第一章 触觉与视觉：地球和天体

世人皆知爱因斯坦创立了伟大的相对论，却鲜有人真正明白相对论是什么。一般认为，他变革了人类对物质世界的认识。然而他的这些新观念包裹在专深的数学术语中，不为人们所了解。事实上，解释相对论的各种版本流传甚多，数不胜数，可惜这些解释多流于表面，一旦涉及真正重要的内容时就含混不清了。这也怪不得那些作者。爱因斯坦大多数的观念可以用非数学化的语言来表述，但要做到这一点还是非常困难的，需要改变我们想象中的世界图景——改变我们从小就熟知的、久远的人类史前祖先们流传下来的世界图景。然而当人类已经有了较长的历史时，改变人类的想象总是那么困难。哥白尼也曾经期望这样的改变，他宣扬地球是自转的，而非天体每天绕地球旋转一圈。对于现在的我们而言，这很容易理解，因为在形成思维定式前，我们就已经了解了这个观点。同样，爱因斯坦的观念对于与之一起成长起来的一代而言，也是易于接受的。但于我们而言，却非要付出一番重构想象的努力不可。

人类借助各种感官，特别是触觉和视觉来探索地表。在前科学时代，人类用肢体来测量长度：“一足尺”、“一腕尺”、“一拃”等长度单位就是这样来的。更长的距离则用步行到达所需要的时间来表示。渐渐地人类学会了用目测来粗略地估算距离，但仍然认为触觉测量更为精确可靠。然而有些东西是无法触碰到的，比如彩虹、镜像等。这些不可触及的东西让孩子们感到很困惑：分明可见的镜像是不真实的，这完全超出了他们的抽象想象力。麦克白的匕首也是不真实的，因为它只是麦克白大脑的幻觉，可视而不可触。甚至在隐喻中也可追寻到人类的这种认识：好的演讲“如固体般坚实”，而糟糕的演讲“如空气般空洞”，因为我们觉得空气不够真实。

研究天体时，人类所能凭借的只有视觉。我们不可能触摸太阳，也无法用脚丈量昴宿星。但天文学家们还是毫不犹豫地借用了以触觉和步行测量为基础的几何学和物理学，因为在地表研究中它们非常实用。这样一来，天文学家们却是自寻难题，而这个难题直到相对论出现后才得以理清。事实证明，通过触觉得到的认识往往是缺乏科学性的偏见。要想对世界有客观真实的认识，就必须摈弃这种偏见。

或许用例子来说明，能让我们明白与地表研究相比，依靠触觉来研究天体是多么不切实际。我们做个假设，用药物使你昏迷，当你清醒时，你仍然具有思辨能力，但却失去了记忆。进一步假设，你在昏迷状态下被带上了一个正在漆黑的夜晚随风飘行的气球。正值英国11月5日或美国7月4日的晚上，因此你可以看到从地面、火车、飞机四面八方放射出的灿烂烟花。黑暗中，你看不到地面、火车或者飞机。那么你所认识的地球世界会是怎样的呢？你一定会认为地球上的一切都不长久：只是转瞬即逝的烟火，只有短暂的存在，在旷空中划出千奇百怪的弧线，这些火光只能看到而无法触及。显然，你的几何观、物理观和形而上学观与普通人不同。假如气球里还有一位普通人，你会发觉他的观点很难理解。但是假如爱因斯坦也和你们同在这个气球里，你会比这个普通人更易理解爱因斯坦的观念，因为你不会像大多数世人那样囿于先入之见。

在很大程度上，相对论就是要摈弃在日常生活中的有用的观念，而这些观念对于“气球人”是毫无用处的。由于各种多少有些偶然的因素，依据地表情况得出的概念往往不准确，尽管这些概念看似思想的必然组成部分。关于地表情况最重要的一点是，地表的大多数物体相当稳定，从陆地的角度来看几乎固定不动。若不是这样，出门旅行就不像现在是那么确定的事了。如果你想从国王十字站去往爱丁堡，你就会找到国王十字站一直以来所在的位置，火车沿着上次你去爱丁堡乘坐的路线行进，爱丁堡的威弗利火车站也不会跑到城堡来。你会这样说，也会这样想：我去了爱丁堡，而不是爱丁堡来到了我这里。尽管后者可能同样准确。人们接受这一常识性的观点其实是由于一些很偶然的因素。设想伦敦所有的房子都在不停运动，就像一窝蜜蜂；设想铁路运动着，并变换着形状，如同雪崩；最后设想物体一直如云彩般成形、消散。这些设想都可能实际存在，只是在这样设想的世界里，爱丁堡之旅显然是不知所谓的。你一定会问出租车司机：“今天早晨国王十字站在哪里？”在火车站你也会问类似的问题：“今早爱丁堡在哪儿？”售票员则会问：“您指爱丁堡的哪个部分？”王子街已经运动到了格拉斯哥，城堡移到了高地，而威弗利站则已经在爱丁堡西北部福斯河峡湾的水下了。并且在你的旅途中，那些火车站不会老老实实待在原地，有的北移，有的南行，有的向东，有的往西，而且运动速度可能比火车还快。在这种情况下，你不能说某一刻你在什么地方。的确，人总是在某一个确定地点的观念，是基于地表上大多数较大物体的非移动性。“地点”这一概念只是粗略的实际距离，其中毫无逻辑必然性，也无法精确下来。

如果人体比电子大不了多少，我们就不会有静止的印象，静止只存在于我们粗略的感觉中。除了古怪的数学家们外，我们会觉得现在看来很确定的国王十字站是十分广袤而无法想象。我们所看到的那些部分，包含着很多细小的物质，它们之间互无关联，却永恒地，以极快的芭蕾舞步相互围绕旋转。我们的经验世界将是疯狂的，在这样的世界里，爱丁堡的各个部分会四散移动。另一个极端，如果人体像太阳一样巨大和恒久，并且认识力也相应地迟钝，你同样也会觉得宇宙杂乱无章，缺乏稳定性：恒星和行星往来穿梭，如同清晨迷雾的聚散，没有什么是相对固定的。相对稳定性之所以是日常观念的一部分，是因为人体大小适中，居住的地球表面温度也适宜。若非如此，前相对论时期的物理学就不那么合理了。事实上，我们将不会发明这样的理论。我们可能一下子就形成相对物理学的认识，或者一直对科学规律一无所知。幸运的是我们没有面临这样的选择，因为仅凭一个人要完成欧几里得、伽利略、牛顿和爱因斯坦这些科学家的成就几乎是不可想象的。若缺乏这样卓越的才智，人们对宇宙的运动规律仅限于非科学性的观察，也就不会有物理学了。

从天文学来看，尽管太阳、月亮和星星悬挂于空，年复一年，但从别的方面看，我们所处的世界与日常生活观察到的世界大不相同。如前所论，由于天体不可触、听、闻、尝，人类仅能依靠视觉来认识天体。所有天体相对于别的任何物体都是运动的。地球绕着太阳转，太阳也在向着大力神星座运动，速度远比快速列车更快。所谓的“恒”星，实际上一直在不停攒动。在天空中，没有像国王十字站和爱丁堡那样固定的地点。在地球上，当你从一个地方到另一个地方，你认为是火车在移动，而不是车站在移动。因为车站与其他车站，以及周边的土地都保持着稳定的地理关系。但在天文学上，“火车”和“车站”都是任意而定的，究竟叫火车还是车站，完全看是否便利和符合传统。

这样看来，拿哥白尼和爱因斯坦做个对比就很有趣了。在哥白尼之前，人们认为地球静止不动，天体每日绕地球旋转一周。哥白尼告诉人们“实际上”是地球每日自转一周，太阳和星星只是“看起来”每日旋转。伽利略和牛顿赞同这一观点，并提出多种设想加以证明：例如地球两极是扁平的，并且两极的物体比赤道的物体要重，等等。但是在现代理论中，哥白尼与早期天文学家观点的区别仅仅在于哪种说法更便利些；一切运动都是相对的，因此“地球每日自转一周”和“天体每日绕地球旋转一周”这两种说法没什么区别。二者意义完全相同，就如同说一段距离是六英尺或两码，是完全一样的。比起视地球为固定的，如果把太阳视为固定的，天文学就更好理解了。这就如同采取十进位货币制更好算账。若要肯定哥白尼的学说，则先要假定绝对运动，而这是不存在的。一切运动都是相对的，只是人们惯于将一个物体假设为静止。所有这些惯有的观点都同样合理，区别只在于并非同样便利。

天文学区别于地球物理学的另一个要点在于其对视觉的单纯依赖。无论是大众物理观念还是传统物理学都使用“力”的概念，由于“力”与人们熟悉的各种感觉相关联，显得很好理解。当我们走路时，我们能感觉到肌肉的力量，而这在静止时是无法体会到的。在机械引擎发明前，尽管人们可以坐马车去别的地方，他们能看到马用力前进，和人用力时一样。人们在日常生活中学会了什么是“推”和“被推”，什么是“拉”和“被拉”。这些人们熟知的事实使得“力”被视为动力学的天然基础。但是，牛顿的引力定律引出了一个难题。两个台球间的碰撞力很好理解，因为我们知道撞上别人是什么感觉；但是相距9300万英里的地球和太阳二者之间的力，就很神秘难解了。即便是牛顿也认为这种“远距离作用”不可能存在，并坚信太阳的影响力是通过某种迄今尚未发现的机理传送到其他行星的。然而，一直没有发现这样的“机理”，引力仍然是个谜。事实上，整个“引力作用”概念就是错误的。太阳并不对行星产生任何力，从引力的相对性定律来讲，一个行星只对其周围的物体有引力作用。至于其发生原理，将在下一章仔细说明。现在主要的问题是必须抛开“引力作用”这一概念，因为它源自触觉带来的那些错误观念。

随着物理学的发展，愈发显现出在对事物的基本认识上，视觉比触觉更可靠。台球相互之间显而易见的碰撞只是人的错觉。事实上，两个台球根本没有接触。实际发生的情况非常复杂，超乎想象，更类似于彗星进入太阳系继而又离开的情况，而不是我们依据常理可以推断出的。

上述我们谈到的大部分观点，在相对论发明前就被物理学家们所接受了。一般认为运动只是相对现象——也就是说，当两个物体改变其相对位置时，我们不能说一个物体在运动，而另一个物体是静止的，因为实际上只是二者的位置关系发生了变化。但是，要想把物理学的实际操作与这些新的信念相互共融却需要费一番力气。旧物理学的技术方法建立在引力作用和绝对时间和绝对空间基础上。因而就需要新的技术，摆脱旧观念的影响。要实现这一点，就要从根本上改变原有的时间和空间观念。这既是相对论的难点，也是其有趣的地方。解释相对论，有一些预备性的知识是不可或缺的。下面两章将予以介绍。