高鹏，山西五寨人，工学博士，毕业于哈尔滨工业大学，现在哈尔滨工业大学（威海）任教。喜好人文历史，热爱自然科学，对相对论和量子力学尤感兴趣，多年来不断学习与思考，偶得一些感悟与体会，想拿出来与读者朋友们一起分享。首部科普作品《从量子到宇宙——颠覆人类认知的科学之旅》被中国图书评论学会评为2017年月度“中国好书”。《时空密码》秉承了《从量子到宇宙》的作品风格，希望本书能带领读者朋友们走进相对论，探索时空的奥秘，领略宇宙的奇妙。

《时空密码》以爱因斯坦建立狭义和广义相对论的思想历程为主线，以物理学家们对时空和宇宙的探索为主线，循序渐进地介绍了相对论的产生、发展、验证与应用，介绍了各种神奇的相对论效应和宇宙学奇观，深入剖析了时空的本性，厘清了一些容易产生误解问题，另外还简单介绍了统一场论。作为一本科普读物，《时空密码》涵盖了光速本质、尺缩钟慢、质能等价、闵氏四维时空、时空旋转、时空图、光锥、引力场、时空度规、时空弯曲、引力透镜、引力波、时间箭头、时空量子化、多维时空等相对论中引人入胜的大部分内容，也涵盖了宇宙的基本图景、宇宙的过去未来、暗能量、黑洞、白洞、虫洞、时空旅行等相关的宇宙学方面的内容，还涉及了原子弹、氢弹、卫星导航、相对论效应的视觉图像模拟等相关技术，同时还把历史趣事穿插其中，以使读者在轻松的气氛中完成对奇妙的相对论世界的探索。

第一部分

狭义相对论

002

1 时间与空间

最熟悉的陌生人

相对论是关于时间、空间、物质及运动的理论，所以就让我们从时

间和空间说起吧。

古罗马有一句流传很广的名言：“何为时间？无人问我，我自知晓；

一旦问起，我便茫然！”这句话之所以成为名言，是因为它说出了每个

人的心里话。时间和空间，看似熟悉得不能再熟悉，细想却陌生得不能

再陌生，也许，它们是宇宙中最深奥的概念。

多少世纪以来，无数哲人在到底什么是时间、什么是空间的问题上

费尽了脑筋，可还是无法总结出明确的概念。最后，爱因斯坦用最简洁

的语言回答了这个问题：可以用时钟来测量的就是时间，可以用尺子来测

量的就是空间。那么问题又来了，什么是时钟，什么又是尺子呢？

1.1 什么是时间？

“看时光飞逝，我祈祷明天，每个小小梦想能够慢慢地实现……”

“我的时间嘀嗒嘀嗒嘀嗒嘀嗒不停地转动，我的心在扑通扑通扑通扑

通不停地跳动……”

每当这些美妙的歌声响起，空气中就会飘荡出时间的音符，其中的

意境你自然不难体会。可是如果有人问你什么是时间，你能答上来吗？

你的头脑中也许已经出现了答案的影子，但却无法用合适的语言描述出

来，正所谓“只可意会，不可言传”。为什么呢？因为我们对时间太熟悉了，

熟悉到就像呼吸一样自然，因而从来没有去认真思考过什么是时间。

那么现在就请你闭上眼睛思考一下，如果你从来没见过钟表，你将

如何判断时间的流逝呢？

我们的祖先就没有钟表，他们的时间概念主要来自于对自然的观察。

混沌初开的远古人类日出而作，日落而息，他们发现太阳每天都会东升

西落，周而复始，于是就出现了“日”这样的时间单位。再通过对月亮

的观察，他们发现虽然有月圆月缺，但它也是周而复始变化的，于是就

按月亮的周期性变化规律发明了另一个时间单位“月”。然后又发现春夏

秋冬也是交替循环的，于是就出现了“四季”，四季合为一年，日复一日、

年复一年，时间就这样开始流逝了。

再后来，人们对满天星辰的观测越来越精细，他们很自然地就把年、

月、日编排在一起，制定出日历来计时，农历中还会通过闰月来消除按

月计时和按年计时的累积误差。正所谓“天地玄黄，宇宙洪荒，日月盈昃，

辰宿列张。寒来暑往，秋收冬藏，闰馀成岁，律吕调阳”。

以“日”作为计时单位显然在生活安排中不够细致，于是人们又发

明了日晷。最早的日晷就是竖在地上的一根木杆，后来做成一根有一定

倾斜角度的指针（见图1-1），在每一

天内，通过这根指针的阳光投影可以

把一天分成不同的时刻，以方便在更

小尺度下计时。

目 录

第一部分 狭义相对论

1 时间与空间 最熟悉的陌生人 002

1.1 什么是时间？ 002

1.2 钟表的计时原理 004

1.3 时间的本质 006

1.4 什么是空间？ 007

1.5 时空本性 009

2 牛顿时空观 固定舞台上的世界 012

2.1 牛顿与苹果那些事儿 012

2.2 牛顿与微积分那些事儿 015

2.3 牛顿的绝对时空观 018

3 以太危机与光速之谜 020

3.1 光与以太 020

3.2 寻找以太行动 022

3.3 迈克尔逊—莫雷实验：最成功的失败 024

3.4 洛伦兹的离奇假说：长度收缩 026

3.5 发射假说：光速受光源影响吗？ 027

4 经典时空变换 029

4.1 运动的相对性与惯性系 029

4.2 伽利略相对性原理 031

4.3 伽利略时空变换 032

5 狭义相对论的建立 034

5.1 巨变的前夜 034

5.2 一篇划时代的论文 036

5.3 相对性原理和光速不变原理 038

5.4 洛伦兹变换 040

5.5 狭义相对论的发展 043

附录 一块石头的成长史 044

6 震惊世界的E=mc2 050

6.1 光速极限 050

6.2 时间能否倒流？ 051

6.3 三大守恒定律的秘密 054

6.4 质能等价： E=mc2 057

6.5 光速的本质 058

6.6 核时代的开启 060

6.7 核裂变与原子弹 061

6.8 核聚变与氢弹 065

7 牛顿时空观的颠覆 067

7.1 同时性的相对性 067

7.2 时间延缓效应 069

7.3 时间延缓的实验验证 072

7.4 双生子佯谬解析 073

7.5 运动双方都认为对方钟慢了吗？ 074

7.6 长度收缩及其视觉图像 075

7.7 运动双方都认为对方尺缩了吗？ 079

7.8 空间收缩与时间旅行 079

8 四维时空奇景 082

8.1 欧氏几何简史 082

8.2 四维欧氏空间 084

8.3 广义的勾股定理 087

8.4 坐标系旋转：以不变应万变 089

8.5 时空本性：四维时空 090

8.6 尺缩钟慢与四维时空投影 091

8.7 四维时空的绝对性 093

8.8 闵可夫斯基时空 094

8.9 时空图与世界线 096

8.10 时空图解析双生子佯谬 098

8.11 光锥：光锥之内即命运 100

第二部分 广义相对论

9 广义相对论的建立 106

9.1 爱因斯坦的困惑 106

9.2 广义相对论的构想 107

9.3 回顾：万有引力定律的发现 110

9.4 引力场：质量也能产生场 112

9.5 马赫原理对爱因斯坦的启发 114

9.6 两种质量的神秘联系 116

9.7 等效原理 118

9.8 从物理到几何 121

附录 走向巅峰的坎坷之路 122

10 引力场与时空弯曲 127

10.1 光线受引力作用吗？ 127

10.2 引力场中的时间延缓与空间弯曲 128

10.3 弯曲空间的几何 130

10.4 空间内部看空间：内蕴几何学 134

10.5 时空密码：四维时空度规 135

10.6 解锁时空密码的钥匙：引力场方程 138

10.7 物体在弯曲时空中的运动 140

10.8 坚硬的时空 144

11 广义相对论的实验验证 146

11.1 三大验证之一：光线弯曲 146

11.2 三大验证之二：水星近日点进动 149

11.3 三大验证之三：引力红移 151

11.4 雷达回波延迟 152

11.5 引力时间延缓的应用：GPS时间校正 153

11.6 宇宙之戒：爱因斯坦环 155

11.7 时空的颤抖：引力波 157

12 爱因斯坦的宇宙 163

12.1 爱因斯坦的大胆假设：有限无界的宇宙 163

12.2 爱因斯坦的大胆假设：宇宙学常数 165

12.3 爱因斯坦的“最大错误” 166

12.4 膨胀宇宙模型 168

12.5 宇宙是如何膨胀的？ 170

12.6 宇宙大爆炸 172

12.7 宇宙学常数与暗能量之谜 176

12.8 宇宙的未来 178

13 超时空之旅 179

13.1 史瓦西黑洞的发现 179

13.2 进入黑洞内部 181

13.3 观测黑洞 185

13.4 黑洞不黑 187

13.5 黑洞、白洞与虫洞 188

13.6 克尔黑洞与虫洞 190

13.7 可穿越的虫洞 192

14 时间之箭 195

14.1 有关时间箭头的讨论 195

14.2 三种时间箭头 196

14.3 关于时间旅行的讨论 199

14.4 微观尺度的时间逆流 200

第三部分 统一场论

15 时空与万物至理 204

15.1 卡鲁扎的五维时空 204

15.2 爱因斯坦梦碎统一场 207

15.3 统一场论路在何方？ 209

15.4 圈量子引力与量子化时空 212

15.5 超弦理论和M理论 213

参考文献 217

后记 221