相對論、卡爾維諾以及月亮的距離

我們認(rèn)為過去在建立相對論時，所用的描述方式并不是最好的?，F(xiàn)在，距離愛因斯坦具有革命性的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)超過一個世紀(jì)了，從現(xiàn)代的觀點來看，我們發(fā)現(xiàn)了能更深入理解，并且更令人滿意的看待時間和空間的方式。在這個過程中，我們將能夠慢慢理解閔考斯基所說的，時間和空間必須融合在一起，形成一個新的混合體。一旦我們對它們有了一個更加全面和合理的理解，將很快能夠達(dá)到我們最重要的目的，那就是依靠自己的力量推導(dǎo)出E=mc²這個公式，從而理解相對論的核心精神。

那么，我們就從這兒開始吧。愛因斯坦的理論可以完全用幾何的方式表達(dá)出來。這套理論中，存在著三個核心概念，即不變性、因果性和距離。除非你是個物理學(xué)家，不然前兩個概念對你來說也許很陌生。至于最后一個，也許你會認(rèn)為自己對它很熟悉，但其實它也和你所想的不盡相同。不變性是現(xiàn)代物理學(xué)中的一個核心概念。現(xiàn)在，請將你的目光從你眼前的書本上移開，抬頭看看你前方的世界。然后，請轉(zhuǎn)身向相反的方向看去。你的房間會因為你視角的不同而看起來不一樣，但是自然法則卻是不變的。不變性到底為什么重要呢？讓我們揭開這個有趣的物理事實的神秘面紗，看看它的真面目。

月球以每年4厘米的速度遠(yuǎn)離地球。這是為什么呢？首先請在你的腦海里將月球想象成靜止懸掛在不停自轉(zhuǎn)的地球的上空。月球直射下的海水會因為月球重力的影響而向上凸起一些，地球在此影響下以每天一周的速度自轉(zhuǎn)，這樣就形成了海水的潮汐。海水和地表之間存在著摩擦力，正因如此，地球自轉(zhuǎn)的速度不斷減慢。這個影響雖然很小，但也能被測定出來。物理學(xué)家都是通過角動量來測量旋轉(zhuǎn)的速率，所以我們可以說地球的角動量隨著時間推移不斷減少，也就是說地球的自轉(zhuǎn)速率在不斷減慢。而諾特告訴我們，世界從任何一個角度來看都是一樣的，所以角動量是守恒的，也就是說所有轉(zhuǎn)動的總量是不會改變的。那么，地球因為潮汐現(xiàn)象產(chǎn)生的摩擦力導(dǎo)致自轉(zhuǎn)速度減慢，這當(dāng)中失去的角動量上哪兒去了呢？答案是它們被傳遞給了月亮，使得它在環(huán)地球軌道中加速運動，以抵消地球自轉(zhuǎn)慢慢減速的作用。這導(dǎo)致月亮移動到距離地球稍稍遠(yuǎn)的地方。

這是一個十分真實，也非常奇妙的現(xiàn)象。意大利小說家卡爾維諾被這個奇妙現(xiàn)象深深吸引，他創(chuàng)作出一個短篇故事，名為《月亮的距離》。在這個故事里，作家想象在遠(yuǎn)古的某個時候，我們的祖先每天晚上都能坐船穿越海洋到達(dá)月亮?？康牡胤?，并且用梯子就能爬到月球的表面。然而隨著月亮不斷遠(yuǎn)離地球，終于有一天晚上，那些喜歡月亮的人們必須面對一個選擇：永遠(yuǎn)待在月亮上與世隔絕，或是永遠(yuǎn)告別月亮返回地球?？柧S諾筆下這個奇幻浪漫的故事，能在不變性這個抽象概念以及不變性與物理量守恒定律的深層關(guān)系中找到解釋。