爱因斯坦的时钟与庞加莱的地图

作者简介

"[美] 彼得·伽里森（Peter Galison） 美国科学史与科学哲学领域领军人，哈佛大学科学史系、物理系教授，相对论首/屈一指的解读者；哈佛大学约瑟夫·佩里戈里诺讲席教授；“黑洞倡议”计划创始人之一；主要研究领域为20世纪物理学史。 曾获得德国洪堡基金会洪堡研究奖、美国麦克阿瑟基金会“天才奖”、马克斯·普朗克科学奖、亚伯拉罕·派斯物理学史奖、基础物理学突破奖等。 著有《图像与逻辑》《实验是如何终结的?》《客观性》《爱因斯坦与21世纪》等著作，其中《图像与逻辑》获得美国科学史学会辉瑞奖，被评为当年科学史领域蕞佳图书。"

内容简介

"第一章 探寻时间的本质 原则上，让一名观察者拿着时钟，站在坐标系原点，对事件进行计时，当收到该事件的光信号后，观察者对手里的时钟进行调时，以这种方法来实现时钟的远程同步…… ——爱因斯坦 规则不能普遍适用，何谈严谨；很多小规则适用于特定的情形。这些规则并不是强加给我们的，我们可以根据意愿制定其他规则；如果这些规则没有使物理学、力学和天文学的规律变得更加复杂，那我们就不应该取缔这些规则。我们之所以选择这些规则，不是因为它们是真理，而是因为它们能够给我们提供最大方便。 ——庞加莱 真正的时间永远不会仅仅通过时钟来揭示，牛顿对此深信不疑。即使是出自钟表大师之手的顶级时钟，也只能以更高级的方式苍白地反映绝对时间，因为绝对时间不属于人类世界，而是属于“上帝的感觉”。牛顿认为，潮汐、行星、卫星等宇宙中的万事万物都处在单一的、不断流动的时间之河里，它们在这一普遍背景下运动或变化着。在爱因斯坦的光电世界中，不存在这样一种“全球都能听到的嘀嗒声”，也就是我们所说的“时间”，除非参照关联时钟的确定性系统，否则我们没有办法以有意义的方式定义时间。当一个时钟系统相对于另一个时钟系统运动时，两个系统中的时间以不同的速率流逝：在相对静止的时钟系统中的观察者看来同时发生的两件事，在相对运动的时钟系统中的观察者看来却并非如此。这时，times（许多个时间）取代了time（单一的时间）。这一结论冲击了牛顿物理学的坚实基础，爱因斯坦也清楚地认识到了这一点。因此，他在自己晚年所撰写的《爱因斯坦自述》（Autobiographical Notes）中，诚挚地向牛顿致歉，对自己的相对论打破了时空的绝对性进行了反思。他写道：“牛顿啊，请原谅我吧！在您的时代，您找到了唯一的道路， 一条只有思想境界崇高、富有创造力的人才有可能找到的道路。” 在这一场时间观念的剧变中，存在着一个非同寻常但又很容易表述的观点。自此以后，这个观点一直在物理学、哲学和技术领域处于核心地位。这个观点认为，要谈论时间，谈论远程同时性（simultaneity），则必须进行时钟同步，而要想使两个时钟同步，只能先启动其中一个，向另一个时钟发出信号，根据信号到达的时间进行调时。还有什么比这更简单的呢？有了这种程序上的时间定义，相对论的最后一个难题就迎刃而解了，从而永远地改变了物理学。 本书讲述的就是这种时钟同步程序。虽然看起来很简单，但我们的主题，即时钟同步，既非常抽象，又非常具体。当时的世界正处在世纪之交，时间的同时性和物质性是理论物理学关注的焦点，这与我们当前的世界大不相同。在那个世界里，理论物理学的最高目标被迫切追求现代化的野心所驱动，要在全球铺设传输时间信号的电缆，进而设计火车线路和绘制世界地图。在那个世界里，工程师、哲学家和物理学家相互碰撞；纽约市市长谈论着时间传统，巴西的皇帝在大洋彼岸等待着按欧洲时间发出的电报的到来；两位顶尖科学家——亨利·庞加莱和阿尔伯特·爱因斯坦，将同时性推向了物理学、哲学和技术领域的十字路口。 爱因斯坦的时间 1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论论文《论动体的电动力学》（On the Electrodynamics of Moving Bodies）。这篇论文引起了持续反响，成为20世纪最著名的物理学论文。这篇论文最为瞩目的特点是爱因斯坦推翻了绝对时间。按照人们通常的理解，爱因斯坦的论点从根本上偏离了古老而实用的经典力学的轨道。这篇论文也因此成为革命性思想的典范，论文中的观点被认为在本质上脱离了与世界的实际的、直观的联系。爱因斯坦从哲学和物理学的双重角度重新思考了同时性的概念，爱因斯坦的理论揭示了现代物理学与经典物理学在时空观念上存在无法调和的分歧。 在这篇论文的开篇，爱因斯坦就宣称，当时经典力学对电动力学的解释存在不对称性，但这种不对称性并不存在于自然现象中。1905年前后，几乎所有物理学家都认同这样一种观点：光波就像水波或声波一样，一定是某种物质的波。就光波或者构成光的、振荡的电场和磁场而言，所谓的某种物质就是无所不在的“以太”，即爱因斯坦在狭义相对论论文中提到的“光媒介”。 19世纪末，大多数物理学家认为以太是他们那个时代伟大的思想之一。他们期待着一旦人们能正确地理解以太，并使其直觉化和数学化，那么以太将能引导科学对热、光、磁和电现象形成统一的认识。然而，爱因斯坦正是因为以太的概念才反对不对称性的。 爱因斯坦写道，根据物理学家通常的解释，一块移动的磁铁接近在以太中静止的线圈时所产生的电流，与移动的线圈接近以太中静止的磁铁时所产生的电流是无法区分的。由于以太本身是无法观察到的，所以在爱因斯坦看来，在这个实验中，只能观察到一种现象：当线圈和磁铁靠近时，线圈中产生了电流，连在一起的灯被点亮了就是证据。根据当时的理论，电动力学提供了两种不同的解释，但关键在于线圈或磁铁相对于以太是否发生运动。这两种解释的理论基础是麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组是描述电场和磁场行为的基本方程组，还可以预测带电粒子在电磁场中如何运动。如果线圈移动而磁铁在以太中保持静止，根据麦克斯韦方程组，线圈中的电流在穿过磁场时受力，这股力驱动电流点亮了电灯。反之，如果磁铁移动而线圈保持静止，那么解释就会不同。当磁铁接近线圈时，线圈附近的磁场变强。根据麦克斯韦方程组，不断变化的磁场产生了电场，静止线圈有电流通过，点亮了灯。由此看来，到底属于哪一种解释，具体取决于人们是从磁铁的角度还是从线圈的角度来看待这一场景。 爱因斯坦重新审视了这一实验，他发现实验中只有一种现象：线圈和磁铁相互接近，点亮电灯。在他看来，能观察到的现象必然需要解释。爱因斯坦的目标是提出一个独特的解释，这种解释根本不涉及以太，而是描述了两个参照系，其中一个参照系与线圈一起移动，另外一个参照系与磁铁一起移动，即从两种不同的角度观察同一现象。爱因斯坦认为，这种解释关系到物理学的根本原则：相对性原理。 " "这是一部现代时间起源的独特而富有启迪性的科学史巨作，现代版《时间起源》。《爱因斯坦传》作者艾萨克森评价：这是关于爱因斯坦蕞好的著作之一 。 这是一部对相对论演变历史的精彩回顾：作者将相对论的出现与“同时性”问题紧密联系在一起 ，追溯了相对论的发展历程。 这是一本容易读却又深刻的书，在跨学科的融合方面表现得非常好。 以爱因斯坦、庞加莱两位伟大科学家为线索，一步步抽丝剥茧般发现相对论。 中国科学院国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组研究员陈学雷，中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授苟利军，剑桥大学科学史和科学哲学系教授哈索克·张，畅销书《混沌》作者詹姆斯·格雷克等重磅推荐！ 湛庐文化出品。"