我们用光子来做一个这样的钟不就精确了,因为在狭义相对论的两个基本公设中不是有一条 “对任何参考系来说,在真空中光的速度都是一个常数C” ,光速是不变的,那么光子在下图镜子间一个来回的时间是固定的,我们就以此来计时,暂时称之为“滴答”。

我们来开始我们新的分析。你拿着一个光子钟站在地上,你抬头观察一个在天上飞的宇宙飞船,这个宇宙飞船上也放着一个同样的光子钟。“滴答”一声后,当我把观察的结果画出来,你就会发现其中的蹊跷所在了,你会发现宇宙飞船上光子钟内光子运动的路径比我手上光子钟内光子运动的路径要长!根据光速恒定不变的原理,也就是说,你手上的光子中“滴答”一次的时候,飞船上的还来不及“滴答”一次呢。这就意味着,在宇宙飞船上的时间过的比你的慢!

时间真的变慢了! 那么慢了多少呢?我们继续推导,这次要用到勾股定理。

$$ (ct`)^2 + (vt)^2 = (ct)^2 $$ $$ c^2t`^2 + v^2t^2 = c^2t^2 $$ $$ c^2t`^2 = c^2t^2 - v^2t^2 $$ $$ t`^2 = t^2 - \frac{v^2}{c^2}t^2 $$ $$ t` = \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}} \cdot t $$

当你看到这个公式的时候,似乎一切都清楚了。时间膨胀现象被你发现了,时间并不是绝对的,时间是相对的。当你的速度很大的时候,你相对于参考系的时间就变慢了,当 V的速度相比较于光速很小的时候,则约等于1,这个公式就又退回了我们熟悉的伽利略变换式中的 t = t`,时间对于大家又都一样了,是不是很神奇。有了这个公式你就可以自己算一算你以0.9倍光速运动一年,你可以年轻多少天了(48天21小时37分2秒 ,才这么点?)。但是这不是时间穿梭,你自己是感受不到时间变慢的,时间在你出发的地方不紧不慢的流逝,而你只是相对于出发时那个自己你年轻了。

因为透过那些雨后留下的深渊的映照,他知道,这么久以来,他们俩人之中,时间,只在自己的身上汹涌的流逝了。

我想这就是时间的相对吧。

更多内容和疑问,我想你带着这些问题,可以在书中获得更多。光的参考系不是光源,那么是什么?

其实相对于这些高深以及高度抽象的理论和让人生畏的数学公式,更让我兴奋的是历史。物理大厦从奠基,到封顶后的晴空万里,突然飘来两朵乌云,物理大厦在狂风暴雨中轰然倒塌,却又在熊熊火焰中得到了洗礼和重生,这是是个从混乱到有序,又从有序到混乱过程,这些个世界上最聪明的头脑无不痴迷于探索上帝隐藏着最深的秘密。从哥白尼否认了人类在宇宙中的特殊地位,地球并不是宇宙的中心,而太阳也只是一颗位于银河系的普通恒星。文艺复兴以来,人类的最大的进步就是意识到自己不是宇宙中心……而量子理论被开创以来,“人是宇宙的中心”似乎又回来了。他赋予了观察者以巨大的权利,透过双缝的电子到底是通过了那一边还是都通过了,还有那又死又活的猫。“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。” 欢迎大家继续观看《上帝掷骰子吗?–量子物理史话》

真想好好回到那个时候认认真真的做那些该死的物理习题。

最后的话,如果你真的想去了解相对论,看维基百科的相关条目比看此书靠谱。

狭义相对论发现史 广义相对论入门 狭义相对论 等效原理 洛伦兹变换 相对论

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