田寒松，81年生人，从小对数理化偏科，好奇物理世界中的一切机制与秘密。资深网络游戏制作人，互联网行业的连续创业者，在最近一轮赋闲后，决定按兴趣所在，做一些物理学与物理史的科研科普工作。

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历史上，不同时代的人们都希望理解我们生活的世界，了解物质是什么、宇宙运行的真实规则，但这注定是一个艰难的旅程。

如今对于这个世界，物理研究者们依然充满困惑。既然现有的物理学认知尚不能解释所有问题，就让我们从头说起，看看有无可能破解谜题。

这是一本物理方向的科普书。对于历史与当下物理学研究中的热点与难点，本书依经典物理学和现代物理学两条脉络，抽丝剥茧进行阐释与比照，旨在厘清物理学的基本规律，介绍历史上物理学思想的演变，并做相应的延展。

第二章

速度如何影响时间？

我们的探求由相对论开始，更具体地说是狭义相对论。

前面提到，爱因斯坦的狭义相对论取代了牛顿经典物理学在物理世界的地位，并直接导致以太论的落幕。但其实被相对论影响的不只这些，还有人类对时空、光的认识，物理学的整个体系甚至研究方法。

绝对时空与相对时空

如果强行规定一个时间点，我们可以以1900年为分界，将物理学分为经典物理学与现代物理学（或近代物理学）。这两者具有时间上的先后与承接，但并不是单纯的继承与发扬的关系。

事实上，经典物理学与现代物理学可被视作两种不同的物理学研究体系，它们有着不同的基础假设、时空认知，甚至不同的思考方式，当然也有不同的潜在问题。

比如在上一章我们讨论过的以太，在经典物理学中以太可谓串起了光学、电磁学与力学，但在现代物理学中却变成了不必要的存在。而现在，我们来讨论时间。

经典物理学（牛顿物理）的核心部分是由牛顿完成的，与其对应的时空观是绝对时空观。在这种认知中，时间与空间被认为是两个完全独立的物理量。

经典物理学中的绝对时空观与我们日常生活中对时间与空间的先验认知基本相同。牛顿在《自然哲学的数学原理》中写道：

绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。绝对的纯粹的数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在情况无关。

牛顿的时空观是绝对的，这里的“绝对”可以这样理解：一方面，它指时间与空间两者相互独立；另一方面，它认为只要在这个宇宙范围内，对时间与空间的度量必定是一致的，这种度量不应当受到任何因素影响。

也就是说，无论一个物体在宇宙中处于怎样的位置，无论这个物体具有怎样的运动状态，它所感受到的时间和空间的运行规则不会发生变化。

虽然牛顿的经典物理学及其对应的绝对时空观可以解释很多物理现象，但因为前文提到过的莫雷实验，以及对麦克斯韦方程组的深入研究，19世纪末的物理研究者发现，以往被奉为万能的经典物理学遇到了难以解决的问题。

其实莫雷实验与对麦克斯韦方程组的深入研究都指向这样一个结论，即在任何惯性系中，光速都会保持恒定。而这意味着，在电磁学的世界还有另一套物理规律，它与我们熟知的经典物理学不同。

基于此，爱因斯坦在1905年发表了《论动体的电动力学》，提出应该重新考虑时间与空间这两个概念：放弃绝对时空观，建立相对时空观，因为随着相对速度的改变，不同惯性系所在的时间与空间是不同的。

狭义相对论与相对时空观由此被提出，前者动摇了牛顿经典物理看似牢不可破的地位，后者的认知则与绝对时空观大相径庭。

到了1907年，爱因斯坦在大学数学老师闵可夫斯基的帮助下，提出了更完整的四维时空结构理论，相对时空观完全成型——空间与时间是一个整体，三维的空间与一维的时间，形成了四维的时空结构。

总的来说，二者区别如下：

1.绝对时空观认为时间与空间是分立的，而相对时空观认为它们是一个整体，且相互影响。

2.绝对时空观认为时间与空间是这个宇宙具有的属性，而相对时空观认为时空是任何物质各自具有的属性。

这样的描述较为抽象，让我们举一个更具体的例子。

如果一辆小汽车的速度是24米/秒，那它通过24米的距离需要多长时间？

这个问题很简单，答案是1秒。

但当这辆小汽车的速度变成接近光速的超高速时，比如我们让上面的数字提高一千万倍：

如果一辆小汽车的速度是24万公里/秒，那它通过24万公里的距离需要多长时间？

现在，小汽车的速度达到了光速的80%，这个问题的答案还是1秒吗？

如果这个实验能够完成，其结果会是这样：

如果在小汽车内有一块钟表A，表A显示的用时是0.6秒；如果小汽车外面的公路上有另一块钟表B，表B显示的用时是1秒。

如果牛顿的绝对时空观正确，那无论这辆小汽车的速度如何，小汽车经历的时间流速不应改变。但在这个例子中，小汽车自身的速度影响了自身的时间，在小汽车内外对时间的计量不再相同。

这似乎说明，当小汽车外面的钟表经历了1秒钟时，小汽车里面的钟表只经历了0.6秒，时间似乎不再“绝对”，而空间也会发生类似的改变。

如果小汽车原本的长度是10米，因为小汽车的高速度，在公路上的观测者所观测到的小汽车长度只有6米，而小汽车内的观测者则测出小汽车的长度不变。

当然，我们没办法真的用一辆小汽车来完成这个实验，但上述情况的确有实验基础，因为我们可以设法把一个微小的粒子加速到接近光速，这也是高能粒子物理学的研究方式。

也就是说，相对时空观符合实验结果，而绝对时空观无法对此进行解释。不仅仅是通过实验，爱因斯坦也对如上实验结果给出了严谨简明的数学证明。至此，人们不得不重新认识时间与空间这两个物理量。

与以往的认知不同，时间与空间由此成为会因外界条件变化而变化的物理量。更准确的描述是：在狭义相对论中，速度会改变四维时空结构，与其对应的物理现象是相对论效应；而在广义相对论中，质量会改变四维时空结构，这可以很好地描述引力场。

在相对时空观的四维时空结构下，物体像是画在一张弹性薄膜上的画，如果这幅画所在的弹性薄膜被拉伸或压缩，人们对画面上物体的度量就会改变。也就是说，如果物体所在的四维时空结构因为某种原因发生改变，就会影响其内物体时间流逝的速度及其被测量到的长度。

按照狭义相对论，当我们观察身边的物体时，因为彼此之间相对静止或者相对速度很低，可以认为被观察的物体与我们自身的时间流逝速度相同，空间的尺度也相同。但当地面上的观测者观测这辆超高速的小汽车时，会看到小汽车对应的四维时空结构发生了形变，汽车上时间流逝的速度会因此降低，而汽车在空间上的长度也会因此缩短。

但对于汽车内的观测者来说，因其与小汽车相对静止，四维时空结构没有发生形变，所以不会发现任何异常。

由于观测者与被观测惯性系之间相对速度的改变，导致两者时间流逝速度与长度度量的改变，这就是相对论效应中的时间效应与长度效应。

这是确定存在的物理现象，也是爱因斯坦相对论体系中的相对时空观及其最主要的应用。

有人认为是速度增加导致了相对论中的各种效应。的确，速度增加会引发时间效应，但我们一定要注意“相对”与“观察”这两个词在相对论中的重要性：

无论在空间中发生真实运动的是地面还是汽车，两者对应的四维时空结构都恒定不变；但当处于这两种状态下的观测者彼此观察时，依照两者之间的相对速度，他们都会“观察”到对方所在的四维时空结构发生形变，致使对其时间与长度的“度量”发生改变。随着相对速度的增加，观测者会“观察”到对方的时空形变不断加大。

只不过，相对论效应中的时间效应与空间效应在相对速度很大的情况下才更明显，比如光速的三分之一。而在电磁现象以外的物理世界中，这几乎是无法达到的速度。

如果相对于光的速度很小，时间与空间的变化就可以忽略不计，我们仍然可以使用牛顿经典物理加以计算。比如美国宇航局发射火星探测器时，只采用牛顿的经典物理进行计算，与用相对论进行计算相比，登陆误差只有1秒钟。相对论的计算结果的确更为准确，但在低速环境下经典物理仍然是可用的，这也是为什么现代物理学称牛顿经典物理为低速物理的原因。

同样，在低速环境下，与经典物理学同源的绝对时空观也是准确可用的。只不过我们需要认识到，以往绝对时空观中对于时间的认知的确是不完备的，我们需要重新认识时间。

狭义相对论的“效应”

物理学是一门实验科学，但我们没法直接针对空间或时间设计实验再分别观察。毕竟，时间到底存不存在，它是一种真实存在的物质，还是存在于人们心中的认知，对此的争论甚至带有哲学意味。而物理研究者只能通过对可观测物体进行时间上的计量与长度上的度量，试图发现关于时空的真相。对于两种时空观的取舍也是如此。

在之前关于高速小汽车的实验里，汽车内外钟表的计量发生了变化，因此，狭义相对论的观点认为，这证明汽车的高速导致其时间流速减慢，这就是狭义相对论中的时间效应。

狭义相对论中有三种效应，分别对应物体的时间、长度和质量。也就是说，如果一个物体在运动，则相对于它静止时：

1.它时间流逝的速度会变慢。也就是时间效应或者钟慢效应或者时间膨胀。

2.在速度的方向上，它的长度会缩减。也就是长度效应或者尺缩效应。

3.它的质量会因为速度增加而增加。也就是质量效应。

如前所述，这些相对论效应只有在很高的速度条件下才会被观测到，比如用粒子加速器对高能粒子进行研究时，就必须考虑这些因素。当然，还有一个众所周知的极端假设：如果一个物体的速度无限接近于光速，我们会看到这个物体的时间流逝接近于静止。

那么，我们能否根据这类实验得出结论——相对时空观是绝对正确的？时间与空间关联，而时间的流逝速度会随着相对速度发生改变？

其实还不能，因为这种猜测并不能得到严格的自证，而且也存在其他可能性。

在前面的例子中，汽车内钟表A的计时的确慢于汽车外钟表B的计时，但我们无法确认变慢的是流过钟表A的时间，还是钟表A对时间的计量。毕竟，我们看不到时间，只能看到表盘上的刻度，我们也无法说明时间维度是真实存在的物理量，还是仅存于人们观念中的物理量，以及“时间流过物体”究竟是怎样一个物理过程。空间维度也是如此。我们无法判断到底是汽车所处的空间收缩了，还是构成汽车的粒子群体发生了收缩，但空间没有发生改变。

到现在为止，我们只能确认，狭义相对论的三个效应是确实存在的。如果汽车的速度真能达到24万公里每秒，那汽车内钟表显示的计时一定会变慢，外界观察到的汽车长度一定会缩短。如果能测量小汽车内物体质量的话，也会发现其质量增加了。

恒定的光速

了解相对论效应之后，我们再来看看光速。这个话题涉及经典物理学与现代物理学在物理认知上的差异。

如今人们已经可以对光速进行精确测量，光的速度被确认是30万公里/秒（299792458m/s），在物理学中对应的符号是c。

如第一章所说，在经典物理学的假设中，以太这种神秘物质充满宇宙的一切空间，由以太构成的以太海则是光波传递的介质。根据波动理论，波动的速度由其介质的物理性质与密度决定，而以太论的支持者想象以太海的密度是均匀的，所以光相对于空间的速度是一个恒常量。

在这种认知下，以太的存在很容易解释光为什么具有波动性、为什么能穿过空间，以及为什么光速恒定。遗憾在于，并没有实验能对以太的存在做出证实或证伪，这些只能是存在于理论上的假说。

而在现代物理学体系中，以太是一个冗余的概念，各种超距作用的实现依靠的是弥漫在空间中的场。爱因斯坦认为，光的波动是光子这种粒子所具有的内蕴属性，而光波是电磁波，变化的电场与磁场交替产生，由此得以穿过空间。电磁波的速度是恒定的c，这与实验及麦克斯韦方程组的计算结果一致。但是，到底是怎样的机制使光或者电磁波在时空中以恒速c运动？现代物理学并不能对其做出解释，只是将它作为光子或电磁波这种物质内蕴的特征。

不过，在现代物理学的研究思路中，这并不是一个大问题，因为它符合各种实验结果以及麦克斯韦的电磁理论，而现代物理学是由各种实验事实所支撑的。考虑到无论惯性系在空间中的速度如何，在惯性系内测定的光速永远恒定为c，因此，现代物理学将“光速恒定”视为一个公理或者基本原理，也就是狭义相对论中“光速不变原理”这个基本假设。

一般而言，物理学研究要求理论、实验、数据这三者皆完备，而在光速恒定这个问题上，经典物理学可以用以太解释光的传播与速度，但无法通过实验验证以太的存在；现代物理学可以描述光移动时电磁场的变化，也有实验支持，但它无法解释相关物理机制，也无法解释为什么光速恒定。

所以，严格说来，这两个体系都做不到绝对完备，但我们总归能确认：

无论依据哪个体系，光在空间中的速度都被认为恒定为c。

这便足以让我们展开接下来的论述。

目录

前言  //  V

第一章  物理学的过去与现在1

历史上的以太 // 1

从巅峰到末路 // 7

微观世界与量子力学 // 16

粒子的标准模型理论 // 21

第二章  速度如何影响时间25

绝对时空与相对时空 // 25

狭义相对论的“效应” // 31

恒定的光速 // 33

第一个光子钟实验 // 35

第二个光子钟实验 // 44

两种观点 // 46

第三章  质子的结构：关于粒子51

粒子的夸克模型 // 52

粒子—光子模型？ // 58

“时间膨胀”的物理解释 // 62

“长度效应”的背后 // 65

质子—内部光子环形转动模型？ // 68

第四章  物质的本质 77

物质的认知史 // 77

分歧能否统一？ // 82

有趣的猜想 // 85

第五章  量子力学的秘密 89

量子力学的创立 // 90

普朗克常数的秘密 // 93

物质波？概率波？以太波？ // 100

泡利不相容原理 // 106

玻尔模型中的轨道量子化 // 111

在质子内部 // 117

第六章 电荷是什么121

人类对电的认知 // 121

电荷是物质吗？ // 126

带电荷的粒子 // 133

一些其他的细节 // 138

第七章  电场与磁场143

电场与力 // 144

电势能的来源 // 146

磁场与力 // 150

为什么电会产生磁？ // 153

几种极端情况 // 158

第八章  四个光学实验163

单光子的双缝干涉实验 // 163

偏振光的随机性 // 171

折射还是反射？ // 182

空间中的波动 // 186

第九章 万有引力从哪里来 197

四种力能否统一？ // 197

光速真的不变吗？ // 201

引力场与广义相对论 // 202

万有引力的本质 // 208

暗物质与暗能量 // 211

能量是什么？ // 215

后记  //  223