乔治·伽莫夫不仅是全球闻名的物理家和天文学家，他还被科普界奉为一代宗师。

Gamov）1904年生于俄国的敖德萨市1928年在原苏联列宁格勒大学获物理学博士学位。1928～1931年先后在丹麥哥本哈根大学和英国剑桥大学师从著名物理学家玻尔和卢瑟福从事研究工作1931年回到列宁格勒大学任教授。1933年在巴黎居里研究所从事研究1934年夏移居美国，任密执安大学讲师同年秋被聘为华盛顿大学教授，1954年任加利福尼亚大学伯克利分校教授1956年改任科罗拉多大学教授，1968年卒于科罗拉多州的博尔德

伽莫夫是一位兴趣广泛的天才。他早年在核物理研究中取得出色成绩其后又在天体物理学上与勒梅特一起最早提出“大爆炸”理论。在生物学上首先提出“遗传密码”理论他还是一位杰出的科普作家，在他一生正式出版的25部著作中（不包括众多的论文）就有18部是科普作品。他的许多科普作品风靡全球《物理世界奇遇记》更是他最著名的代表作。由于他在普及科学知识方面所作出的杰出贡献1956年，他荣获联合国教科丈组织颁发的卡林伽科普奖被科普界奉为一代宗师。

罗素·斯坦纳德 1931～

罗素·斯坦纳德（Russell Stannard）1931年生于英国1956年在伦敦大学学院获得宇宙线物理学哲学博士学位，随即在该学院任助理研究员1959年赴美国加利福尼亚州劳伦斯辐射实驗室任访问学者，1960年回英国母校担任讲师1971年起任英国开放大学物理学教授，1997年退休

斯坦纳德一贯热心科普工作，发表了大量介绍物理學成就的作品其中以《艾伯特大叔三部曲》最为脍炙人口。这部三部曲（包括《艾伯特大叔的时间和空间》《黑洞和艾伯特大叔》和《艾伯特大叔和量子探宝》），用11岁以上青少年喜闻乐见的方式概括讲述了艾伯特·爱因斯坦的全部工作和20世纪的量子理论。该书深受讀者欢迎已被译成15种文字出版，并获得英美两国的多项科普图书奖。

吴伯泽编审，中国翻译工作者协会理事中国科普作家协会外國作品研究会委员，中国物理学会会员吴伯泽1933年生于福建泉州。1953年毕业于厦门大学物理系1955年毕业于哈尔滨外国语专科学校俄语专业。哃年任北京大学物理系俄语翻译员1957年调科学出版社工作。

吴伯泽从1956年开始从事翻译工作共发表译作约500万字，如苏联科学院院长布洛欣采夫的专著《量子力学原理》等在其科普译作中，最受欢迎的除《物理世界奇遇记》以外还有已故华裔美国电脑大王王安的自传《教訓》等。1978年开始进行科普创作发表作品50多篇，其中影响较大的有《移居太空势在必行》、《隐形人》等。

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由于制作过程中难免带入错误欢迎大家指正，我将在随后的版本中修改

原版序、新版序及中译本序

1938年冬，我写了一篇从科学角度看有点异想天开的短篇小说（不是科幻小说）想给不懂物理学的人解释一下空间曲率和膨胀宇宙理论的基本概念。我决定在做这件事的时候尽量把实际存在的相对论性现象加以夸大地描述，以便使这篇小说的主人公——一个对现代科学感兴趣嘚银行小职员C.G.H. 汤普金斯先生——能够很容易地观察到它们

我把这篇稿子寄给《竖琴家杂志》（Harper’s Magazine），但是就像所有刚开始写作的人一樣，我遭到退稿的待遇接下来我又试着把它投给另外五六家刊物，结果也是如此于是我把原稿收入书桌的抽屉里，然后就把它忘了那一年夏天，我参加了国际联盟在华沙组织的理论物理学国际会议一天，我一边呷着杯绝妙的波兰葡萄酒一边同我的老朋友查尔斯·达尔文爵士（写《物种起源》的那个查尔斯·达尔文的孙儿）聊天，话题转到了科学普及工作上来我对达尔文讲了我在走这条路时所碰到嘚坏运气，他随即说：“听着伽莫夫，回到美国后你把你那篇稿子找出来，把它寄给C.P.斯诺博士他是剑桥大学出版社出版的科普杂志《发现》（Discovery）

我真的这样做了，过了一星期斯诺发给我一封电报说：“大作将在下一期发表，望多赐稿”于是，在《发现》杂志以后幾期里连续出现了好几篇以汤普金斯先生为主人公的普及相对论和量子论的故事。不久我收到剑桥大学出版社的一封信，信中建议我紦这些文章集中起来再加上几篇新的故事以增加篇幅，然后合在一起出版成书这本书名叫《汤普金斯先生身历奇境》，于1940年由剑桥大學出版社出版以后又重印过6次。 1944年出版了这本书的续集《汤普金斯先生探索原子世界》它到目前已重印过9次。 不仅如此这两本书还被翻译成多种文字——实际上是除俄文以外的所有欧洲文字，以及中文和印地文

最近，剑桥大学出版社决定把原来这两本书合并起来出蝂一本平装书要我把一些旧的内容更新一下，再增添几个故事来讲述上述两本书出版以后物理学和相关学科所取得的进展这样一来，峩又增加了裂变和聚变、定态（稳恒态）宇宙及有关基本粒子的振奋人心的问题等的故事这些题材就构成了现在这本书。

这里还应该说┅说插图的事《发现》杂志最初发表的那些文章和第一本书，是由约翰·胡克哈姆先生插图的，他创造出汤普金斯先生的容貌特点。当我写第二本书时，胡克哈姆先生已经退休不再当插图员了，因此我决定自己为这本书插图并且忠实地遵循胡克哈姆先生的风格。本书中嘚一些新的插图也是我自己画的至于本书中出现的歌曲，则是我妻子巴巴拉的作品

于美国科罗拉多州博尔德市

在物理学工作者当中，從来没有读过汤普金斯先生历险故事的人大概为数不多虽然这些故事本来是为物理学的门外汉编撰的，但是作者伽莫夫对现代物理学嘚精辟介绍却具有持久不衰的普遍魅力。我自己就总是以最好的心情去迎接汤普金斯先生因此，我十分乐意应邀对本书进行增订

显然，本书早就应该有个新版本了从本书最后一次修订以来的30年里，特别是在宇宙学和高能核物理学的领域中发生的事情实在是太多了。鈈过在重读这本书的时候，我发现需要注意修改的并不仅仅是物理学方面的问题

例如，当前好莱坞的产品已经不能再看做是“那些出洺影星之间没完没了的罗曼史”了还有，在介绍量子理论时难道可以抛开我们今天对濒危物种的关注，而去介绍怎样射杀老虎吗而讓教授的女儿慕德热衷于投入《时髦》的旋涡，想要一件可爱的貂皮大衣并且就在提及物理学时说什么“姑娘们，快跑啊！”这又是怎麼回事在目前大家努力想劝说姑娘们去学习物理学的时候，这很难被看做是一份合适的请柬

其次，在故事情节方面也有一些问题虽嘫伽莫夫因他那别开生面的、通过一个故事来介绍物理学的一个方面的方法而获得很高的声誉，但是在实际把故事情节串在一起时却总昰存在一些缺点。例如汤普金斯先生老是一再从他的梦中看到新的物理学成就，然后才有机会通过包括教授的演讲或交谈在内的各种日瑺生活场景接触到这类思想（甚至是下意识地）就拿他去海滨度假的例子来说吧！他在火车上睡着了，梦见教授同他在一起旅行后来財发现，教授确实是同他在一起度假于是汤普金斯先生便生怕教授想起他在火车上——也就是在他的梦里——表现得多么愚蠢！

有时，書中的物理解释并没有达到可以达到的清晰程度例如，在讨论从相对论的观点看无法确定发生在不同地点的事件的同时性时书中描述叻处在两艘宇宙飞船上的观察者需要比较其观察结果的情形。但是这时并没有采用这两个参考系之一的观点，而是从两艘飞船在其中飞荇的第三个未得到认可的参考系去提出问题同样，用站长被枪杀时那个搬运工人看来正在站台的那一端读报这个解释事实上是不能像書中所说的那样，证明那个搬运工人无罪的（这个描述必须排除掉那个工人先开枪然后坐下读报的可能性）。

应该如何处理“宇宙之歌”也是个问题当然，把这样一部歌剧搬到卡文特加登去上演的想法本身就有些牵强了但是，现在我们所面临的是一个更为重要的问题：这部歌剧的主题——大爆炸理论与定态（稳恒态）宇宙理论之争——今天已不能再看做是现实的问题了因为所有的实验证据已经以压倒优势支持了大爆炸理论。不过如果把这段别出心裁而又娱人耳目的插曲删去，倒也是一大损失

还有一个同插图有关的问题。《物理卋界奇遇记》中的插图有一部分是胡克哈姆的作品，另一部分是伽莫夫自己画的为了描述物理学的最新进展，需要再增加一些插图這就需要再请第三位美术家参加工作。那么是应该把全书的插图弄成一锅风味各异、难以令人满意的大杂烩，还是应该采用一种全新的莋法呢

根据上述的各种考虑；我必须在下面两种做法之间作出抉择：我可以约束自己，在增订版中尽量少作改动只在物理内容方面作些增添修补，而对所有其他缺点则采取视若无睹的办法；另一种做法则是知难而上进行全面的改写。

我决定选择后一种做法所有各章嘟必须加以修订，而第7、15、16、17章则完全是新添的我还决定增加一篇名词浅释，它对读者应该会有所助益我所提出的详细改动方案已经嘚到伽莫夫的家属、出版社及其顾问委员会的赞同。只有一个值得注意的例外：有位顾问认为不应该以任何方式去改动原文这个不同的觀点是一个信号，它告诉我我所做的工作是不可能使每一个人都满意的。很明显总是会有一些人宁愿保留原作，认为它已经写得够出銫了

不过，就目前这个增订版而论它的对象主要是那些还不认识汤普金斯先生的读者。因此我在尽力忠实于伽莫夫原作的风格和写法的同时，还力图更多地了解和满足下一代读者的需要在这一点上，我倒是可以认为如果是伽莫夫本人今天在做这项工作的话，他也佷可能写成这样的增订版

感谢迈克尔·爱德华兹（Michael Edwards） 用他焕然一新的插图为本书增色。感谢马特·李利（Matt Lilley） 对初稿提出很有帮助的建设性批评对于伽莫夫的家属给与我的鼓励和支持，我由衷表示最深切的谢意

本书是著名美国物理学家、宇宙学家兼科普作家乔治·伽莫夫（George Gamov）和英国科普作家罗素·斯但纳德（RussellStannard）“合作”的结晶。

伽莫夫1904年生于俄国1928年在原苏联列宁格勒大学获得物理学博士学位，1928～1931年先後在丹麦哥本哈根大学和英国剑桥大学师从著名物理学家玻尔和卢瑟福进行研究工作1931年回国任列宁格勒大学教授。当时自命为“坚持唯物主义”的李森科学派正称霸科学界，不仅与李森科持不同看法的著名遗传学家瓦维洛夫神秘地失踪就连物理学界也受到巨大的冲击：凡是支持爱因斯坦的相对论和海森伯的测不准原理的人，都一律被视为异端在这种恶劣的环境下，伽莫夫觉得在祖国已无发展前途洏且随时有生命危险，终于在1933年借一次物理学国际会议之机离开原苏联并于1934年移居美国，直至1968年卒于科罗拉多州的博尔德

伽莫夫是一位兴趣很广的天才。他早年在核物理研究中就己取得出色的成绩其后，他又在宇宙学上同勒梅特一起提出宇宙生成的“大爆炸”理论茬生物学上首先提出“遗传密码”概念，这两者目前都已得到科学界的公认

应该特别指出的是，伽莫夫非常重视普及科学知识的工作怹移居美国以后，发现美国虽然经济发达但许多人对20世纪初的科学成就，特别是当时刚出现不久的相对论、量子论和原子结构理论都一無所知因此，他决定在从事教学和研究工作之余动笔向普通读者介绍这些新生事物。从1938年起他在英国剑桥大学出版社的支持下，发表了一系列有点离奇的科学故事这些故事的主人公汤普金斯先生——一个只知数字而不懂科学的银行职员——通过聆听科学讲座和梦游粅理奇境，初步了解了相对论和量子论的内容1940年，他把第一批故事汇集成他的第一部科普著作《汤普金斯先生身历奇境》出版；1944年又把其后的故事汇集成《汤普金斯先生探索原子世界》一书这两本书出版后，深受读者欢迎几乎年年重印。1965年伽莫夫为了补充介绍新的粅理学进展，也为了使作品的内容更紧凑、价格更容易为读者所接受便把上述两书合并、补充、改写，以平装书的形式出版由于当时湯普金斯先生在英美等国已成为家喻户晓的人物，而前两本书又都以精装本的形式出版所以伽莫夫给这本廉价的新版本起了个有趣的书洺《平装本里的汤普金斯先生》（Mr. paperback）。（考虑到我国读者对汤普金斯先生并不熟悉很难从这个书名获得必要的信息，我便擅自根据其内嫆把书名译为《物理世界奇遇记》）。从1938年开始塑造汤普金斯先生这个人物形象到1967年对这本书进行最后一次修订，伽莫夫不遗余力對它倾注了他对科普工作的全部热情，因此可以说在伽莫夫的众多科普作品（如《从一到无穷大》、《太阳的生与死》等等）当中，这夲书是最为成功也是最有代表性的。它不仅吸引了无数普通读者并且受到了科学界的普遍重视，被译成多种文字出版

1968年伽莫夫不幸逝世，但这本书却仍然以极强的生命力继续发挥其积极的作用直到20世纪90年代后期，依旧是年年或隔年重印一次但是，在流逝的30年里整个世界和物理学毕竟都有了巨大的变化，使本书的部分内容显得陈旧例如，在伽莫夫撰写本书时他所坚持的宇宙“大爆炸”理论与其对立面“定态宇宙理论”还处于相持不下的阶段，而目前所有的实验证据都说明“大爆炸”理论已是得胜的一方又如，当时伽莫夫同許多物理学家一样认为质子和中子是不可再分的基本粒子，但是夸克和胶子的发现已经推翻了这种看法。因此剑桥大学出版社终于認识到，只有对本书的内容进行全面的更新增订才能使它继续“活下去”；并且约请英国著名科普作家斯坦纳德从事这项工作（关于工莋的详情，斯坦纳德在其前言中己作了介绍这里不再赘述）。于是1999年便出现了目前这个最新版本，书名改为《汤普金斯先生的新大陆》（The New World of Mr. Tompkins）（由于同样的原因，我把它译为《物理世界奇遇记·最新版》）可以说，这个最新版概括了整个20世纪物理学和宇宙学的全部研究成果

我第一次接触本书，是在1977年初提到这件事，我必须感谢当时主持科学出版社编辑部工作的林自新先生是他建议我翻译本书并审读叻全部译稿，才使中译本得以顺利地在1978年出版当时的译本印刷过两次，总发行量达60万册其受我国读者欢迎的程度，由此可见一斑但昰，仅仅过了几年由于学生、家长和教师都特别重视升学率，青少年科学读物市场几乎完全被教学辅导书籍所占领加以本书的内容逐漸老化，中译本失去重印的机会似乎已无望重见天日。

出我意料之外的是1999年湖南教育出版社又把它发掘出来，准备归入该社编辑的《卋界科普名著精选》丛书重新出版当谭清莲女士把这个消息告诉我时，我感到无比欣慰更出我意料之外的是，谭女士在同剑桥大学出蝂社洽商版税时最先发现该出版社即将推出斯坦纳德增订的这个最新版本，并建议我根据其校样重新翻译（当时最新版本尚未正式出版）她除了审读新版本的全部译稿外，还加了几个很有意义的编者注并请李元先生把原书中的几个乐谱（五线谱）译成简谱并配词，使Φ译本生色不少在此，我由衷地向她表示最深切的谢意！

注：汤普金斯先生名字的三个首写字母出自三个基本物理常数：光速c万有引仂常数G 和量子常数（即普朗克常数）h。这些常数必须改变许许多多倍才能使路上的行人很容易地观察到它们所引起的效应。——作者注

這一天是公休日汤普金斯先生，本市一家大银行的小职员睡到很晚才起床，吃了一顿从从容容、舒舒服服的早饭他想把这一天好好咹排一下，这时他最先想到的是午后去看一场电影，于是他打开当地的晨报，聚精会神地在娱乐栏搜索起来但是，看来没有一部影爿能吸引他目前那些专门描写色情和暴力的影片，已经叫他腻味透了除了这些，就是一般在假日给孩子们准备的电影这里哪怕只有┅部影片有点什么真正的冒险故事，有点什么不平常的东西甚至就是叫人觉得有点异想天开，那也勉强凑合了可是，就连这样的影片吔没有一个

所有这些粗制滥造的作品啊

无意间，他的目光落在报纸屁股一段简短的报道上原来，本市的大学正在举办一系列介绍现代粅理学问题的讲座这一天下午的讲座所要介绍的，是爱因斯坦 的相对论行，那儿可能还有点内容！他常常听人家说全世界真正懂得愛因斯坦的理论的，只不过12人而已说不定他恰巧能够成为第十三个哩！于是，他决定去听听这个讲座这可能正好是他所需要的东西。

怹来到这个大学的演讲厅时演讲已经开始了。大厅里坐满了学生大多是很年轻的，但是也有不少年纪较大的听众，大概像他自己一樣是一些普通的老百姓。他们全都全神贯注地听着黑板旁边那个白胡子的高个儿讲话而他也卖力地为他的听众讲解着相对论的基本概念。

汤普金斯先生好不容易才听明白爱因斯坦理论的整个要点，就在于存在着一个最大的速度值——光速这个速度是任何运动物体都無法超越的，并且正是这个事实产生了一些非常奇怪、非常不寻常的后果 。比如说当运动速度接近于光速时，量尺就会缩短而时钟僦会变慢。不过那位教授说，由于光的速度是300,000公里每秒 所以在日常生活的各种事件中，就很难观察到这些相对论性效应在汤普金斯先生看来，这一切都是同普通的常识相矛盾的他竭力想在脑海中描绘出量尺的缩短和钟表上那些古怪的表现会是什么样的，这时他的腦袋渐渐耷拉到胸前了。

当他重新睁开眼睛的时候他发现他自己并不是坐在演讲厅的长椅上。而是在市政当局为乘客等车方便而设置的長椅上坐着这是一座美丽的古城，沿街矗立着许多中世纪的学院式建筑物他揣摩他自己一定是在做梦，但是大大出他意料之外，他周围丝毫没有发生什么不寻常的事情对面学院的钟楼上那个大时钟的指针，这时正好指在5点上

街上几乎已经没有车辆往来了，只有一輛孤零零的自行车从上方缓慢地驶来当它来到近前的时候，汤普金斯先生的眼睛突然由于吃惊而瞪得滚圆原来，自行车和车上的年轻囚在运动方向上都难以置信地缩扁了就像是通过一个柱形透镜看到的那样 。

钟楼上的时钟敲完了5下那个骑自行车的人显然有点着急了，更加使劲地蹬着踏板汤普金斯先生发现骑车人的速度并没有增大多少，然而由于他这样努力的结果，他变得更扁了好像是用硬纸板剪成的扁人那样向前驶去。这时汤普金斯先生感到非常自豪因为他能够理解那个骑车人是怎么回事——这正是他刚刚听来的，只不过昰运动物体的收缩罢了“在这个地方，天然的速度极限显然是比较低的”他下结论说，“我看不大会超过20公里每小时在这个城市里，人们是不需要使用高速摄像机的”事实上，这时候在街上行驶的一辆发出全世界最嘈杂的噪声的小汽车也跑不过这辆自行车，比起來它就像甲虫在爬行那样汤普金斯先生决定追上那个骑车人——他看来是个和善的小伙子——问问他这一切是怎么回事。但是怎样才能赶上他呢？这时汤普金斯先生发现有辆自行车停靠在学院的外墙边，他想这大概是属于某个去听讲座的学生的，如果他只是借用短短的一会儿学生是不会发现丢失的。于是他看准旁边没有人注意他，便偷偷骑了上去拼命朝着前面那辆自行车赶去。他猜想他自己馬上就会缩扁并且很为此而感到高兴，因为他不断发福的体形近来已成为他的一桩心事了然而，出他意料之外不管是他自己还是他嘚车子，都没有发生任何变化相反的，他周围的景象完全改变了：街道缩短了商店的橱窗变得像一条条狭缝，而在人行道上步行的人則变成他有生以来第一次见到的细高条

城市的街道变得越来越短了

“真的，”汤普金斯先生兴奋地感叹着“我现在看出点诀窍来了。這正是用得上‘相对性’这个词的地方每一件相对于我运动的物体，在我看来都缩扁了不管蹬自行车的是我自己还是别人！”

他骑车┅向骑得很出色，现在他更是使出浑身解数去追赶那个年轻人但是他发现，骑在现在这辆车上想加快速度可不是件容易的事。尽管他巳经使出吃奶的劲头去蹬车子车子的速度还是增加得微乎其微。他的双腿开始酸痛起来了但他驶过路旁两根电灯杆的速度，却比开始時快不了多少他为加快速度所作的一切努力，似乎什么结果也没有达到现在他非常清楚地理解到，他刚刚碰到的那辆出租小汽车为什麼跑得并不比自行车快了于是，他记起那位教授所说的不可能超越光速这个极限的话来了不过他注意到，他越卖力气地蹬这个城市嘚街道便变得越来越短，而在他前面蹬车的那个小伙子现在看来也不是那么远了过了一会儿，他追上了那个年轻人在他们肩并肩蹬着車子的那一瞬间，他出乎意料地发现那个小伙子和他的自行车实际上是完全正常的。

“哦这一定是因为我同他之间没有相对运动的缘故。”他作出结论说接着，他就同那个年轻人攀谈起来

“对不起，先生”他说，“住在一个速度极限这么低的城市里你不觉得不方便吗？”

“速度极限”对方惊奇地答道，“我们这里不存在什么速度极限不管在什么地方，我想骑多快都行；至少要是我有一辆摩托车来代替这辆使不上劲的玩意儿，我就可以想骑多快就骑多快了”

“但是，刚才你从我面前骑过时你的运动是非常慢的，”汤普金斯先生说“我特别注意到这一点。”

“哦你特别注意了，是吗”年轻人说，他显然有点不高兴“我想，你并没有注意到从你開始同我谈话到现在，我们已经跑过5个十字路口了难道在你看来，这还不够快吗”

“不过，这些街道已经变得太短了”汤普金斯先苼争辩说。

“究竟是我们骑得快还是街道变得短，这又有什么不同呢我需要跑过10个岔路口才能到达邮局，如果我蹬得快一点街道就會变得短一点，而我也就到得早一点瞧，我们事实上已经到了”年轻人一边说，一边从自行车上下来

汤普金斯先生也停了下来，他看看邮局的时钟时钟指着5点30分。“瞧”他得意地指出，“不管怎么说你跑过10个岔路口，已经花了半个钟头——我第一次看到你的时候学院的时钟正好是5点整！”

“你真的发现已经过去半个钟头了？”对方问道

汤普金斯先生不得不同意说，他确实觉得这仅仅是几分鍾的事不仅如此，当他看自己的手表的时候他看到手表也只有5点5分。“啊！”他说“是邮局的时钟走快了吧？”

“你可以说是它走赽了当然也可以说是你的手表走慢了。你的手表刚才一直在相对于那两个时钟而运动着不是吗？那么难道你还认为有什么别的结果嗎？”他有点生气地瞧着汤普金斯先生“可是说到头来，这又碍你什么事呢难道你是刚刚从月亮上掉下来的？”说着年轻人走进邮局去了。

经过这番交谈汤普金斯先生意识到，没有那位老教授在身旁为他解释这一切奇怪的事件他是多么不幸了。那个年轻人显然是汢生土长的他甚至还没有学会走路，就已经对这些事情司空见惯、不以为奇了所以，汤普金斯先生不得不靠自己去探索这个奇异的世堺他把手表拨到邮局时钟所指的时间，并且等了10分钟看看手表走得准不准。结果表明他的手表并没有毛病。

于是他继续沿着大街騎下去，最后来到了火车站他决定用火车站的时钟再对一次表。出他意料之外手表又一次慢得相当多。

“得这肯定又是某种相对论性效应了。”汤普金斯先生下结论说他决定找一个比骑车的小伙子更有学问的人，问问这到底是怎么口事

机会很快就来了。一个约摸40哆岁的绅士下了火车朝车站的出口走过来。在那里迎接他的是一个很老的老太婆但是更使汤普金斯先生吃惊的是，这个老太婆竟管那位绅士叫“亲爱的爷爷”汤普金斯先生觉得这未免太过分了，于是他便以帮忙搬行李为借口，同那个绅士攀谈起来

“请原谅我打听伱们的家务事，”他说“但是，你真的是这位好老太太的爷爷吗你知道，我是个外地人从来没有……”

“哦，我明白了”绅士说，他的胡子间露出一点笑意“我看，你一定是把我看做流浪汉 或诸如此类的人了（在这个城市里由于光速非常小，接近于车辆的速度所以，一个人越常旅行他就显得越年轻，这样人们就很容易把那些显得比一般人年轻的人当作流浪汉看待了。——译者注）其实，事情是十分简单的我的业务要求我经常出去旅行，这样由于我的生活大部分是在火车上度过的，我比起我那些住在这个城里的亲属來自然要老得慢多了。这次我能够及时回来看到我这最可爱的小孙女还活在人世，我是多么高兴啊！但是对不起，我还得把她送走哩”于是，他匆匆忙忙地叫了一辆出租车把汤普金斯先生撂下让他又一次孤零零地去对付他那一堆问题。

火车站食堂里的两片夹肉面包大大加强了汤普金斯先生的思考能力他想了很多。很远甚至于认定他已经找出那著名的相对论原理的破绽了。

“当然啦”他一面想，一面啜着咖啡“运动使时间过得慢，这就是他变得比较年轻的原因了如果像那位教授所说，一切运动都是相对的那么，那个旅荇者在他的亲属看来既然显得年轻，那么他的亲属在他看来，也应该显得很年轻啊不过，这不大对头啊那个孙女看起来并不比他姩轻，她确实比他老啊白头发不可能是相对的。那么这意味着什么呢？难道并不是一切运动都是相对的”

因此，他决定再作最后一佽尝试弄清这到底是怎么回事，于是他转向坐在食堂里的一个穿铁路制服的单身汉

“劳驾，先生”他开口说，“你能不能费心给我講一讲对于火车上的旅客比老住在一个地方的人老得慢这件事，谁应该负责”

“我对这件事负责。”那个人说干脆极了。

“啊！”湯普金斯先生喊了起来“怎么回事……”

“我是火车司机。”那个人回答说似乎这就能解释一切了。

“火车司机”汤普金斯先生从n個不同元素中有重复的取r个了一遍，“其实我从小就一直想当个火车司机的。”“但是这怎么能使人保持年轻呢？”汤普金斯先生十汾惊奇地问道

“这个嘛，我也不太清楚”火车司机说，“但事情就是这样我是从大学的一个老头那里听说的。他当时就坐在那儿”他指着靠在门边的一张桌子说。“消磨时间嘛他告诉我他在做什么工作，当然要比我高一头啦他胡吹乱侃，我一个字也听不懂不過，他说这一切都是由于加速和减速而造成的我还记得一些。他说不但速度会影响时间，加速度也是这样每次在火车进站和出站时嘟要减速和加速，那就会使乘客觉得时间在倒退不坐火车的人是不会感觉到这种变化的。当火车进站时你会发现，那些站在月台上的囚并不需要紧紧抓住栏杆也没有像火车上的乘客那种似乎就要跌倒的样子。看来差别就在这里了……”他突然停下不说了

突然，一只沉重的手摇撼着汤普金斯先生的肩膀于是他发现自己并不是在车站的咖啡厅里，而是坐在他听教授演讲的那个大厅的长椅上这时，天巳经黑了大厅里空无一人。那个把他叫醒的管门人说：“我们就要关门了先生，要是你还想睡觉最好是回家睡去。”

汤普金斯先生站了起来开始朝门口走去。

爱因斯坦（Albert Einstein）美国物理学家，他在物理学许多方面都有巨大贡献其中最重要的是它在总结大量实验事实嘚基础上，建立了狭义相对论并在这个基础上进一步创立了广义相对论，否定了过去认为时间与空间互不相关的概念1933年爱因斯坦受纳粹政权的迫害，迁居美国——译者注

根据相对论，物体以接近光速的速度运动时在运动方向上，它的长度将明显地缩短同时，在这個物体上发生的过程的速度将变慢（或者说时间将延长）这里指的就是这些效应。——译者注

年著文指出人眼观察高速运动物体所得視觉图像，既受到相对论收缩效应影响又受到因光速有限而使运动物体各部位相对于观察者同时发出的光不能同时到人眼的“时差”影響，其综合效果是视觉图像等效于事物的偏转图像据此，高速运动球体的视觉图像仍然是球体而不是椭球体高速运动自行车和骑车者嘚视觉图像因有偏转效果，在运动方向上的视觉长度确实会短了些但由于车与骑车者具有体结构，观察者不会因此感到对方“缩扁了”——编者注

在这个城市里，由于光速非常小接近于车辆的速度，所以一个人越常旅行，他就显得越年轻 这样，人们就很容易把那些显得比一般人年轻的人当作流浪汉看待了——译者注

2. 教授那篇使汤普金斯先生进入梦境的相对论演讲

还在人类智慧发展的最初阶段，囚们就已经明确地把空间和时间看做发生各种事件的舞台这种概念一代一代地传下来，没有什么实质性的改变；并且从精密科学开始發展以来，它就被用作对宇宙进行数学描述的基础伟大的牛顿 大概是第一个清楚地阐明了古典的时空概念的人，他在他的《原理》一书Φ写道：

绝对空间就其本质而言是不依赖于任何外界事物的，它永远是相同的不变的。绝对的、真实的数学时间就其自身及其本质洏言，是永远均匀地流动的不依赖于任何外界事物。

过去人们极其坚定地相信这些古典的时空概念是绝对正确的，因此哲学家们常瑺把它们看做某种先验的东西，而科学家们连想也没有想到可能有人对这些概念产生怀疑

但是，在20世纪刚开始的时候人们开始了解到，要是硬把实验物理学最精密的方法所得到的许多结果纳入古典时空概念的框框就会出现一些显而易见的矛盾。这个事实使当代最出色嘚物理学家爱因斯坦产生了一个革命的想法他认为，如果抛开那些传统的借口就根本没有任何理由把古典的时空概念看做绝对真理，囚们不仅有可能、并且也应该改变这些概念使它们同新的、更精密的实验相适应。事实上既然古典的时空概念是在人类日常生活体验嘚基础上建立起来的，那么要是今天根据高度发展的实验技术建立的精密的观察方法表明，那些旧的概念过于粗糙过于不精确，它们の所以能够用在日常生活中能够用于物理学发展的初期，仅仅是由于它们同正确概念的差异相当微小那么，我们就不应该大惊小怪了同样，要是现代科学所探索的领域不断扩展把我们带到两者的差异变得非常巨大、以致古典概念根本无法应用的场合，我们也不应该感到惊讶

使古典概念从根本上遭到批判的一个最重要的实验结果，是人们发现了真空中的光速是一个常数（等于300,000公里每秒）并且是一切可能的物理速度的上限。这个出人意料之外的重要结论主要是从美国物理学家迈克耳孙和莫利 的实验得出的。19世纪末他们千方百计想观察地球的运动对光的传播速度的影响。他们的脑子里还是当时流行的观点认为光是一种在被称为“以太”的媒质中运动的波。这样它的表现就应该像在池塘表面上运动的水波那样。当时人们还认为地球也是在穿过这种以太媒质运动的，很像是一艘在水面上运动的尛船在小船上的乘客看来，小船激起的涟漪朝着小船运动方向向前扩展的速度要比涟漪向后扩展的速度慢一些，因为在前一种情况下偠从涟漪原来的速度减去小船的速度而在后一种情况下却要把两个速度相加起来。我们把这叫做速度相加定理这个定理一直被看做是鈈证自明的。因此在穿过以太运动时，光的速度同样应该随着它相对于地球运动的方向的不同而显得不尽相同既然如此，只要测量出咣在不同方向上的速度就应该能够测定地球在以太中的运动速度了。

但是迈克耳孙和莫利却发现，地球的运动对光速根本没有任何影響不管在哪一个方向上，光的速度都是完全相等的这个发现使他们本人和整个科学界都大吃一惊。这个奇怪的结果使他们产生了一种想法：也许是非常不巧在他们进行那个实验的时候，地球在其环绕太阳运动的轨道上正好处在相对于以太静止不动的状态为了检验事凊是不是这样，过了６个月也就是当地球在太阳的另一侧朝着相反的方向运行时，他们又从n个不同元素中有重复的取r个做了那个实验泹是，这一次也同样测不出光速有任何不同

既然已经确定，光速的表现同水波的速度不一样那么，剩下来的可能性就是假定它的表现囷子弹相同了如果我们用小船上的枪射出一颗子弹，那么在乘客看来，这颗子弹不管是朝哪个方向射出它离开运动中的小船的速度嘟是相同的——事实上，迈克耳孙和莫利也已经发现从运动中的地球朝不同方向发射出的光，它们离开地球的速度也全都相等但是在這种情况下，站在岸上的观察者就会发现朝着小船前进方向射出的子弹的运动速度，要比朝着相反方向射出的子弹更快一些：在前一种凊况下小船的速度会同子弹的出膛速度相加在一起，而在后一种情况下却要从子弹的出膛速度减去小船的速度——而这同样是速度相加定理告诉我们的。与此相应我们也应该认为，从某个相对于我们与运动的光源发射出的光它的速度必定会随着同运动方向所形成的發射角的不同而不同。

但是实验告诉我们，实际情形也不是如此我们就拿电中性的π介子作为例子吧！π介子是一种非常小的亚原子粒孓，它在衰变时会发射出两个光脉冲已经发现，不管这两个脉冲的发射方向同原来母π介子的运动方向有什么关系，它们射出的速度总是相同的，甚至在π介子本身以接近于光速的速度运动时也是这样

于是我们发现，前面提到的两种实验都没有得到预期的结果：前一种实驗表明光速的表现同常规水波的速度不一样；而后一种实验则表明，光速的表现也不同于常规子弹的速度

总而言之，我们的发现是：鈈管观察者在做什么运动（我们是从运动中的地球上进行观察的）也不管光源在做什么运动（我们所观察的是从运动中的π介子发出的光），光在真空中的速度总是具有恒定的值。

我前面提到过，光速有另外一个性质——光速是无法超越的极限速度这又是怎么回事呢？

“啊”你们可能会说，“难道不可能把若干个比较小的速度相加起来构成一个超过光速的速度吗？”

举个例子吧！我们可以设想有一列跑得非常快的火车就说它的速度等于光速的3/4吧，再设想有一个人在车顶上朝火车头跑去他的速度也等于光速的3/4。

按照速度相加定理这两个速度合成的总速度应该等于光速的1.5倍，因此那个在车顶上跑的人应该能够赶上并超过路边信号灯所发出的光束。但是实际情況是：既然光速固定不变是一个实验事实，所以在现在所说的这个例子里，合成速度就必定小于我们上面所预期的速度值——它不能超過极限值c因此，我们应该得出结论说即使对于比较小的速度来说，古典的速度相加定理也肯定是不正确的

关于这个问题的数学处理，我不想在这里细说但是我可以告诉你们，在计算两个叠加运动的合成速度方面它得到了一个非常简单的新公式。

如果v ₁ 和v ₂ 是那两个要楿加的速度c是光速，那么合成速度与原来速度的关系应该是

从这个公式可以看出，如果原来两个速度都很小——我说很小是同光速楿比较而言的——那么，上式分母的第二项同1相比较就可以略去不计，这时你所得到的就是古典的速度相加定理。但是如果v ₁ 和v ₂ 都不算小，那么你所得到的结果就总是比这两个速度的算术和小一些。例如在上面所说的那个人在火车顶上奔跑的场合下， ，这时用仩面公式得出的合成速度， 这仍然小于光的速度。

在一种特殊的场合下即当原来两个速度当中有一个等于c的时候，不管另一个速度有哆大用公式 所得出的合成速度都等于c。由此可见不管把多少个速度相加起来，也永远得不到比光速更大的速度

你大概也乐意知道，這个公式已经由实验加以证明了——人们在实验中确实发现两个速度的合成值总是小于它们的和。既然我们承认速度有一个上限我们現在就可以着手批判古典的时空概念了。在这里我们的第一支箭要对准根据这种概念建立起来的同时性概念。

“你把火腿炒鸡蛋端上你茬伦敦的餐桌正好与开普敦矿井 中那些炸药的爆炸同时。”——当你说这句话的时候你一定认为，你知道你的意思是什么但是，我馬上就要指出你并不知道你自己在说什么，并且严格他说这句话是没有任何确切含意的。事实上你有什么方法可以检验这两个事件箌底是不是同时发生在两个不同的地方呢？你会说只要在发生这两件事时，那两个地方的时钟指着同一个时刻就行了但是，这时马上產生了一个问题：你怎样把这两个离得很远的时钟弄到一块让它们同时指着同一个时刻呢？这样一来我们就又回到原先的问题上来了。

由于真空中的光速不依赖于光源的运动状态和测量光速的系统这件事是一个最精确地确定了的实验事实，我们就必须认为下面所要介绍的测量距离和核对不同观察站的时钟的方法，是最为正当的方法并且，要是你稍稍多想一想你就一定会同意说，它同时也是惟一匼理的方法

设想我们从A站发出一个光信号，让这个光信号一到达b站就马上返回A站。这样在A站记录到的从发出信号到信号返回A站的时間的一半，乘上固定不变的光速应该就是A站与b站的距离。

如果在信号到达b站的瞬时当地的时钟正好指着A站在发出信号和收到信号的瞬時所记录下的两个时间的平均值，我们就说A站和b站的时钟是彼此对准了的。对固定在一个刚体上的各个观察站用这种方法把时钟一一對准，我们最后就得到了我们所希望有的参考系因而就能够回答两个在不同地点发生的事件是否同时的问题了。

但是这些结果会不会為另一个参考系中的观察者所认可呢？为了回答这个问题我们假定这两个参考系是固定在两个不同的刚体上的，或者就说是固定在两枚鉯同一固定不变的速度朝相反方向飞行的长火箭上吧现在我们来看看，这两个参考系的时间怎样才能彼此对准

假定每一枚火箭的头尾兩端各有一个固定不动的观察者，这4个观察者首先必须把他们的表彼此对准这时，每一枚火箭上的两个人都可以把前面所说对准时钟嘚办法变通一下，把他们的表彼此对准这就是从火箭的正当中（这可以用量尺测量好）发出一个光信号，当这个信号从火箭的正当中传箌它的头尾两端时每一端的观察者就都把自己的表拨到零点。这样按照前面的规定，这两个观察者已经把他们自己那个参考系中的同時性标准确定下来把他们的表“对准”了——当然啦，这是从他们自己的观点出发来说的

现在他们决定看看他们火箭上的时间记录是鈈是同另一枚火箭上的记录相符。譬如说当处在不同火箭上的两个观察者彼此擦身而过时，看看他们的表是不是指着同一个时刻这可鉯用下面的方法来检验：他们在每一枚火箭的几何中点插上一根带电的导体，让两枚火箭互相掠过且它们的中点彼此对准时，在两根带電导体之间跳过一个电火花这样一来，光信号便同时从每一枚火箭的中点向两端传播如图（a）所示。过了一会儿2上面的观察者2A和2b所看到的情形表示在图（b）上。这时火箭1已经相对于火箭2运动开了两个光束朝着前后两个方向移动了相等的距离。但是请大家注意这时发苼了什么事情由于观察者1b是朝着向他射过来的光束运动的（在观察者2A和2b看来，情形就是这样）所以在火箭1上向后行进的光束已经到达觀察者1b的位置。按照2A和2b的看法这是因为这个光束所需要走过的距离比较短。因此观察者1b便把他的表拨到零点，而其他人都还没有动作在图（c）中，光束已经到达火箭2的两端这时观察者2A和2b便同时把他们的表拨到零点。只有到图（d）的情况出现时火箭1上向前传播的光束才到达观察者1A的位置，使他觉得是该把自己的表拨到零点的时候了这样一来，我们就可以知道在火箭2上的两位观察者看来，火箭1上嘚那两位并没有对好他们的表——他们的表不会显示出相同的时间

他们的表显示出不同的时间

当然啦，我们也很容易表明在火箭1上面嘚观察者看来，火箭2上也发生了同样的情形按照他们的看法，“静止不动的”正是他们自己的火箭而在进行运动的应该是火箭2。现在昰观察者2b在朝着射向他的光束前进而2A却对着光束倒退。因此在观察者1A和1b看来，是2A和2b没有把他们的表对好而他们自己却是把表对好了嘚。

其所以会出现这种看法上的差异是因为当几个事件发生在分隔开的地方时，这两组观察者就必须先进行计算然后才能决定这些被汾隔开的事件是不是同时发生；他们必须扣除光信号从遥远的地方传到他们那里所花费的时间，并且坚定地认为相对于他们来说来自任哬方向的光的速度都是恒定不变的（只有当几个事件发生在同一个地方，也就是不需要进行计算时才能对这些发生在那个地方的事件是否同时作出普遍认可的判断）。

既然这两枚火箭的地位是完全平等的所以，要解决这两组观察者之间的争论就只能够说，这两组观察鍺的说法从他们各自的角度看来都是正确的；而究竟哪一方是“绝对”正确的问题，则没有任何物理意义

我怕我这番冗长的议论已经紦大家弄得十分疲倦了，不过要是你们很细心地从头听下来的话，就一定会明白一旦采纳我们上面所说的时空测量方法，绝对同时的概念就不复存在了——在某个参考系中的同一时间但在不同地点发生的两个事件在另一个参考系看来，将变成被一定时间间隔分隔开的兩个事件

这种说法乍一听来是极端反常的。但是如果我说，你在火车上吃晚饭的时候你的汤和点心都是在餐车上同一个地方，但却昰在铁路上相距很远的两个地方吃下去的那么，你是不是也会觉得反常呢其实，关于你在火车上吃晚饭这个例子也可以换一种说法，说成是在某个参考系中的同一地点，但在不同时间发生的两个事件在另一个参考系看来，将变成被一定空间间隔分隔开的两个事件

把这种“正常”的说法同上面那种“荒谬”的说法比较一下，你就会看出这两种说法是完全对称的，只要把“时间”和“空间”这两個词对换一下就可以把其中的一种说法变成另一种说法。

爱因斯坦的整个观点就是：在古典物理学中时间被看做某种完全不依赖于空間和运动的东西，它是“均匀地流动的不依赖于任何外界事物”（牛顿语）；与此相反，在新的物理学中空间和时间却是紧密地联系茬一起的，它们只不过是发生一切可以观察到的事件的均匀“时空连续统”的两个不同截面把这种四维的连续统分裂为三维的空间和一維的时间纯粹是一种任意的作法，这与进行观察时所用的参考系有关

在一个参考系看来，在空间中由距离l、在时间上由间隔t分开的两个倳件从另一个参考系看来，分开它们的空间距离将变成l’时间间隔则变成t’，因此从某种意义上说，我们可以说是把空间变换成时間或者把时间变换成空间了同样也不难看出，为什么在我们看来把时间变换成空间（像在火车上吃晚饭那个例子）是很普通的概念，洏从空间变换成时间（这会使同时性变成相对的）却似乎是极为反常了问题在于，如果我们用“厘米”来测量距离那么，相应的时间單位就不应该是常用的“秒”而应该是一种“合理的时间单位”，它等于光信号走过1厘米距离所花的时间即0.000

这样一来，在我们日常经驗的范围内从空间间隔变换成时间间隔所产生的结果实际上是观察不到的，这就似乎证明了时间是某种绝对独立的不变的东西这种古典观点。

但是在研究速度极高的运动，例如在研究放射性物质所发射出的电子的运动或电子在原子内部的运动时由于这时在某一时间內走过的距离同用合理时间单位所表示的时间属于同一个数量级，我们就必定会碰到上面所讨论的那两种效应这时，相对论就变得非常偅要了即使在速度比较小的区域内，例如在研究我们太阳系中行星的运动时由于天文观测已经非常精密，也可以观察到这些相对论性效应不过，想观察到它们就必须测出行星运动每年总共只有几分之一弧秒的变化。

我上面已经尽力为大家说明对古典时空概念进行批判会导致一个结论，即空间间隔实际上可以变换成时间间隔时间间隔也可以变换成空间间隔，这就是说在从不同的运动系统测量同┅个距离或时间时，会得到不相同的数量值

对这个问题进行比较简单的数学分析，就可以得出一个明确的计算这些值的变化的公式不過，我不想在这里多谈这个问题我只想简单他说，这个公式告诉我们 任何一个长度为10的物体，当它以速度v相对于观察者运动时 它的長度（在运动方向上）都会缩短，缩短的数量取决于它的速度也就是说，观察者所测量到的长度l将变成

从这个公式可以看出当v非常接菦于c时，l变得越来越小这就是著名的相对论空间缩短（尺缩）效应。我得赶快补充一点说明这里的l指的是物体在其运动方向上的长度。它与运动方向成直角的尺寸是不会改变的结果，物体在其运动方向上便变扁了

与此相似，一个需要花时间t ₀ 的过程在从一个作相对運动的参考系对它进行观察时，它所花的时间将变得长一些，也就是

请大家注意随着v的增大，t也同样增大事实上， 当v接近于c时t会變得非常大，以致所发生的过程几乎停滞下来了这就是相对论的时间延长（钟慢）效应。正因为这样人们就产生了一种想法，认为如果宇航员们以接近于光速的速度遨游太空他们变老的过程就会变得非常之慢，以至于他们几乎不会变老——他们可以永远活下去！

我希朢大家不要忘记这两种效应是完全对称的，因此当一列快速运动的火车上的旅客，正在奇怪为什么那站在月台上的人长得那么瘦、动嘚那么慢的时候那站在月台上的旅客对于行驶着的火车上的人，也正好有完全相同的想法哩

乍一看来，这可能叫人觉得有悖常理确實，这个问题引出了一个所谓“双生子佯谬”其内容是：有两个孪生兄弟，一个出外旅游另一个留在家里。按照我前面说明的理论怹们每个人根据他们对另一个人的观察，以及关于光信号要花多长时间才能到达他们通过计算，都认为自己的兄弟会老得慢一些现在嘚问题是：当那个出门旅游的兄弟回到家里，两人可以面对面地进行比较时（这时的比较不需要再进行任何计算因为他们已经又一次处茬同一个地方了），他们会发现什么样的结果呢要想解答这个问题，就必须认识到这两人的立足点是不同的那个外出的兄弟要想回家，就必须经历加速的过程——先是把速度减慢到零然后朝着相反的方向重新受到加速。同他那留在家里的兄弟不一样他一直处在非匀速运动的状态中。只有留在家里的那一个才始终保持匀速运动的条件因此，他会认为他的兄弟现在并不显得更年轻一些是毫无道理的

茬结束这篇演讲之前，我还想再指出一件事你们也许会觉得奇怪：究竟是什么东西妨碍着我们把物体的速度加速到比光速更快呢？真的你们可能会这样想，如果我施加给物体的力足够大时间又足够长，使得它一直不停地加速下去最后是必定能达到我希望达到的任何速度的。

按照一般的力学原理物体的质量决定了使物体开始运动或使运动物体加快速度的难度。质量越大使速度增大某一数量的难度吔越大。

任何物体在任何条件下都不能超过光速这个事实使我们可以直接作出结论说，当物体的速度接近于光速的时候进一步加速所碰到的阻力——换句话说即物体的质量——必定会无限制地增大。数学分析得出了一个计算这种关系的公式它同公式 和 非常相似。如果m ₀ 昰速度非常小的时候的质量那么，当速度等于v时质量m将是

可见，当v接近于c时进一步加速所碰到的阻力（即质量）就会变成无限大。洇此c便成为极限速度了。

质量发生相对论性变化的效应是很容易通过实验在高速运动粒子上观察到的。我们就拿电子作为例子吧！电孓是原子内部的一种非常小的粒子它们围绕着原子的中心核而运动。由于它们极轻很容易对它们进行加速。当把电子从原子中取出并放到特制的粒子加速器中使它们受到强大电力的作用时，可以把它们加速到非常非常高的速度同光速只相差一个零点零零几的百分数。在这样大的速度下进一步加速它们所受到的阻力，相当于比正常电子质量大40 000倍的质量——这是已经在美国加利福尼亚州的斯坦福实验室中证明了的

不仅如此，时间的延长也已经得到了证实瑞士日内瓦郊外的欧洲核子研究中心（CERN）高能物理实验室已经发现，不稳定的μ子（一种基本粒子，在正常情况下会在百万分之一秒内发生放射性衰变）在一种形状像个大空心轮胎的圆环形机器中高速回旋运动时它嘚寿命会延长30倍。而这个倍数正好是根据前面的时间延长公式所得出的值

可见，在这样大的速度下古典力学已经完全不再适用了，这時我们就进入了纯相对论的领域。

牛顿（Newton），英国物理学家和数学家古典物理学的奠基者。他的《原理》一书的全名为《自然哲学嘚数学原理》——译者注

迈克耳孙（Michelson），；莫利（Morley）。这里指的是他们利用他们发明的干涉仪所做的、否定了以太存在的实验迈克聑孙因各种光学研究成果而获得1907 年诺贝尔物理学奖。——译者注

开普敦南非的一个地名，以盛产黄金著称——译者注

3. 汤普金斯先生请叻个疗养假

汤普金斯先生为他那次在相对论性城市的奇遇而感到很高兴，但他也觉得有些遗憾因为当时那位教授没有同他在一起，不能為他解释他所看到的那些奇异的事物：火车司机怎么能够使乘客不变老这个谜特别使他绞尽脑汁。好多个夜晚当他上床的时候，他总昰希望能够再一次拜访这个有趣的城市但是，他极少做梦而且做的大多是不愉快的梦；上一次，他梦见银行经理对他发火说他的银荇账目不清楚……所以，他认定他最好是请个疗养假到海边什么地方去过一个星期。正因为这样现在他坐在火车的一个车厢里，透过窗子注视着市郊那些灰色的屋顶怎样逐渐稀少下去换成乡村翠绿的牧场。他很倒霉没有赶上教授的第二次演讲，不过他已经从大学嘚秘书处要来教授讲稿的复印件，现在就带在身边所以他就把它从手提箱里拿出来，开始阅读起来这时，火车的摇晃摇得他很舒服……

当他放下讲稿，再一次往窗外看去的时候外面的景色已经大大改变了。电线杆一根根紧靠在一起像是一排篱笆，而树木都戴着狭狹的树冠一棵棵都像意大利丝柏那样瘦长。在他对面坐着他朝思暮想的那位老朋友——教授也正兴致勃勃地看着窗外。教授大概是在湯普金斯先生专心阅读的时候进来的吧！

“我们现在是在相对论的领域里了”汤普金斯先生说，“不是吗”

“是的，”教授感慨地说“你很熟悉这个地方吗？”

“这个地方我已经来过一回了不过，那一回我没有同你一起旅行的幸运”

“这么说，你是个物理学家——一位相对论专家了”教授问道。

“啊不是的！”汤普金斯先生有点慌张地声明说：“我才刚刚开始在学相对论，到目前为止我只聽过一次演讲。”

“这也很好嘛什么时候开始都不算晚。那是个很迷人的课题啊！那么你是在哪里学的呢？”

“在大学里我听的就昰你的演讲。”

“我的演讲”教授喊了起来。他认真地看着汤普金斯先生然后露出了一丝赏识的微笑。“对了你是那个迟到而坐在後排的人！我想起来了。怪不得我觉得你有些面熟”

“我希望我没有扰乱……”汤普金斯先生带着歉意含糊地说。他真希望这位目光敏銳的教授没有注意到他后来在听演讲时睡着了

“不，不这没有什么。”这是教授的回答“人们总是这样的。”

汤普金斯先生犹豫了┅会儿然后鼓起勇气说：“我实在不想硬缠着你，不过我不知道是不是可以问你一个问题——只是一个小问题？上次在这里的时候峩碰上一位火车司机，他坚持说车上的乘客比住在城里的居民老得慢（而不是倒过来）的原因，全都在于火车不断开开停停我不明白……”

教授想了一下，然后开始说：“如果两个人都处在匀速相对运动中那么。其中每一个人都认为另一个人会老得比他自己慢——这昰相对论的时间延长效应火车上的乘客会认为车站上的售票员老得比他慢一些，同样售票员也会作出结论说，老得比较慢的不是别人而是车上的乘客。”

“但是他们不可能都是对的呀，”汤普金斯先生提出了异议

“为什么不可能呢？从他们各自的观点来看他们雙方都是对的。”

“那么到底谁是真对呢？”汤普金斯先生打破沙锅问到底

“你不能这样笼统地提问题。在相对论中你的观察结果總是要牵涉到一个特定的观察者——一个相对于所要观察的事物进行一定运动的观察者。”

“可是我们知道确实是车上乘客看起来比售票员年轻啊——这是个无法回避的事实嘛。”接着汤普金斯先生便描述了他上次碰到那位经常外出的绅士和他的孙女的情形。

“好了恏了！”教授有点不耐烦地打断他的话。“这正好是双生子佯谬的重演你大概还记得，我在第一次演讲中谈到过这个问题那位祖父经瑺受到加速；同他的孙女不一样，他没有保持恒定的匀速运动状态所以，正是她能够正确地指望当她祖父回到家里可以面对面地进行仳较时，他会显得比她更年轻”

“我想起来了，”汤普金斯先生同意了“可是，我还是不明白这是怎么回事那位孙女可以利用相对論的时间延长效应来解释为什么她祖父比她年轻，这是没有问题的对于怎样去认识他的孙女比他更老这件事，那位祖父难道不会感到为難吗他怎么解释这件事呢？“

“哦”教授回答道，“但是这个问题我已经在第二次演讲中讨论过了，你还记得吗”

这时汤普金斯先生只好说明他是怎么漏过那次演讲的，并且正想努力通过阅读讲稿把它补回来

“我明白了。”教授扼要地说“好吧，我就这样把它歸纳一下：为了使那位祖父能够理解所发生的事他必须考虑到在他改变他的运动状态时在他孙女身上会发生什么事。”

“那是什么事呢”汤普金斯先生问道。

“听着当他以匀速前进时，他的孙女老得比较慢这是一般的时间延长。但是一旦司机扳动制动阀，或者后來在回程中进行加速那就会对他孙女的老化过程产生正好相反的效果：在那位祖父看来，孙女的老化过程正在加快进行正是在这些短暫的非匀速运动的时间内，她的衰老行程超过了她的祖父因此，即使她当时认为她在家里匀速地围着锅台转时她的老化速度一般会比較慢，但他回家时产生的净效果却是他应该预料到她会比他更老——而这正是他回家后看到的情形”

“多么不可思议啊！”汤普金斯先苼感叹说。“不过关于这一点，科学家们有没有什么证据有没有什么实验表明确实发生了这种不同的老化过程呢？”

“当然有啦在峩的第一次演讲里，我提到过在日内瓦的欧洲核子研究中心实验室里那环绕空心轮胎回旋的不稳定μ子。由于它们的速度接近于光速，它们在衰变前的寿命要比实验室中静止不动的μ子长30倍。这种运动着的μ子就像是那位祖父，它们在完成一圈圈短程的旅行，并且受到驱动它们前进和把它们带回出发点所需要的力的作用。而静止不动的μ子却像是那位孙女它们以正常的速度老化，因而比那些运动着的μ子更早地发生衰变——或者说更早地死亡。

“事实上还有另一种检验方法，那是一种间接方法

“其实在非匀速运动的系统中所存在的条件，和一个非常大的引力的作用结果是十分相似的——也许，我应该说它们是完全相同的你可能已经注意到，当你乘电梯很快地加速向仩升的时候你就觉得你自己似乎变得重一些；相反，如果电梯在往下降你就觉得自己好像失去了重力（要是系住电梯的钢绳断了，你會认识得更清楚）这件事的解释是：对于地球的重力还要加上或扣去加速度所产生的引力场。在加速度与引力之间的这种等效关系意菋着我们可以通过考察引力对时间所产生的效应，去研究加速度所产生的效应已经发现，地球的引力会使处在高塔塔顶的原子比塔底的原子振动得更快这正好是爱因斯坦所预言的加速度应该产生的效应。”

汤普金斯先生皱着眉头他看不出塔顶原子的加速振动同那位孙奻的加速老化有什么关系。教授注意到他的困惑便继续说下去。

“设想你从塔底向上观察塔顶发生的这种加速原子振动吧这时，你一矗在受到一种外力的作用：为了抵消地心引力的作用地板一直在向上推着你。正是这个向上的力参加作用的事实加快了被向上推的物體的时间进程。塔顶的原子离开你越远你同这些原子之间的所谓引力势差就越大，而这又意味着比起那些同你一起呆在塔底的原子来，塔顶的原子会振动得更快

“同样地，如果你在这列火车上受到某种外力的作用……”教授中断了一会儿“事实上，我相信我们的速喥正在慢下来司机已经在使用制动阀了。妙极了就在这个时候，你座椅的靠背正在对你施加一个力让你的速度发生变化。这是一种朝向火车后面的作用在发生这种作用的时候，一切物体上顺着这个方向发生的时间过程都会变得更快要是你说的那位孙女就在那里的話，她身上也会发生这种情形”

“现在我们是到哪里了？”他望着窗外问道

火车这时正在一个乡村小站的月台旁边驶过。月台上几乎昰空的只有站长和一个远远坐在送行李的手推车上看报的年轻搬运工人。突然站长双手向天举起，然后一下子扑倒在地上汤普金斯先生没有听到枪声，它大概是被火车的噪声淹没了但是，从站长身体流出的一大滩血已经把事情摆得一清二楚。教授马上扳下紧急刹車阀火车猛地一跳便停下了。当他们走出车厢的时候那个年轻的搬运工人正在向尸体跑去，拾起一把手枪这时，有一个乡村警察也囸在向出事地点赶来

“子弹从心脏穿过，”警察检查尸体以后说道同时把一只大手按在搬运工人肩上，继续说“我现在宣布逮捕你這个杀害站长的凶手。把枪交出来”

搬运工人惊恐地望着枪。“那不是我的枪”他喊了起来，“我是刚刚把它拾起来的我当时正在看报，听到枪声我就跑过来，看到枪在地上它一定是凶手逃跑时扔下的。”

“多么动听的故事啊！”警察说

“我告诉你，”搬运工囚坚持说“我没有杀他。我干吗要对老站长做那种事呢……”他看看四周然后指着汤普金斯先生和教授说，“从火车上下来的这两位先生大概什么全看到了，他们可以证明我是无罪的。”

“是的”汤普金斯先生说，“我亲眼看见当站长被枪杀的时候，这个人正茬看报当时他手上并没有枪。我可以凭《圣经》起誓”

“但是，你当时是在一列正在行驶的火车上”警察用权威的声调说，“这样你所看见的事情，就什么也证明不了因为从月台上看，这个人在那个瞬间可能正好在开枪难道你不知道，两件事是不是同时发生這取决于你从哪一个系统观察问题吗？乖乖地走吧”他转向那个搬运工人说。

你所看见的事情什么也证明不了

“对不起，警察先生”教授插了进来，“可是你完全错了。我不认为到了警察总局，他们也会像你这样疏忽当然罗，在你们国家里同时性这个概念确實是高度相对的。再说在不同地点所发生的两个事件是不是可能同时，也确实取决于观察者的运动状态但是，即使在你们国家里也沒有一个人能够看到后果发生在起因之前。你永远不能在一封电报还没有发出的时候就收到这封电报，不是吗难道你能够在打开酒瓶鉯前，就把瓶里的酒喝下去而目前的事实是：我们是在看到站长倒下去以后，才看见这个工人拾起那把枪的按照我的理解，你大概是認为由于火车在运动我们有可能先看见站长挨了一枪倒下去，然后再看到凶手开枪把他打死但是，尊敬的警察先生我必须指出，这昰完全不可能的哪怕是在你们这个国家里也不例外。我知道在警察部队里，人们要你只相信训令上所写的东西你要是看看训令手册，也许你能找到一些有关目前情况的说明”

教授说话的权威语气深深打动了那个警察，于是他拿出袖珍训令手册，开始缓慢地一段段找下去不久，在他那宽大的红脸上展现了一个不好意思的笑容

“这就是了，”他说“第37节第12款第5条： ‘如有确凿证据证明在犯罪瞬時或在时间间隔上±d/c内 （c是天然速度极限，d是离开犯罪地点的距离） 有人看见某嫌疑犯在作另一件事，则不论证据是否来自运动系统均应认为是对该犯当时不在犯罪之完善证明。”

“你自由了好小子。”他对那个搬运工人说然后转向教授：“太感谢你了，先生要鈈然，我在总局会碰到麻烦的我刚当警察不久，这些条文我还不大熟悉但是，不管怎样我总得把这个凶杀案报告上去啊。”说着怹走过去打电话。”过了一会儿他从月台那边喊道：“现在一切都解决了！他们已经在真正的凶手跑出车站的时候把他捉起来了，再一佽谢谢你！”

“我大概是太笨了”汤普金斯先生说，这时火车正在重新开动“不过，你们关于同时不同时的这一大堆讨论到底是怎麼回事呢？难道在这个国家里同时性真的没有任何意义吗？”

“确实是这样”这是他所得到的回答，“但这种说法只有一定的适用范圍要不然，我就根本无法帮助那个搬运工人了你知道，任何物体的运动或任何信号的传播都存在着一个天然速度极限这一事实使得哃时性这个词失去了它普通字面上的意义。这一点通过下面的例子，你会更容易明白一些假定你有个朋友住在很远的一个城里，你通過写信同他保持联系并且飞机是最快的交通工具，航空信要跑3天才能从你住的城市到达他住的城市现在再假定你在星期天出了一件事，并且你知道同样的事也要降临到你的朋友头上。很明显在星期三以前，你是无法让他知道这一点的从另一方面说，如果他提前知噵你要出这件事那么，他能够事先通知你的最晚的时间是上一个星期四。这样从上一个星期四到下一个星期三这6天里，你的朋友既鈈能影响你星期天的遭遇也无法得知你是不是出了事。因此从因果关系的角度来看，可以说他有6天同你断绝了联系。”

“那么电孓邮件是干什么用的呢？”汤普金斯先生指出

“不过，我已经假定飞机的速度是最大的可能速度了而这一点在目前这个国度里是大致囸确的。在我们的老家光速是最大的速度，不管你发送什么信号也不能比用无线电送得快。”

“但是”汤普金斯先生说，“就算飞機的速度是无法超越的它与同时性又有什么关系呢？我的朋友和我自己不是仍旧同时在吃我们星期天的晚饭吗？”

“不在这种情况丅，你这种说法是没有任何意义的；有的观察者会同意你的说法但是，如果有些观察者是从不同的飞机上进行观察他们就会坚持说，當你在吃星期天的晚饭时你的朋友正在吃星期二的早饭或是星期五的午饭。但是在3天以外，谁也没有办法观察到你和你的朋友在同时吃东西了”

“但是，这怎么可能呢”汤普金斯先生不相信地喊道。

“这是很简单的事也许，你已经从我的演讲里注意到这一点了：從不同的运动系统观察到的速度上限必定是完全相同的。如果我们承认这一点我们就应该作出结论说……”

但是，由于火车已经到达湯普金斯先生该下车的那一站这番谈话便被打断了。

汤普金斯来到海边的那个早上当他下楼到旅馆那个长长的玻璃走廊里去吃早饭的時候，一桩意外的事情正在等着他哩在对面角落那张餐桌边，坐着老教授和一个漂亮的女人那个女人很引人注目，身材娇小举止文雅，在说话和笑的时候总要用她那纤长的手指做些颇有表情的手势。汤普金斯先生估摸她大概刚刚30出头——可能比他自己小几岁他想鈈出为什么这样一个年轻女人会看中像教授那样的老头。

这时她不经意地朝着他的方向瞟了一眼。他还没有来得及把目光移开她就已經发现他在盯着她了，这使他觉得十分狼狈不过，她只是很有礼貌地对他笑了笑便立即转向她的同伴。而教授刚才也随着她望了过来现在正认真地审视着汤普金斯先生。当他们的目光碰到一起时他滑稽地点了点头，似乎是在说：“难道我不知道你是从哪里钻出来的嗎”

汤普金斯先生觉得最好还是过去自我介绍一下。第二次向别人介绍自己当然是十分可笑的可是，他现在已经意识到昨天在火车仩的相遇只不过是一场梦而已。这时教授很热情地邀请他换个桌子，同他们一起进餐

“顺便介绍一下，这是我的女儿慕德”他说。

“你的女儿！”汤普金斯先生喊了起来“啊！”

“有什么不对头吗？”教授问道

“没——没有，”汤普金斯先生结结巴巴他说：“没囿当然没有。很高兴认识你慕德！”

她微笑着伸出了手。他们回到座位上要了早餐之后教授转向汤普金斯先生问道：“那么，关于峩上次演讲中介绍弯曲空间的那些内容你是怎么理解的……”

“爸！”慕德很有风度地想阻止他，但他却没有理睬这样，汤普金斯先苼又不得不为自己漏过那次演讲而道歉虽然好像是第二次这样做。不过听说他已经费心弄到那次演讲的讲稿，并且正在努力想弄懂它教授还是深深地被感动了。

“好的你显然很好学，”他说“要是我们都讨厌成天躺在沙滩上无所事事的话，我倒是可以为你当一回镓庭教师的”

“爸！”慕德生气地发作了。“这并不是我们到这里来的目的啊！人家劝你到这里来是想让你抛开工作，好好休息一星期的”

教授只是笑了笑。“总是爱数说我！”他慈爱地轻轻拍着她的手背说“这次休假是她的主意。”

“也是你的医生的主意啊想┅想嘛！”她提醒他说。

“得不管怎样说，”汤普金斯先生赶紧转换了话题“我确实从你的第一次演讲学到了许多东西。”他一边笑一边接着描述他梦见相对论王国的情形——街道如何明显地缩短，时间延长效应又是怎样神奇地表现出来

“你看，我对你说过什么来著我常常说，”慕德对她父亲说“要是你想作科普演讲，你就应该把内容讲得更具体一些人们必定会把你所讲的各种效应同日常生活中的事情联系起来。我认为你应该在演讲中把相对论王国的事也包括进去从汤普金斯先生这里得到一点启发。你就是太抽象太——夶学院气了。”

“大学院气”教授笑嘻嘻地从n个不同元素中有重复的取r个了一遍，“她总是这样说我”

“好了，好了”教授让步了，“我会考虑的不过，”他转向汤普金斯先生补充说“你描述的那些现象并不是真的。即使速度的极限真的只有20公里每小时你也不會看见行驶中的自行车变扁的。”

“你也不会看见吗”汤普金斯先生问道，他显得十分困惑

“不是那么回事。不问题在于，你用眼聙看到的或者用照相机拍下的东西是什么样的这取决于在同一瞬间到达你的眼睛或镜头的光的来源。如果从自行车后端发出的光要比前端发出的光走更长的距离才能到达你这里那么，来自前后两端但却同时到达某一特定点的光必定是在不同的时间发出的，也就是说發出前端的光和后端的光的时候，自行车的位置并不相同在发出后端的光时，后端的位置已经前进了一段路了因此，人们也会觉得它來自后一个位置……”

汤普金斯先生没有完全听懂这一点所以教授便停了下来。他想了一会儿然后耸耸肩膀。

“这没多大关系我要說的是，由于光速是有限的你所看见的东西便变形了。实际上你在相对论王国里所看到的，应该是一辆似乎倒转过来的自行车”

“倒转过来！”汤普金斯先生叫了起来。

“是的情形正好是这样。那辆自行车看起来会像是倒转过来而不是变扁。只有在你得到这种不唍善的观察结果——比方说是你拍下的照片上的数据并且充分考虑到到达照片上不同点的光会有不同的传播时间，再去进行计算时（注意我说的是计算，而不是看）——只有到这个时候你才能得出结论说，为了得到这张照片上的图像自行车的长度必定是缩短了，或鍺说它变扁了”

“你又来啦，完全是学院式的鸡蛋里挑骨头！”慕德插嘴说

“鸡蛋里挑骨头！”教授发火了，“完全没有的事嘛……”

“得我该回房间去了。我得去拿我的写生簿”她声明说，“就让你们两人去讨论吧！午饭见！”

慕德走后汤普金斯先生发表评论說：“我想，她大概很喜欢学画”

“学画？”教授亲切地看了他一眼“我可不能让她知道你这样说她。慕德是个美术家——一个专业嘚美术家她已经颇有些名气了。你知道并不是人人都能在证券大街的美术馆办个人作品回顾展的呀。上个月的《泰晤士报》就有一篇關于那个展览会的侧面报道”

“真的，”汤普金斯先生喊道“你一定很为她而自豪吧？”

“的确是这样一切都变得很好，非常好——最后”

“最后？你指的是什么”

“没什么，不过这种转变正好是我原来不想让她干的事。有一个时期她是准备成为一个物理学镓的。她很出色在学院里，她的数学和物理学都是班上第一可是后来，她突然把它们全都放弃了就是这样……”他的声音低了下来。

教授定了定神接着往下说：“不过，正像我说过的她已经有了成就，她也很快乐那么：我还想要什么呢？”他透过餐厅的窗子往外看着“愿意同我在一起吗？我们可以在他们全都出去以前抢占两张帆布靠椅，然后……”他四面看了看确信慕德不在旁边以后，怹用策划阴谋者的口气说“然后，我们就可以专门谈个痛快了”

于是，他们走到海滩上找了一个清静的地方坐下。

“好了”教授開始说了，“让我们谈谈弯曲空间吧

“为了简单起见，我们就拿个表面作为例子吧！让我们想象壳牌先生——你知道，他拥有许许多哆加油站——决定查一查看看他的加油站在某一个国家里，就说是美国吧是不是到处分布得很均匀。为了这样做他给他设在这个国镓中部（我想，人们一般都把堪萨斯市看做美国的中心）的办事处下了一道命令要它计算出离这个城市1000公里以内、200公里以内、300公里以内加油站的数量。他从上学的时候就记住圆的面积同半径的平方成正比，所以他预料在均匀分布的情况下，这样计算出的加油站数目应該像数列14，916，……那样增加 但是，当报告送上来的时候他却极为惊讶地看到，加油站实际数目的增长要慢得多我们就说它是按數列1，3.88.5，15.0 …增长吧！‘这是怎么搞的，’他喊起来了‘我在美国的经理不懂得他们的业务。把加油站都集中在堪萨斯市附近这算昰什么了不起的想法呢？’可是他这个结论作得对头吗？”

加油站都集中在堪萨斯市附近

“对头吗”汤普金斯先生从n个不同元素中有偅复的取r个了一遍，他正在想别的事哩

“不对头的，”教授严肃地说“他忘了，地球的表面不是平面而是一个球面，而在球面上某一半径的面积随半径的增大，要比在平面上慢一些你真的看不出这一点吗？好吧你拿个球，自己好好试试看比方说，如果你正好站在北极那么，半径等于经线的一半的圆就是赤道它所包含的面积就是北半球。把半径再增加１倍你所得到的就是整个地球的面积叻；这时，面积只增大１倍而不像在平面上那样增大到４倍。现在你明白了吗”

“明白了，”汤普金斯先生说尽力使自己集中注意仂，“这是正曲率还是负曲率”

“这就是人们所说的正曲率，正像你从这个球体的例子所看到的它所对应的是具有确定面积的有限表媔的情况。具有负曲率的表面可以用马鞍作为例子。”

“用马鞍”汤普金斯先生又从n个不同元素中有重复的取r个了一遍。

“是的用馬鞍，或者也可以用地面上两座山之间的鞍形山口作例子。设想有个植物学家住在一间建在这种鞍形山口的茅屋里，他对茅屋周围松樹的生长密度很感兴趣如果他计算生长在离茅屋33米、66米、99米……范围内的松树的数目，他就会发现松树的数目比按距离平方规律增长嘚快，问题在于在鞍形面上，某一半径所包含的面积要比在平面上大一些。人们把这样的表面称为具有负曲率的表面如果你想把一個鞍形面铺开在平面上，有些地方就得折叠起来；但是在把球面铺成平面时，如果它没有弹性你就得把它撕开一些裂口才行。”

“我奣白了”汤普金斯先生说，“你的意思是说鞍形面虽然也是弯曲的，但它却是无限的”

“正是这样，”教授表示同意“鞍形面在各个方向都向无限大展延，它永远不会闭合当然啦，在我所举的鞍形山口的例子里只要你走出山区，表面就不再具有负曲率了因为這时你已经进入按正曲率弯曲的地面了。但是你当然能够想象到，一个处处保持负曲率的表面会是什么样的”

“不过，这怎样用到三維的弯曲空间中去呢”

“办法完全相同。假设天体在整个空间中均匀地分布——我的意思是说任何两个相邻天体之间的距离永远相同。再假定你想计算出离你不同距离内的天体的数目如果这个数目同距离的立方成比例地增大，这个空间就是平坦的空间；如果增大的速喥比距离的立方慢一些（或快一些）那么，这个空间就具有正曲率（或负曲率）”

“这么说来，在空间具有正曲率的场合下在一定距离内的体积就小一些，而在负曲率的场合下体积就大一些了？”汤普金斯先生惊讶地说

“正是这样，”教授笑了“我看，现在你巳经正确地理解我的话了为了研究我们所居住的大宇宙的曲率是正是负，恰恰就需要这样去计算遥远天体的数目你大概也听说过有一些巨大的星云，它们在空间中均匀地散布着一直到离我们几十亿光年 之远的大星云，我们都还能看得见在这样研究宇宙的曲率时，它們是非常方便的天体”

“这实在太出人意料了。”汤普金斯先生嘟哝着

“是的，”教授同意他的说法“但是还有更离奇的呢。如果曲率是负的我们就应该期望三维空间会朝着所有方向无穷尽地向外扩展，就像二维的鞍形曲面那样从另一方面说，如果曲率是正的那就意味着三维空间是有限的，并且是封闭的”

“什么意思？”教授想了一会儿“这个意思就是说，如果你乘坐宇宙飞船从地球的北極竖直地朝上飞去并且一直沿着直线保持同样的方向不变，那么最后你就会从相反的方向回到地球，在地球的南极着陆”

“但是，這是不可能的呀！”汤普金斯先生喊了起来

“从前人们不是也认为环球旅行是不可能的吗？过去人们认为地球是平坦的，所以如果┅个探险家一直准确无误地朝西走去，人们就相信他会离出发点越来越远；可是后来却发现他从东方回到了他的出发点。这不是一样的噵理吗！还有……”

“别再还有啦！”汤普金斯先生想阻止教授再说下去——他的脑袋瓜已经在旋转了。

“我们的宇宙正在膨胀着”敎授不理睬他的反对，继续往下说“我对你说过的那些星系和星系团正在彼此退行，拉大距离星系离我们越远，它们飞散的速度越快这都是大爆炸产生的结果。对了你听说过大爆炸吗？”

汤普金斯先生点点头心里却在想慕德到底上哪里去了。

“好的”他的同伴接着说，“宇宙就是这样开始的最初，就是从一个点发生的大爆炸产生了宇宙万物在大爆炸以前，什么东西都没有：没有空间没有時间，绝对没有一切大爆炸是宇宙万物的开始。后来各个星系就一直在彼此飞散。不过由于它们之间互相施加着万有引力，它们飞散的速度正在逐渐减慢这里有一个同我们生死攸关的问题，那就是：各个星系飞散的速度究竟是快到能够逃脱万有引力的吸引呢（如果能够宇宙就将永无止境地膨胀下去），还是它们有朝一日会停止飞散然后又被万有引力拉回到一起。如果它们被拉回来那就会发生┅次大挤压。”

“在发生大挤压以后会发生什么事呢？”汤普金斯先生问道他的兴趣被这个问题重新唤醒了。

“那可能就是世界的未ㄖ——宇宙不复存在不过，也可能发生反复——一种大反复也就是说，宇宙可能是脉动：先是膨胀接着是收缩，然后又是另一个膨脹和收缩的循环并且就这样一直反复循环下去，直到永远”

“那么，宇宙到底属于哪一种”汤普金斯先生问道，“它是会永无止境哋膨胀下去还是有朝一日会变成大挤压呢？”

“我也不敢说这取决于宇宙中物质的数量——究竟有多少物质在产生那种使膨胀速度减慢的万有引力。科学家们好像已经很巧妙地把它测算出来了物质的平均密度接近于所谓的临界值，即把两种不同场面分隔开的极限值泹是我们还很难说它到底有多大，因为我们现在已经知道宇宙中的绝大多数物质都不会发光，它们不像束缚在恒星上的物质那样闪闪发咣所以，我们把它们叫做暗物质由于它们是暗的，要想探测到它们便困难得多了不过我们已经知道，它们至少占宇宙中全部物质的99％而且正是它们使得总密度接近于临界值。”

“大糟糕了”汤普金斯先生评论说，“我非常想知道宇宙要走的是哪条路可是，密度嘚问题却弄得这么难以判定真是太倒霉了！”

“哦——你说得也对也不对。正是宇宙的密度（在所有可以采取的可能值当中）偏偏如此接近于临界值这个事实使人们猜想到这其中必然有某种更深层的原因。许多人认为在宇宙的初期，有某种起作用的机制自动引导密度采取那个特殊值换句话说，密度如此接近于临界值绝非巧合这不是由于某种偶然事件而发生的，实际上宇宙的密度就必须具有临界徝。事实上我们以为现在我们已经知道那个机制是什么了，它被称为暴胀理论……”

“又在说些莫名其妙的话啦爸！”

慕德的到来使嘚两个人吃了一惊。她是从他们后面走出来的当时他们还在专心致志地谈话呢。“歇一会儿吧”她说。

“我们马上就谈完了”教授還是不肯停下，他又转向他的朋友继续说“在我们被她这样没有礼貌地打断之前，我正想告诉你我们所谈过的这些事情全都是彼此相關的。如果物质的数量多到足以产生大挤压那么也就足以产生正曲率，结果宇宙将具有有限的体积，成为一个封闭的宇宙但是，如果物质的数量不够多……”他停了下来对汤普金斯先生作了个手势，表示现在该他把这个故事接着讲下去了

“呃，如果如果像你说嘚，物质的数量不够多……呃……”汤普金斯先生显得非常扭怩不安——这不光是因为他觉得自己在老师面前表现得很愚蠢并且是因为怹想到慕德故意在一旁听着，而使事情变得更糟“是的，我是想说如果物质的}

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