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狭义相对论，第一次真正的飞跃，修正了我们关于世界最本能的认知。

延展的现在

狭义相对论发现，在一个事件的过去与未来之间，存在一个“延展的现在”，一个既非过去亦非未来的区域。这个中间区域的时间长短，取决于相对你而言事件发生的位置。事件离你的距离越远，延展的现在持续的时间就越长。在离你几米远的地方，中间区域持续的时间只有几纳秒，约等于零。如果事件发生在火星上则会有一刻钟。

爱因斯坦领悟到的关于自然的重要事实就是，这一刻钟是无法避免的，绝对的同时性并不存在，我们无法把它消除。它被编织在时空事件的纹理中。“此时此地”是有意义的，但是把“此时”当作全宇宙共同的“此时”是没有意义的。宇宙中不存在“上”或“下”。同样，宇宙中的两个事件也不存在“之前”或“之后”。

新的力学

时间与空间联系紧密这一事实，意味着对牛顿力学的巧妙重建由爱因斯坦在 1905 年和 1906 年迅速完成。在新的力学中，“能量”与“质量”合二为一，如同时间与空间合二为一。在 1905 年以前，有两个看似确定无疑的普遍定律：质量守恒定律与能量守恒定律。第一个定律已经被化学家广泛证实了：质量在化学反应中不发生改变。第二个——能量守恒定律——直接由牛顿方程推导出来，被认为是最没有争议的定律之一。

但爱因斯坦意识到能量与质量是同一实体的两面，就如电场和磁场是同一种场的两个面向，空间和时间是同一事物即时空的两个面向。这表明，质量本身并不守恒。能量也不守恒。一种可以转化为另一种，只存在一个守恒定律，守恒的是质量与能量的总和，而非其中任意一个。爱因斯坦快速计算出了通过转化一克物质可以得到多少能量，结果就是著名的公式 E=mc2 。由于光速 c 是个非常大的数， c2 是个更大的数，因此转化一克物质得到的能量十分巨大。

广义相对论：弯曲的时空

爱因斯坦发现，牛顿的空间就是引力场，或者反过来说也一样：引力场就是空间。这是对世界的极大简化。空间不再与物质有所分别，它也是世界的一种物质组成部分，与电磁场类似。它是一种会波动起伏、弯折扭曲的真实实体。我们被容纳在一个巨大的、活动的软体动物内部（爱因斯坦的比喻）。

太阳使其周围的空间弯曲，地球并不是由于神秘超距作用的吸引才围绕太阳运动，而是在倾斜的空间中沿直线运动。就像在漏斗中转动的珠子：不存在什么由漏斗中心产生的神秘的力，是漏斗壁弯曲的特点使珠子旋转。行星环绕太阳运动、物体下落，都是因为它们周围的空间是弯曲的。更准确地说，弯曲的不是空间，而是时空——爱因斯坦证明的时空，它不是一连串的瞬间，而是一个有结构的整体。

理念就此成形，爱因斯坦剩下的问题就是要找到方程，让这个理念变得坚实。如何描述这种时空的弯曲？爱因斯坦运用了数学家黎曼关于描述三维或四维弯曲空间形状的理论，写出了一个方程，其中时空弯曲的曲率 正比于物质的能量。也就是说，有物质的地方空间弯曲得更多，这就是答案。

爱因斯坦的方程描述了星体附近空间如何弯曲，由于这种弯曲，光线会偏折。爱因斯坦预言说太阳会使其周围的光线弯曲。实验测量在 1919 年完成，光线的偏折被测出，结果与预言完全一致。

但不只空间会弯曲，时间也会。为什么呢？因为时间不是统一与静止的，它会根据离物质的远近而延伸或收缩。地球像其他物质一样，会使时空弯曲，减慢其附近的时间，虽然只有一点点，但分别住在海边和山上的双胞胎会发现，当他们再次见面时，其中一个会比另一个更老。

物质为什么有颜色

由于颜色是光的频率，光由物质以特定的频率发射。描绘特定物质频率的集合被称为这种物质的“光谱”，光谱就是不同颜色光线的集合。颜色是由发射光的电荷的振动决定，这些电荷就是原子内运动的电子。因此，通过研究光谱，我们可以搞清楚电子如何绕原子核运动。

反过来讲，通过计算环绕原子核运动的电子的频率，我们可以预言每种原子的光谱。在牛顿力学中，电子能够以任何速度环绕原子核运动，因此可以发射任何频率的光。那么为何原子发射的光不包含所有的颜色，而只包括特定的几种颜色呢？

玻尔假设电子只能在离原子核特定的距离处存在，也就是只能在特定的轨道上，其尺度由普朗克常数h决定。电子可以在能量允许的情况下从一个轨道“跳跃”到另一个轨道，这就是著名的“量子跃迁”。电子在这些轨道运动的频率决定了发出的光的频率。由于电子只能处于特定的轨道，因此只能发射特定频率的光。

时间不存在

取两块手表，一块放在地上，另一块放在家具上。等大约半小时的时间，它们仍然会显示相同的时间吗？答案是否定的。虽然我们通常的手表和手机上的时钟，都没有精确到去验证这个事实，但全世界的物理实验室中都有计时器，可以显示将会出现的差异：放在地上的手表要比被举高的手表慢。因为距离地表越近，引力越大 ，时间流逝就越慢。

我们不能把时间看作一个记录宇宙生命的巨大宇宙时钟。一个多世纪以来我们已经知晓，我们应该把时间看成局部的现象：宇宙中的每个物体都有它自己的时间之流，其速度由当地的引力场决定。

当我们把引力场的量子特性考虑进来的时候，即使是局部时间的概念也不再起作用。在普朗克尺度上，量子事件不再按照时间的流逝先后发生。在某种意义上，时间不再存在。说时间不存在是什么意思呢？

在空间量子极其微小的尺度上，自然之舞不再追随唯一的乐团指挥手中那根棒子挥出的同一节拍，每个物理过程都遵循着自己的节奏，独立于邻近的其他过程。时间的流逝从量子事件之间的关系中产生。这些量子事件正是世界本身，产生它们自己的时间。

世界由什么构成？

空间的背景消失了，时间消失了，经典粒子和经典场也消失了。那么世界到底由什么构成呢？现在答案很简单了：粒子是量子场的量子；光由场的量子形成；空间也只不过是由量子构成的场；时间也在这个场的过程中形成。换句话说，世界完全由量子场构成。

这些场不在时空之内，它们一个叠着一个：场叠加着场。我们在大尺度上感知的空间与时间是其中一种量子场——引力场模糊近似的景象。有些场本身就能存在，无须时空作为基础和支撑，可以自行产生时空，这些场被称作“协变量子场”。这些年间构成世界的物质已经被极度简化。世界、粒子、光、能量、空间和时间，所有这些都只不过是一种实体——协变量子场的表现形式。

量子黑洞

在我们的宇宙中存在大量的黑洞，在黑洞的区域，空间极度弯曲，最终向自身内部坍缩，时间停止。当一颗恒星燃尽了所有可用氢，就会坍缩，形成黑洞。坍缩的恒星经常与邻近的恒星组成一对，在这种情况下，黑洞与其尚存的“搭档”彼此环绕；黑洞会从另一个恒星那里不断吸取物质。

黑洞的表面就像是现在：只能从一个方向穿过，无法从未来返回。对黑洞而言，过去在外面，未来在里面。如果火箭在离视界足够近的地方停留一小时，然后飞走，它会发现外面在此期间已经过了几个世纪。火箭离视界越近，时间相对于外面走得越慢。因此，旅行到过去很困难，但旅行到未来很容易：我们只需要在太空飞船上靠近黑洞，在附近停留一会儿，然后飞走。

恒星一旦坍缩，就会从外部视野中消失：它就在黑洞内部了。但在黑洞内部会发生什么呢？如果你让自己坠入黑洞，会看到什么呢？最初没什么特别的：你会穿过黑洞表面，不会受到太大伤害——然后你会以更大的速度垂直坠向中心。再然后呢？广义相对论预言，一切都会在中心被挤压成一个体积无穷小、密度无穷大的点。

但如果我们考虑量子引力，这个预言就不正确了——因为存在量子斥力——使宇宙在大爆炸时反弹的同样的斥力。我们预期的是，在靠近中心的过程中，坠入的物质的速度会被这种量子压力减慢，密度会非常大但有限。

物质会被压缩，但不会一直压缩成一个无穷小的点，因为物质的大小存在一个下限。量子引力产生了一个巨大的压力，使物质反弹，就像坍缩的宇宙可以反弹为膨胀的宇宙一样。

如果从那儿观察的话，坍缩恒星的反弹可以非常快。但是内部由于引力极大，所以时间流逝得比外面要慢得多。从外面看，反弹的过程可以耗费数十亿年。漫长的时间过后，我们会看到黑洞爆炸。基本上这就是黑洞最终的样子：通向遥远未来的捷径。

无穷的终结

当我们考虑量子引力的时候，广义相对论预言的大爆炸时宇宙会被无限压缩成的无穷小的点就消失了。量子引力发现无穷小的点不存在，空间的可分性有个下限。宇宙不能比普朗克尺度还小，因为比普朗克尺度还小的东西不存在。如果我们忽略量子力学，就忽略了这个最低限度的存在。在广义相对论预言的不正常的情境中，理论给出了无穷量，被称为“奇点”。量子引力为无穷设置了限度，“治愈了”广义相对论中不正常的奇点。

为无穷设定限度在现代物理学中是个反复出现的主题。狭义相对论也许可以总结为发现了一切物理系统都存在一个最大速度。量子力学可以总结为发现了每个物理系统都存在信息的最大值。最小的长度是普朗克长度 Lp ，最大速度是光速 c ，信息的总和由普朗克常数 h 决定。这三个基本常数的确定为自然看似无穷的可能性设置了限度，这表明我们称之为无穷的东西只不过是我们尚未计算或理解的内容。

结语

一百多年后，“两朵乌云”终于守得云开，世界的基本结构正在显现，它由一群量子事件生成，其中时间和空间都不存在。量子场绘制了空间、时间、物质与光，在事件之间交换信息。然而这一切又成为了新的开始。

在《理想国》的第七卷中，柏拉图讲述了一则著名的神话：一些人被束缚在漆黑的洞穴深处，只能看到他们身后火焰投射到墙上的影子。他们认为这就是真实。有个人逃离了洞穴，才发现还有更广阔的世界。

我们都处在洞穴的深处，被自身的无知与偏见束缚，有限的感官呈现给我们的只有影子。如果我们试图看得更远，就会感到困惑，我们并不习惯。但是我们仍然要尝试，这就是科学。科学思考就是要探索并重新描绘世界，逐步呈现越来越完善的图景，教我们以更有效的方式思考。

很喜欢李健的深海之寻，歌词的第一句这样写到：“这无穷宇宙，谁能看的透。”

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