【一】狭义相对论的时空观


首先介绍什么叫时空。
很多书上直接说时间和空间合在一起称为时空，这太笼统，不直观，而且没有强调重要细节，你看过这种说法之后，也许会以为自己知道了时空就是那么一回事，但实际上我告诉你你啥也没知道。
这就像是有人告诉你魔法符文就是魔法和符文合起来一样，你以为你懂了，但你实际上还是不知道什么是魔法符文（【题外话】魔法符文是假定某种魔性生物的存在，且它们能感知魔力，当你将某种符号灌注魔力，或者你用魔力钢笔水书写了符号，这些魔性生物能感知到钢笔水的魔力，然后辨认你的符号，了解你想要让他们干什么，这才是魔法符文。你随便写个符号而不灌注魔力，是屁用没有的）。


那么什么是时空呢？
时空首先是一种观念，你如果是块石头，你是不会有这种观念的。
时空的观念中，首先是时间的观念。
现实世界并不存在时间，而只有变化。时间是我们构建起的一种用来度量变化快慢的观念。
空间也一样，现实世界并不存在空间，空间是我们对于自己看到的现实世界影像的一种度量观念。


物理学界在牛顿理论盛行的时代，一直都认为时间和空间是客观存在的，证据就是物体存在于某个范围，这范围就是空间，而历史进程对应于时间。


但是在相对论被爱因斯坦发现后，这套说法就过时了。


下面我们会给大家讲讲相对论里面如何看待时空的。

常规的时空观总是告诉我们：
你先设想只有你自己的世界，然后它巴拉巴拉讲了一堆


事实上，【只有你自己的世界】这句话里暗藏了一大堆假设，只是一般人很难意识到这些预设的前提


相对论告诉我们，看待世界时，不要预设那些狗屁理想情况，因为那本来就不现实


我们看待世界的真实状态是：
你是一个观察者，你看到周围物体的影像，你通过这些影像的变化感知到你周围事物的变化，于是你猜测应该有时间这类概念来描述变化的快慢


这些才是你可以确定无疑的东西


至于别人告诉你时空是什么，运动又是什么，那都是在用他的观念灌输于你，你没有亲见，你也不可能站在他的视角亲见


没错，真正的时空理论本质上是观测理论

我们唯一可以确定的是，我们看到了影像，影响的变化表明变化进程的存在



而牛顿力学的空间是牛顿对他观察到的影像的规律进行总结得到的描述概念，比如牛顿认为空间是三维平直的，各向同性且均匀的
牛顿的时间也是基于他自己的认识总结的概念：均匀流逝，方向不可逆

关于时间和空间，牛顿还总结了一条：他俩一分钱关系都没有



这是牛顿对时空的看法。


而很多人最终通过自己的日常经验发现：好像真是牛顿说的这样


所以我们都建立了类似牛顿时空观的时空观
我们都以为自己看到的空间是平直均匀的，时间均匀流逝，时间和空间互不相干




伽利略当年与亚里士多德的继承者争论过轻物和重物谁下落快的问题，伽利略的伟大之处就是突破了直觉和经验的限制，用理性的分析得到结论：不考虑空气阻力的话，轻重物体下落一样快


相对论了不起之处也在于突破了直觉和经验的限制：
相对论告诉我们：我们所看到的影像就是影像，我们对变化的感知就是对影像变化的感知
我们无法站在别人视角看问题，你的世界最终取决于你自己的视角

科普书里的相对论，通常会告诉我们，高速运动物体的时间变慢，高速运动物体会在运动方向上尺缩


那么这些术语的意思是什么呢？
白话来说就是：
如果我高速向前跑（比如我是闪电侠），那么你们看我都会认为我在打太极拳，我迈步的动作奇慢无比，尽管我前进得嗖嗖的
这叫时间变慢，或者叫物理进程变缓，简称钟慢


如果我高速向前跑，我会变成纸片人，就像我身前身后有压力把我压扁一样，但我身高和肩膀宽度不变，因为我前进的方向是前后方向的，所以我只在这个方向上被压扁
这就叫物体在运动方向上的长度缩短，简称尺缩


相对论的尺缩钟慢就是这样的

了解了尺缩钟慢，我们现在说说相对论如何看待时空：


相对论中，每一个观察者都有自己的观察角度，他的时空观念取决于他的视角，而不取决于别人的视角


因此，每个人有自己的时空观，并不存在一个包括所有人的视角在内的时空观
所以相对论科普常说：相对论中没有绝对参照系，没有上帝视角




每个人在自己的视角下经历的所有变化，最后组成了这个人的世界
相对论中提到，在时空这个概念下，每个人或者物体在时空中都有自己的世界线，即这个人或者物体沿着时间所进行的运动在时空里形成的轨迹
不过这话说了半天你也很难明白，实际上你也不需要明白这个绕口的解释，他根本不涉及物理核心，它只算是一种数学理论描述，和现实一毛钱关系没有


直观的解释其实很容易理解：
每个人在自己的视角观察到了他一生的遭遇，这些遭遇实际上是周围物体被这个人观察到的影像的变化，当然，我们所说的影像最终还是会起到实际作用的（后面会解释影像如何能产生真实影响）


所以，一个人所有的观察结果组成了他一生的遭遇，这就是他自己的世界（尽管这个世界里看似有其他人存在，但别忘了那些是影像。【实际上别的人也确实真的存在，但你看到的仍然只是他们的影像】，这一点是肯定的。虽然这是句废话，但很多人理解相对论时，总是在这句废话上栽跟头）


原因就是，我们不可能看到别人的【本体】，我们连自己的【本体】也看不到。因为当我们用观测这个词的时候，已经限定了我们观测到的只能是影像（包括触感、听觉、味觉。这些都是广义的影像）


也许有人可以不负责任的假定他能观察到一个事物的真相，但我们不会这么大言不惭，从谨慎严谨的态度上来说，我们只说我们观测到的是影像，这是一种负责态度






如果你知道相对论中有尺缩钟慢或者质量增加之类的奇怪效应，那么你就会认识到【影像】的意义何其重要！你就会和那些不负责任自以为是以为自己能观察到其他人本体的二货划清界限！


请看下面的例子：
我们假定有一艘太空船能达到光速，飞船里有驾驶员，是你，而我是你飞船外部的观察者。


那么当你的飞船光速飞行时，相对论中会有如下结论：


1----你自己并没有感觉你时间完全停滞，你该干什么干什么，你自认为你的飞船与你保持静止，你在里面来回走来走去就像在自己家里一样
2----我作为地球上的观察者，认为你的飞船光速飞行，按照相对论，你的时间完全停滞，如果你的飞船原本会发光，我会发现你的飞船隐形了！！！因为你的飞船原有的发光的物理机制停止了，不再发光了，所以我看不到你的飞船了！！！
3----你自认为飞船里的前后长度完全没变化，就像你出发前停在机场时候一样，你老婆孩子和你一起在飞船里，你也没发现她们变形，还和平时一样
4----我作为地球上的观察者，我认为你的飞船宽度没变，上下高度也没变，只是前后长度压缩成0了，变成一张二维薄片，当然你和你的家人肯定也变成薄片了
5----你通过飞船舷窗观察外面，你发现所有东西都光速运动向后退，他们全都时间停滞，不再发光，你周围一片漆黑
6----你认为周围一切物体都在向后光速撤退，它们宽度和高度也都没变，但是前后长度都缩为0，变成薄片

为什么会这样？这不是有矛盾吗？
明明你觉得自己没变成薄片，我却认为你变了？
明明你还在自由活动，我却认为你时间停止了？


答案如此简单：
我看到的变成薄片且时间停滞的你和你的飞船，只是你和飞船在我的世界里的【像】
你看到的变成薄片且时间停滞的你飞船外的周围事物，只是那些事物在你的世界里的【像】
而本体都在自己的世界里，没变！！！


所以，相对论会告诉你：
当你光速运动时，你和我不在同一条世界线上。
这话你可以直接理解为，咱们俩根本没在同一个世界里。

那么，下面我们要介绍更颠覆你三观的东西：


为什么咱们俩坐在同一条板凳上，你觉得你和我同处一个世界呢？


相对论告诉你：我和你运动速度差异越小，我看到你在我的世界里的【你的像】的物理性质越像【你本体】，你看到我在你的世界里的【我的像】越像我【本体】
如果咱俩相对静止，那咱们的【像】和【本体】几乎就是一样的！！！
所以咱们产生错觉：咱俩同处于一个世界


但是当咱们运动速度差异变大时，【像】和【本体】的差异就会加大，运动速度差异达到光速时，就出现前面说的那种古怪情况，其实抽风的是咱们在对方世界里的【像】，咱们的本体都没变化！！


所以，我们可以设想一个情况：
你在用手转一个棍子，就像孙悟空那样，假定这棍子转的足够快，比如说棍子两头能达到光速
那么，距离你最近的棍子中间部分，它的像近似与你保持静止，你会发现它的时间变慢几乎没有发生，他也没有因为运动变细
但是距离你越远的棍子上的部分，它的像变形就越严重，时间变慢效应也更严重
因此你会认识到这个转动的棍子其实是由各个不同部分在你世界里的【像】组成的，越远离你的像越诡异
越靠近你的像越正常


这个其实就是所谓的爱因斯坦转盘的效果，也是一个所谓的非惯性系

任何一个物体都由很多部分组成，不同部分之间如果没有相对运动，那么就是相对静止的，就可以视为在同一个世界里
如果你身体各部分之间的速度差异不大，那么它们按照相对论也是近似在同一个世界里的
而现实里我们每个人身体各部分的运动速度差异都远远小于光速，所以你的腿在你的手的世界里的像和腿的本体的物理性质几乎没差别，你全身各部分都近似处于同一个世界


除非你变成前面我们说的那根高速旋转的棍子，那棍子会发现自己不同部分的【像】尺缩钟慢差距大得离谱






到此为止，你已经建立起了相对论的时空观：
每个人有自己的时间和空间体系，即他自己的世界。不同的人在相对静止时可以视为同在一个世界，相对运动速度差距不大时，也可以近似认为在同一个世界。但是如果相互间的运动速度差异接近光速，那么就完全不再同处一个世界，只能在自己世界里观察到对方的【像】邪异得离谱

【二】真实的影响---双生子佯谬


相对论虽然告诉我们，我们每个人每个事物的本体①有各自的世界，但所有物体的本体仍然都是存在的，它们互相影响
【注①】谨慎起见，这里不包括微观粒子，因为微观粒子是否能成为一个观察者，或者是否有和我们宏观观察者类似的性质，这都是未知数，微观粒子到底是神马玩意，现在都难说，所以我们不把它们算作是这里提到的事物。


不同事物的本体并不存在于同一个世界里，只能被我们观测到影像，而无法触及实质，因为它们的本体之间有运动速度差异，尽管我们说运动速度也只是一种影像属性
物理学可以视为就是研究各种影像属性之间相互关联的科学


于是，问题就来了：
当你和你的光速飞船从光速运动状态回归到与我相对静止，我们之间互相观察的结论就会出现真实的逻辑矛盾：
我认为你的飞船上的物理进程曾经停止过一段时间（这时间是用我的表测的），而你也认为我和地球上的物理进程也停止过一段时间，这段时间是用你的表测的


到底咱们俩谁真的时间停止过？！！！！现在咱们坐在一起，要好好白扯掰扯这事了！！

我们都来回忆一下自己看到对方的运动过程：


显然，我看到你有一个加速过程，你不可能从静止在地球上一瞬间就变成光速，所以我看到你先加速，然后到达光速，然后你又减速，掉头飞行，回到地球之前还要减速一下，然后和地球相对静止


你看我的情况是：我和地球相对于你加速后退，最后达到光速后退，然后我和地球又减速，掉头朝你和飞船追过来，最后追上你和飞船之前，我和地球还得减速一下，和你飞船相对静止


你会发现，这俩过程完全对称的啊！！！




好吧，看来定性地回顾时说明不了问题的，你和我观察到的对方的情况总是对称的
那么结论还是我认为你钟慢，你认为我钟慢


得找个不对称的属性来决定真相




相对论中，如果我相对你的运动速度是多大，你相对我也是多大，所以速度这个属性还是对称的


但加速度不对称！
我看你在匀加速（你的加速度不变），你看我一定是在变加速（加速度在改变）！！！


这就是关键所在！


所以，我们回顾了一下观察记录，我观测到过你和飞船用了1小时加速到光速，你却发现我和地球用了半小时加速到光速
按说如果不考虑相对论的话，我从静止达到光速和你从静止达到光速用的时间应该是一样的
但显然按牛顿时空观同样耗时的加速过程，在我看来用时很长，在你看来用时很短
所以，你的钟表真的比我的慢，我的钟表走2秒你的才走1秒，你那是太极拳钟表。


由此可以得出类似结论，其他的运动过程，无论是匀速的、加速的还是减速的，相同过程你都感觉用时少，都是因为你的钟表是太极拳钟表。
因此，最后结果是，当你回到地球，你会比我衰老得少。
如果咱们俩是孪生兄弟同时出生，那么你兜风一圈之后回来会发现我比你老很多