《时间的形状》史上最牛炼金术士牛顿

伤我心太深

牛顿是历史上最伟大的炼金术士（没有之一），是最伟大的物理学家、天文学家、数学家、自然哲学家、神学家之一。纵观古今中外所有的“家”们，能集如此众多的“家”于一身的，古往今来就只有牛顿一人。不但空前，而且必将绝后，因为现代科学的分支越来越细，研究越来越深，任何一个领域想要成为“家”都得穷其一生才行……打住打住，你说什么？牛顿是最伟大的炼金术士，还没有之一，真的假的？对于这个事情，我没有半分开玩笑的意思，是千真万确的。牛顿用其一生追求点石成金之术，不过没有证据说明他是为了财富才炼金，我想他去炼金也应该是出于对大自然奥秘的追求。牛顿自己多次说过他最大的兴趣是炼金术，而且他用自己的实际行动证明了这一点，他流传下来的关于炼金方面的著述超过五十万字，他在炼金方面花费的时间相当于他在其他学科所花费的时间的总合。但大多数人都不知道牛顿是炼金术士，主要还是因为他在这个方面没有成就，因为以当时人类对自然科学的认识，是不可能掌握点石成金之术的。
说到牛顿在自然科学方面到底有哪些贡献，那真是可以用多如牛毛来形容。在物理学方面，他提出了著名的牛顿运动三定律，以及质量守恒、能量守恒、动量守恒等定律；在天文学方面，他发现了万有引力定律（还记得那个苹果掉在牛顿头上的传说吗？苹果只是个传说，别太当真），发明了反射式望远镜；在数学方面创立了微积分；在光学方面发现了色散现象，牛顿环现象，写出了《光论》；在经济学方面，奠定了英国的“金本位”体制（牛顿是英国皇家造币局局长）。这个清单如果继续往下还能写得很长很长，但是上面说的这些你都可以在看完本书后忘掉，只有一样，你一定要记住，记住这一样，以后跟人谈起牛顿，你只要一提起，人家就会认为你对牛顿了解得不少，那就是你一定要记住牛顿写过的一本书。李敖曾说过“牛顿其人，500年不朽；牛顿其文，1000年不朽”，就是指的这本书（虽然有大量的证据表明李敖是一个科盲，也没读过牛顿的这本书，但是这句话说得还算靠谱）。书名全称叫做《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica），我们一般简称为《原理》。这本书代表了经典物理学的巅峰，牛顿把从大到天上的皓月星辰，小到地上的潮起潮落，一切的自然规律都纳入到了他那本震古烁今的《原理》中。这本书就像是神话中的魔法书，读懂了它就可以预测一切天文奇观。我们前面说过伽利略为经典力学打下了基桩，牛顿在上面构筑了雄伟的大厦，而《原理》就是这座大厦的丰碑，希望你能记住。好了，毕竟我们这本书是讲相对论的，不是给牛顿著书立说，总之我们只要知道一点，牛顿是一个光芒万丈的天才科学家即可。对了，他的墓志铭必须要说一下，诗人波普为牛顿所作的墓志铭中写下了这样的名句：
自然和自然的规律隐藏在黑夜里，上帝说：降生牛顿！于是世界就充满光明。
看看，诗人就是诗人，你说牛顿哪里还是个人，简直就是神的化身啊。你说就这么一个神一样的人物，用了自己生命的一半时间去研究炼金术，这世界上还有谁能比他炼得更出色？牛顿炼金炼累了，顺便想一下物理、数学、天文的事情，想出来的东西就够我们后人仰视一辈子了，这样的人如果还不是史上最牛炼金术士，谁敢是？



但我们毕竟要说的是相对论，因此，说牛顿，我只谈他跟相对论有关的内容，牛顿在其他方面的成就我就不再多说了。
牛顿的绝对运动观
下面，我要虚构一段牛顿在剑桥大学给物理系的新生们授课的场景。有史料表明牛顿的讲课水平出奇的烂，据说常常在他的课堂上，到第一节结束的时候，座位上的学生已经寥寥无几，牛顿只好对着空荡荡的教室快点把剩下的内容讲完，然后匆匆回到实验室做研究去。以至于后来牛顿把每节课的时间减少到15分钟，这样才不至于要对着空气讲课，可见，牛顿实在不能算得上一个称职的老师。但为了让各位可敬可爱的读者能坚持看下去，我会尽可能地把牛顿的这个短板补上，把这个课讲得有趣一点。特别申明，场景和对话纯属虚构。
牛顿说：“同学们，上课了！下面开始点名。Tom,ok,Jerry,ok，嗯，不错，今天来了两个，比昨天多了一个。今天我们要讲的是时间、空间和运动。
“我们假设有一艘船正以10米/秒的速度开着（画外音：船，怎么又是船，我说你就不能新鲜点吗？换个火车啥的。唉，我也不想啊，那个时代没有火车、飞机、火箭，能开的东西不是马车就是船，所以那会儿的物理学家一说起运动，就只能说船，但我跟你保证我们这本书的后面不但有飞机还有宇宙飞船，包你过瘾），Tom，现在我把你扔在船尾，你以1米/秒的速度朝船头方向走动。Jerry，你站在岸上，我想问一下，Tom在你眼里的速度是多少？Jerry，Jerry，这才刚开始你怎么就打瞌睡了，振作点，这还有读者呢！好吧，Jerry，看在你这么诚恳地看着我的分上，我就不难为你了。
“我们利用伽利略变换式可以很容易的就算出，在Jerry的坐标系里面，Tom的移动速度是船的移动速度加上Tom自己走路的速度，也就是10+1=11米/秒。
“那么，问题一：如果Jerry自己在岸上用2米/秒的速度和船做同方向运动，在Jerry眼里Tom的速度是多少呢？问题二：如果Jerry和船做着反方向运动，在Jerry眼里Tom的速度又是多少呢？
“我们再次利用伽利略变换，可以算出，问题一是10+1-2=9米/秒，问题二是10+1+2=13米/秒。Tom＆Jerry，你们的老师我如此婆婆妈妈啰啰唆唆地问你们这些看似很无聊的问题，是希望你们能自己总结出速度合成的规律，给出速度合成的定理。怎样，你们俩个谁先表现一下？”
Tom举手，说：
“教授，我知道了，假设A的速度是v，B的速度是u，那么他们的相对速度w的公式是：
w=v±u
“取加号还是减号关键看两个速度的方向，如果一致就取减号，否则取加号。”
牛顿说：“非常好。那么，Jerry，你同意Tom的结论吗？”
Jerry说：“我完全同意，教授。我想补充说明的是，速度到底是多少，绝对不能脱离参考系，同样运动的物体，在不同的参考系中，速度是完全不一样的。比如，在我眼里Tom的速度是11米/秒，但是如果从一个站在太阳上的人眼里看来，Tom的速度还得再加上地球绕太阳运行的速度。”
Tom说：“我再补充一句，当我们说某某的运动速度是v的时候，必须先设定该速度的参考系，否则就会失去物理意义。按照这个道理，速度也不存在绝对的快慢。当我站在船上Jerry站在岸上，在船上飞舞的苍蝇眼里，Jerry运动得比我快；反过来，在岸上飞舞的苍蝇眼里，我运动得就比Jerry快。”


牛顿说：“说得很好，你们两个今天果然精神多了，有观众和没有观众真是不一样啊。但是接下来我就要问你们一个有深度的问题了，请问，什么东西可以做参考系？”
Tom＆Jerry异口同声地说：“任何东西都可以做参考系。”
牛顿说：“很好，那空间本身是不是也可以做参考系？”
Tom＆Jerry：“呃……这个，还真是没想过这么深奥的问题。”
牛顿说：“请你们想象一下，宇宙中充满了空间，宇宙延伸到哪里，空间就延伸到哪里。这个巨大的空间本身代表的就是宇宙的母体，处处均匀，永不移动，所有的东西，天上的星星，地上的蝼蚁，我们所居住的地球都在这个空间中运动。如果把空间本身看做是一个参考系，这个参考系就是一个‘绝对空间’，所有物体在这个参考系中的运动速度就是一种‘绝对速度’，他们就可以比较快慢了，我们会发现，原来地球的绝对运行速度比太阳的绝对速度要快。”
Tom说：“教授，您的这个思想真是太深刻了，学生佩服。”
Jerry说：“可是，我还是有点无法理解。”
牛顿说：“Jerry，在上帝的眼里，我们的宇宙就像一个巨大的玻璃球，玻璃球中充满了水，水安安静静地待在那里，没有一丝一毫的流动。太阳星辰和我们就像水中的鱼儿一样在里面游动，鱼儿感受不到水的存在，我们也同样无法感受到空间中的某样实体的存在。亲爱的Jerry，就像水充满宇宙这个大玻璃球一样，我们的宇宙也被一种叫做以太的物质充满，宇宙万物的运动都相对于这个以太有一个绝对速度。你能理解了吗？亲爱的Jerry。”
Jerry说：“是的，教授，我理解了。但是，您说的这个以太总是让我心里有点不安，因为他无法被我们所感受到，根据我们老家奥卡姆很流行的一句话来说，似乎这样的东西就跟没有是一样的。教授，您能设计一个实验来证明绝对空间的存在吗？”
Tom说：“我说Jerry，你是不是想多了，教授是多么伟大的人，他的思想还能有错吗？”
牛顿说：“不，Tom，别这么说，我可不是胡克（牛顿当时很讨厌的一个物理界的权威，他发现了胡克定律，也就是弹性定律，我们中学都学过）那个小矮子，不容得别人质疑。我是站在巨人肩膀上的人，当然比胡克那个小矮子看得远点，哈哈哈！Jerry，你提的问题很好，我已经想到了一个思维实验来证明绝对空间的存在。”
牛顿水桶实验中的绝对时空观
牛顿转身在黑板上画了一个大大的水桶的俯视图，又在水桶的里面画了一些水，要不是牛顿一边画一边解释这是什么，Tom＆Jerry都会以为牛顿在画大饼。
牛顿说：“我们下面来做一个水桶实验。Jerry你看到我画的这个装着半桶水的水桶了吗？外面这一圈就是桶壁，里面都是水。
图2-6：牛顿的水桶实验
“现在Jerry你想象你的身体突然缩小了，缩得很小，然后我把你固定在水面附近的桶壁上，让你可以很方便地看到水的状态。注意了，我现在用一根绳子把水桶给吊起来，然后我把水桶这么用力一转，于是水桶就转起来了。Jerry，你在水桶里面感觉好吗？”
Jerry说：“教授，感觉很不好，我的头要晕了，我的眼睛在冒金星。”
牛顿说：“坚持住，孩子，集中精神，观察水面。”



Jerry说：“放心吧，教授，我能坚持。”
牛顿说：“Tom，我已经跟你们讲过我的第一运动定理，物体会保持自己的惯性。所以，水桶在刚刚开始旋转起来的时候，整个水体因为要保持惯性，所以不会马上跟着转起来，水桶会转得比水快很多，这一点不用怀疑。那么在水桶刚开始旋转起来的时候，在Jerry眼里看来，水相对于他开始转动起来了，我们现在向Jerry求证一下，看看是不是这样。Jerry，快点告诉我你看到了什么？”
Jerry说：“教授，我听到你跟Tom说的话了，正如你所说，我看到水转动起来了。”
牛顿说：“很好，Jerry，我们都知道一个旋转的物体会产生向外的离心力（准确地说是向心力），这个离心力表现到一个呈圆柱形的水体中，就会使得水面中心向下凹陷，这是我们在生活中经常观察到的现象。Jerry，你看下水面发生了什么？”
Jerry说：“教授，我看到水面依然平静如故，没有往下凹陷，这可真奇怪了，我明明看到水在围着我转动啊？”
牛顿说：“Tom，看到了吧，在我们眼里，转动刚开始的时候水面不凹陷非常正常，因为在我们眼里水由于惯性还没转起来嘛。换句话说，水相对于绝对空间尚处于静止状态。现在我们稍等一下，因为水的黏着力，我们会看到最终水桶会带动着水一起开始旋转了，最后，水相对于桶壁上的Jerry来说，静止了。Jerry，你现在看到了什么？”
Jerry说：“教授，我看到水越转越慢，越转越慢，现在已经不动了。哦天哪，太不可思议了，水面凹下去了，这真是我这辈子见过的最不可思议的景象，水面凭空就凹下去了，但是又没有旋涡，就好像水面上面有一个无形的大铁球把水给压下去了一样！”
牛顿说：“你看，在Jerry眼中的神奇景象，在我们眼里看来平常无奇，原因很简单，此时的水相对于绝对空间开始旋转起来了，这个旋转的本质不因观察者所取的参考系而改变。好了Jerry，我现在把你复原，你回来吧。”
Jerry擦着汗说：“这真是一次奇妙的经历，教授！”
牛顿说：“让我们再来回顾一下刚才那个水桶实验，如果运动都是相对的，没有一个绝对参考系的存在的话，那么Jerry应该看到水面是先凹后平，但是实际上Jerry和我们一样都看到了水面是先平后凹的，这就是绝对空间存在的证明。”
牛顿得意地说完，看着Tom和Jerry，俩人还愣着呢，一时半会儿反应不过来。牛顿的水桶实验虽然具备大智慧，但却并不能让所有人满意，物理学界对这个实验的质疑声从来就没有停过，但毕竟牛顿的光芒实在太耀眼了，其他人的声音很难发得出声响。
Tom说：“教授，你的这个思维实验太伟大了，我折服了。”
Jerry说：“教授，我恐怕一下子还不能完全理解，让我回去再想想。”
牛顿说：“Jerry，看不见摸不着而又真实存在的东西有很多，不止是以太，还有一样东西，你也看不见摸不着，但是我们谁也无法否认它的存在，那就是——时间。你们说说看时间是什么？”
Tom说：“时间就是生命，时间就是金钱，时间就是知识，时间就是胜利，时间就是丰收，时间就是灵感，时间就是思考。”
Jerry说：“时间就是教堂的钟声，时间就是太阳的东升西落，是斗转星移，我说不清楚时间是什么，但我分明感受到时间在流逝。”
牛顿说：“时间是它自个儿的事情，它真实存在但又与外在的一切事物都无关，它绝对地、均匀地流逝，不与任何性质相关，任何力量都无法改变它绝对不变的频率。威斯敏斯特大教堂的钟声12点整敲响，它就是12点整敲响，不会因为你在洗澡还是在跑步而改变它12点整敲响这个本质。Tom在伦敦，Jerry在巴黎，如果忽略声音的传播时间的话，当钟声响起的时候，你们都应当听到钟声，在听到的那一刹那你们俩若有心灵感应，你们会同时感受到对方传递的感受。时间对于世间万物都是公平的，上帝他老人家既像一个慷慨的施主又像是一个超级吝啬鬼，不论你是国王还是乞丐，他老人家从不……”
此时，下课铃响了，Tom＆Jerry几乎是在和下课铃声响起的同时消失在教室门口了，消失速度之快甚至让牛顿都怀疑时间是不是真的存在。
“……多给一点也不少给一点。”牛顿对着空气（他早就习惯了）把最后一句话说完，也夹着讲义走出了教室。
牛顿的时空观符合我们大多数人的日常生活体验，因此，对于牛顿的这套思想体系我相信也很容易被各位读者所接受。况且，和牛顿的想法一样本身就是一件多么值得自豪的事情啊，牛顿是如同神一般的存在，他是当时物理界的泰山北斗，他是物理界的教皇，牛顿说出来的话就像是来自上帝的启示。牛顿的绝对时空观被郑重地写入他那本神书《自然哲学的数学原理》中，神书之所以是神书，因为用神书中所描述的定理可以精确地预测月食、日食发生的时间，精确到分秒不差，还能通过计算预言当时尚未被观测到的太阳系行星的存在（海王星），当预言被证实的时候，牛顿本人和他那本神书的声誉达到了空前的顶峰，再没有人怀疑神书中描述的任何事情，牛顿的经典世界观大有千秋万载、一统江湖之势。
然而，就在牛顿死后又过了100多年，一系列的物理实验都得到了让人匪夷所思的结果，这些结果如此地让物理学家诧异以至于一次次地怀疑自己的实验设备是不是出了问题，但是所有的实验被一再地重复，而且实验结果都在无情地推翻着牛顿的绝对时空观，整个物理界都开始陷入了疯狂，物理学遇到了前所未有的危机。如若牛顿地下有知，一定会说：“上帝啊，这一切到底是怎么了？”
如果说到目前为止，本书所说的一切都还让你觉得这个世界就是我所认识的那个天经地义的世界，那么，接下来发生的一切，都将慢慢颠覆你的常识，挑战你的思维底线。