冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

從前有一位長著好看白頭髮的博士。他想出了很多重要的點子,所以很有名。他的好看白頭髮是在他想出來那些東西之後才長的;但是到了所有人都發現他的點子有多好的時候,他已經有白頭髮了,因此所有人想到他時都是這個樣子。

他非常會想好點子,以至於我們會用他的名字來形容“會想的人”。

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

他的兩個最重要的點子,說的是空間和時間是怎麼回事。

現在你正在看的這篇文,只用人們最常用的一千個詞來說這兩個點子。第一個點子是博士在辦公室幹活的時候想的;十年後當他在學校幹活時,又想出了第二個點子。

今年,這第二個點子出來剛好一百年(當然,他也有很多其他同樣重要的點子。人們花了許多的時間要搞明白他怎麼這麼會想)。

第一個點子叫做小點子,因為它說空間和時間的幾個小部分。第二個叫大點子,說了小點子沒說到的東西。大點子要比小點子難很多。數字好的人很容易用小點子回答問題,但要用大點子做些什麼,你得數字非常非常好。先看小點子能讓看懂大點子更容易。

小點子

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

人們很早就知道,要說一個東西走得有多快,先要說它走過了啥。現在,你可能沒有在地上動,但你和地面都在圍著太陽非常快地動。如果你說地面不動,那你也沒動;如果你說太陽不動,那你就在動。這兩句話都對,就看你說是誰沒在動。

有人以為這個說“動”的點子就是空間博士的大點子。不是的。在他之前,這點子就有好幾百年了。他想出這個大點子是因為,那個老的點子有個問題。

問題就是光。在他之前幾十年,有人用數字講明白了光的波和電的波是怎麼在空間裡動的。所有人用所有能想到的辦法檢查這些數字,看起來是對的。

但是有個壞事兒:數字說,波在空間中每秒只走一定的距離。(大概是繞地球七圈。)數字不說誰沒在動,只是說每秒走這麼遠。

人們花了好些時間才發現這問題有多大。數字說,每個人都會看到光每秒走同樣多的路,但如果你朝和光一樣的方向,走得非常快,會怎樣?如果有人開著非常快的車和光一起走,他們該看到光很慢地走過去吧?

數字說,不會——他們會看到光飛快地走過去,就像他們自己沒動的時候一樣。

人們越想這個事情,越覺得數字哪兒不對。但每次他們在真實世界裡看光波,都和數字說的一樣。數字說,不管你動得多快,光經過你時每秒都只走一定的距離。

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

想出回答的,正是空間博士。他說,如果我們關於光的點子是對的,那我們關於距離和時間的點子就肯定不對。他說,對不同的人,時間也是不一樣的。當你跑得很快時,博士說,你周圍的世界就改變了形狀,同時外面的時間也會過得更慢。

博士提出了一些數字,時間和空間一定要按照這些數字發生改變,才能讓光的數字不出錯。有了他的點子,每個人都會看到光在每一秒鐘內跑過正確的距離。這就是我們說的博士的小點子。

這個小點子看起來非常非常奇怪,要花很多工夫才能搞明白。以前有很多人以為它是錯的,就因為它太怪——結果發現它還真是對的。我們知道,因為我們試過很多次了。如果你走得非常快,時間就會走慢一點。

如果你開著車,你就會看到車外的表變慢了;但它們只會慢一點點,所以通常你都注意不到。必須動用世界上最好的鐘表,才能看到它在變。但它真的在變。

大點子:時間

在博士想出他的小點子後,他就開始想重量的問題。有重量的東西就會相互拉扯。地球把所有東西都向下拉到自己的表面上,所以你沒辦法一跳跳進太空裡。

地球還用這種拉力拉著月亮,讓它能一直留在我們邊上,而太陽也同樣拉著地球不放。就連光也同樣會被重東西的拉力拉住(人們在一段時間內都不太確定這件事,因為光實在跑得太快,所以它只會被拉住一點點,非常不明顯)。

非常小心的人可能會發現,這就給我們帶來了新的問題:光怎麼能轉彎?那些說光怎麼跑的數字,同時還也說了光只會沿著直線跑。它不能在真空中換方向。光的數字就是這麼說的;也正是同樣的數字在說,光每秒鐘只能跑同樣距離。

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

如果光被往下拉,它必須轉彎朝下,因為不能橫著走嘛。要向下,光波下面的部分就得比上面的部分走得慢,因為在相同的時間內,下面要比上面走過的距離短。

但這不可能對,因為數字說過,光不可能走的更快或者更慢。於是我們又遇到了麻煩。而這次,又是博士想出了回答。

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

博士發現,要講明白重量是怎麼拉扯像光這樣的東西,我們就又得去改時間。他說,如果在接近很重的東西時,時間它自己就走的更慢,那麼離重東西近的光就不會在每秒之內跑相同的距離了。這就會讓光朝著重東西的方向掉頭。

所以博士的想法是:重量拖慢了時間,這就是光可以彎曲的原因。但要想知道光到底彎曲了多少,我們就得來看看大點子的另一個方面。要說這個方面,我們得先忘記光,去另一個世界轉轉。

大點子:空間

在接近太陽的地方有個小世界。沒人去過那裡。我們往那裡送過很多空間船去看它,但沒有一個降落了。這個小世界繞太陽轉,是沿著一條拉長的圓,就像圖裡這樣(這圖中,為了看起來容易,我把它拉得更長了):

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

如果東西繞太陽掉下去,它們本來應該轉一圈回到開始的地方,像這樣:

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

它們同時也在被其他小世界拉著,但為了簡單,我們先不管那些

問題是,這個離太陽最近的世界就不是這樣。當它繞著太陽轉時,它繞過一圈後會回到比開始的地方更靠前一點的地方,像這樣:

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

也是空間博士想明白了事情為什麼會變成這樣:重量改變了距離,就好像它改變了時間一樣。

繞著一個圓轉一圈的長度,是直接穿過去的長度的三倍多一點。這個數字——三倍多一點——對所有的圓都一樣。

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

至少,它通常都是一樣的。但是空間博士說,重東西會像改變時間一樣,改變空間的形狀。

就是因為這一點,圓變得不一樣了。如果你在一個重東西的邊上畫個圓,他說,繞一圈的長度會比平時的長度——直接穿過去長度的三倍多一點——要短一點。太陽周圍的距離比它應該有的更短一點,所以小世界繞它轉就會比我們以為的要更快一點。

當人們去看博士拿出來的數字的時候(就是關於重量要怎麼改變空間形狀的數字),他們發現這些數字解釋了這個小世界的奇怪路線,而別的辦法都不行。這些數字還說,太陽可以讓路過的光彎曲多少——差不多是其他人以為的兩倍。

當所有人都發現到博士的大點子在這方面多麼好用時,就非常激動。大家開始把博士的臉印在紙的外面,所有人都知道了博士的名字。

一百年後的大點子

過去的一百年裡,人們用了很多方法看博士的點子,總能發現他是對的。其實,我們的手機每天都在用博士的點子——包括小點子和大點子——來弄明白我們在哪。

當手機要知道它正在世界的哪裡時,它就會和一群繞著地球飛的空間船說話。它會看一下,花了多長時間才收到從各個空間船上發出的電波,並用這個來弄明白它和每個空間船之間相距多遠。

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

為此,空間船上要有非常好的表。因為船很快,博士的小點子說,船上的表就會比地面上的慢一點點。又因為船離地很遠,博士的大點子說,船上的表又會比地面上的快一點點。

要知道空間船上的時間到底是多少,人們就得把表改動一點點,這樣才能同時顧上小點子和大點子。如果博士的點子錯了,那手機就不知道自己在哪裡了。

就算你數字非常好,大點子也很難用。大點子說的是時間和空間的改變,這些改變在日常生活中看不到,所以我們的腦子從來都沒學會這麼想東西。空間博士自己都沒有完成所有工作。

他從一些比他更會用數字的朋友那裡得到了幫助,比如一個提了好多問題的男人1,和一個總是邊走邊說話的女人2。

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論

為了讓這些點子更簡單,人們常常會讓你去想象一些更常見的東西,比如一張又大又平的床單,上面放了重東西。這樣想出來的圖畫很好,但有時它們會讓你想到新的問題,而當你想用這些圖畫回答新問題時,得到的許多回答卻不能都是對的。

如果你得到許多回答,但它們卻不能都對,你可能會覺得自己不是很會想事情。或者,如果你是那種覺得自己很會想事情的人,你可能會覺得空間博士的數字肯定錯了。但一般來說,這並不是你或者數字的錯——相反,這其實是那些圖畫在小地方上出了錯。

我們需要人們不斷提問,因為博士的大點子真的有一點麻煩。我們拿給大點子的幾乎每一個問題,大點子的數字都能給出對的回答,但是如果我們用它來想一些非常小又非常重的東西——

比如一個正在死掉的星星,自己落在了自己裡面——這時大點子給我們的回答,就和我們已經知道的其他事情不能都是對的。我們還在尋找更好的點子,能夠同時講明白這些事情。某一天,一個好的問題可能會幫我們找到它。

冷知識:只用最常見的詞,來講相對論


分享到:


相關文章: