作者：李淼
出版社：湖南科学技术出版社
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《三体》中的物理学试读：
版权信息书名：《三体》中的物理学作者：李淼排版：陕西数字信息技术有限公司出版社：湖南科学技术出版社出版时间：2019-05-01ISBN：9787571001483本书由天津博集新媒科技有限公司授权亚马逊发行版权所有 侵权必究推荐序比科幻更神奇的科学刘慈欣科幻小说能够引发读者对科学的兴趣，进而投身科学研究事业，这样的例子有许多。但科幻小说本身却并不是以科学家为读者对象的。造就了硬科幻类型的坎贝尔曾经声称，他的杂志上发表的科幻小说是给工程师看的，但也没说是给科学家看的。显然，科幻小说中的科学对专业科学家而言过于幼稚简陋了，其中的硬伤也常常让他们难以容忍。在20世纪80年代，我曾经读过大量的包括科幻小说在内的西方类型文学，深知写出好小说不容易，但在小说里在某个领域显得很专业并不是一件难事，西方类型文学作家们深谙此道，像科幻中的迈克尔·克莱顿、军事小说中的汤姆·克兰西和专写各专业领域的阿瑟·黑利都是此中高手，他们在小说中所表现的专业程度真的能把读者唬得五体投地。但这种“专业”只是对一般读者而言，在真正的专业人士面前无疑是千疮百孔的。所以，当我得知李淼老师在看《三体》系列，后来又得知他在写这本书时，心里很是不安。但在读完《〈三体〉中的物理学》的书稿后，我对李老师的眼界和胸怀深为敬佩，为之折服。他并没有像一般的读者和网友一样，专注于挑小说中的硬伤（在这方面他无疑是最有资格的），而是以《三体》中的科幻内容作为引子和起点，描绘了一幅现代物理学和宇宙学的宏伟图景。从牛顿力学到相对论，从量子力学到弦论，从多维空间到黑洞，从宇宙的诞生到最后的终结，甚至还从物理学的角度探讨了自由意志的命题。本书几乎涉及物理学和宇宙学前沿的所有方面，在一本篇幅不长的书中展现了如此广阔的视野，呈现出如此丰富的内容，令人赞叹。同时，书中对各个话题的探讨并非浮光掠影，也不是仅仅满足于用简单的比喻对复杂的理论进行粗略的描述，而是很快抓住了其科学和哲学的内涵，处处可见作者思想的犀利和深刻。在对理论内容的叙述中，作者的语言准确而生动，更难能可贵的是，为了照顾不同的读者，还对一些复杂的理论进行了不同层次的描述。《〈三体〉中的物理学》给人印象最深的地方还在于，作者没有局限于知识的叙述，而是在《三体》的背景上提出了许多富有创意的想法和推论。比如在超光速航行的状态下，在不同时间多个自我的出现；在四维空间中，电磁波能量的衰减与距离的立方成反比，以及黑域中低光速对精细结构常数产生的影响，都可能导致分子和原子解体，使从三维世界进入其中的一切都灰飞烟灭；还有关于水滴和降维攻击的可能性，创造小宇宙的可能性等，都十分震撼和新奇，让我们有读科幻小说的快感，但这些推论又都是建立在严谨的科学理论基础上，建立在作者对物理学和宇宙学深刻的理解上的，有科学幻想的神奇，却比其高一个层次。最初我是从《新发现》杂志上知道李淼老师的。在这本由欧洲引进中国的著名科学传播杂志上有他的一个专栏，当时他正在专栏上发表《中国神话中的现代物理学》的系列文章，用现代宇宙学理论演绎中国古代神话，从盘古到玉皇大帝，都在现代的宇宙演化图景中扮演着自己的角色，构筑了一幅色彩奇异的画卷。作为一名物理学家，作者对中国文化的广博知识自然让人印象深刻，但最令人惊叹的是作者在文中所表现出来的想象力，天马行空，汪洋恣肆，又不乏幽默风趣，让我这样的科幻作者也不得不叹服。而这样的想象力与他精深的专业知识相结合，更是难能可贵。后来，我又看到了李淼更多的文章，也常看他的微博，发现他的知识面很广，特别是对文学和音乐都有广泛的涉猎，还是一位诗人，在微博上贴出了许多现代诗，那些诗精致而意境深远，读后回味无穷。其实这样的科学家在国外并不罕见，就我读过的科学传播著作而言，像彭罗斯、刘易斯、加来道雄等人，都是知识广博、文理俱佳的自然科学学者。但在国内则不同，以前我也接触过一些国内的科学家，他们留给我的印象是严谨认真，勤奋努力，但总感觉缺少一种灵气，在自己的专业领域之外视野比较窄，对专业本身也缺少一种超越性的眼界，这可能是中国文理分科的教育环境所造成的。所以知道李淼老师后，我和《新发现》的主编严锋教授一样发出感叹：原来我们也有这样的科学家！李老师所研究的弦论是物理学最前沿的理论，这个理论体系具有强烈的未来物理学的色彩，正如有人评论说，弦论很可能像古希腊德谟克里特的原子论，要到两千年后才可能在实验中得到证实。研究这样的课题，必须有开阔的视野和灵动而深刻的思想，以及美学上的敏感和悟性，我想本书的作者就是这样的科学家。回到《〈三体〉中的物理学》上来，科学与文学的结合能给我们带来什么？从狭义上看，科学能够给处于困境中的文学带来丰富的故事资源。当今的文学可以分为两部分：主流文学和类型文学，两者日益分化。主流文学最明显的现状就是，怎么说比说什么更重要，具有高度形式化的特点。特别是后现代文学，它的形式已经掩盖了故事的内容，变得晦涩与破碎，以至于和普通大众的距离越拉越远。主流文学的形式化可以找出种种深刻的原因，但有一个简单的原因在里面：文学的故事讲完了。现代文学有很重要的两种手法：解构和拼贴，这两种手法和故事资源有着密切的联系。解构和拼贴都是把以往大家熟悉的东西打乱重组，赋予一个新的意义，这其实是对已经开发过的故事资源进行再利用，充分反映了文学故事资源的枯竭。对类型文学而言，虽然没有走主流文学的路子，因形式化而晦涩和远离大众，但是其故事构型已经为大家所熟知，因此故事要征服、震撼读者已经越来越困难。除非将情节极度扭曲，否则读者脑海里总有一种似曾相识的感觉。正因如此，有创意的能够征服读者的故事越来越难出现。对于科学与文学的关系，人们一直有一个很大的误解，认为科学对文学是一种束缚。这种误解在把奇幻与科幻两种幻想文学体裁进行对比时表现得最明显。人们倾向于认为，与科幻相比，奇幻在想象力上要自由得多，因为不受科学规律的束缚。但现代科学所展现出来的大自然和宇宙的可能性，已经远远超出了人们的经验和直觉，这种可能性给文学带来的恰恰是更大的自由度。以奇幻和科幻中的超能力为例：奇幻固然可以自由地赋予人物各种超能力，不受自然规律的限制，但迄今为止在奇幻文学中我们能想到的最强的超能力，就是造物主的能力：上帝在七天内创造了世界。那么科学的创世图景是什么样子呢？按照宇宙学中的暴胀理论，宇宙曾经由一个比原子还小的奇点瞬间膨胀到我们现在的宇宙尺度，可见半径有一百多亿光年，这个过程只需一个普朗克时间，也就是10~43秒。如此巨大的力量对我们常人来说完全不可想象，上帝的七天创世根本无法与之相比。但更为震撼的是，这个创世图景不是虚假的幻想，而是基于现有的对宇宙的观测数据所做的严格的科学推论。由此看到，科学其实是对文学的解放，而不是束缚。科学的故事资源可分为两类：一类基于古典科学，另一类基于现代科学，这两者在物理学上大体以相对论为分界。古典科学在文学上的最大特点是符合人们的日常经验和直觉，其故事资源虽然已经被大量开发，但仍有巨大的潜力。在2012年成都《科幻世界》举办的创作笔会上，李淼老师曾提出，科幻应该从最简单最基本的科学原理推导出精彩的故事，这是一个很高明的见解。像《冷酷的方程式》《追赶太阳》等，都是这样的经典作品，已经过去的科幻小说的黄金时代在很大程度上是建立在这样的创作理念上的。但要做到这点也十分困难，需要超强的想象力和创意，是对科幻作者真正的考验。现代前沿科学理论中的故事资源，是目前很少被开发的处女地。本书中涉及的物理学和宇宙学，都是探求世界最根本的原理、最终极的本源，这其中蕴藏着丰富的故事宝库。但它目前提供的世界图景，跟我们的常识有很大的差异，许多的知识，如弦论中的11维空间，也只能用艰深的数学语言才能精确地描述，一般的科幻作者很难从数学层面真正理解这些理论，更不用说把它们变成生动的故事。这样的科幻小说，只能由科学家来写，所以我们还是期待李淼老师的科幻作品早日问世吧。从广义上看，科学与文学的结合有着更为深远的意义。现代科学前沿离大众越来越远，比如量子力学的思想清末民初时已经在欧洲出现，但直到今天，它的世界观对大众而言仍然十分陌生和遥远。把现代科学的最新发现和理论向社会传播，对文明的发展是至关重要的。我一直认为，科幻文学无力承担科学传播的重任，因为科幻中的科学不是真正的科学，而是科学在文学中的一种映象和变形，这一点相信大家看过《〈三体〉中的物理学》后都会认可；但科幻却能够表现宇宙和大自然的神奇，激发人们对科学探索的兴趣，进而提升人们对科学的关注程度。《三体》系列中的科幻想象与真正的科学有很大距离，但它的出版能够引发读者对前沿物理学和宇宙学的兴趣，进而引出了《〈三体〉中的物理学》这样一本比科幻小说更神奇的科学传播著作，作为科幻作者，这无疑是我最大的安慰。再版序一转眼，《〈三体〉中的物理学》出版已经四年了，我完成书稿也超过五年了。当年，我本来是没有打算写这么一本书的，毕竟，尽管《三体》当年已然大热，但涉及的科学知识实在太驳杂，要写好一本解释其中涉及科学的部分的书很不容易。但是，我还是在微博上写了《三体》中的一个物理学问题，给自己惹来了麻烦——《三体》粉纷纷赶来，要求我继续写。就这样，我在微博上写了几篇。2013年，我的工作从中国科学院换到了位于广州的中山大学。当时，我最重的任务是要在一无所有中重建中大的天文专业以及相关的专业，只能抽出一点时间来完成书稿。正因为如此，我对完成后的书稿一点也不满意，因为它不够通俗，离我心目中的好科普书的标准相去甚远。好在，《科幻世界》的主编兼《〈三体〉中的物理学》的编辑姚海军先生对我说，其实书的内容有点高大上也是一种风格，因为部分读者喜欢这样，就像他们喜欢更加不通俗的《时间简史》一样。前面说到好科普的标准。这些标准是什么呢？首先，它必须有趣，有趣才能打动人心；其次，它必须通俗以及深入浅出，这个标准无需解释；最后，它必须尽量做到严谨。其实，最近我读到一本书很有共鸣，作者说，科学和科普其实和好莱坞讲故事没有区别：好看，过程跌宕起伏，用这样的方式将你要表达的观点也好，价值观也好传达出去，效果必然是好的。我的这本书没有做到这一点，还请读者谅解。这次再版，我没有增加新的内容，只更新了一些内容的最新进展。例如，我在书中预言人类极有可能在2015年探测到引力波，探测仪器是位于美国的两台引力波激光干涉仪：LIGO。果然，2015年LIGO探测到了引力波，并在2016年春节期间宣布了这项震动世界的发现。之后，LIGO又探测到了好几例因两个黑洞合并发出的引力波，还有一例两个中子星合并发出的引力波。LIGO最近又进行了升级，有望发现海量的黑洞合并。我自己比较骄傲的是，其实我的书在2013年就已经完成了，我提前两年预言了这项伟大的发现。可惜的是，我没有尝试预言今年第一张黑洞的照片。说到预言，有人开玩笑地说我是预言帝。比如说，2017年，我在CCTV6的《今日影评》上预言，或许2019年才是中国科幻电影元年，而且，电影很可能改变自刘慈欣的短篇科幻小说，而不是长篇。现在大家知道了，这已经成为事实，也就是今年的《流浪地球》。在《〈三体〉中的物理学》中，我还侧重谈了量子力学，与量子力学有关的智子以及人类是否拥有自由意志。借本书再版的机会，我再做一个预言，今后两年，太空题材也许不是中国科幻电影最重要的题材，量子力学才是。另外，我已经计划余生侧重研究人类是否拥有自由意志这个已经存在了2000年的大问题。我们进入21世纪已经将近20年了，或者说，21世纪已经过去了近五分之一。科技方面，我们对21世纪将有什么期待呢？有人说，人工智能将引领第四次工业革命；还有人说，5G以及物联网将引领第四次工业革命。我自己更加激进一点，我认为量子计算机才会开启真正的第四次工业革命。不论将来事实如何，我们都将面临激动人心的新科技、新生活。去年到今年年初，我参加了浙江卫视的一档科技制造综艺节目《智造将来》。这个节目的名字起得有意思，它叫《智造将来》而不叫《智造未来》。为什么呢？将来已来，而未来尚未到来。我在这档12集的节目中目睹了中国在制造业中的30多个了不起的项目，而这不过是沧海一粟，中国已经成为这个星球上首屈一指的制造大国。面对目前国际环境复杂多变的挑战，我相信，中国将很快成为这个星球上首屈一指的制造强国。是的，面对近未来和远未来，我们充满信心。21世纪，将是我们中国人对人类做出重大贡献的世纪。另外，我要提一下，今年我还有一本与这本书内容相关的书会出版，书名是《科幻中的物理学》，期待读者的关注。回到《〈三体〉中的物理学》本身，这本书的主要内容当然与《三体》有关，有的部分对《三体》涉及的一些科学内容表示肯定，有的则说明部分科学内容并不科学。可是，科幻文学本身的重点是幻想，而不是科学普及，这一点还请读者厘清。最后，我想再次对《三体》这部科幻巨著的作者刘慈欣表示感谢，是他的作品启发了本书，同样，也是他的作品开启了中国科幻电影元年，使得越来越多的中国人对科学以及背后的原理产生兴趣。我也想对本书的原编辑姚海军表示感谢，是他促成了本书。同时，感谢中南博集天卷对我的作品青眼有加，持续出版了《给孩子讲量子力学》等作品，提振了我的信心。感谢我的策划编辑董卉，她在我的一系列书的出版中付出了大量时间和精力。科学普及和科技创新同样重要。我将继续在科普方面努力工作，为中国崛起做一点贡献。这本书的再版，目的也是如此。让我们一同爱科学，学科学，在21世纪对科学以及中国的进步做出努力，我们必将见证一个伟大的时代。2019年4月14日于北京家中第1章宇宙与智慧改变物理学规律，这可能吗？智慧生物将成为无所不能的神？其实，刘慈欣不是在科幻中涉及这个话题的第一人。
刘慈欣的《三体》三部曲是迄今在中国出版的影响最大的华语科幻小说。其魅力主要来自作者宏大的想象力、难以预测的情节以及幻想的主题。
开始读《三体》三部曲的时候，我并没有特别喜欢，主要觉得作者的三观有些“主流”，比如说某个政府的形态可以延续到未来的一百年后，而且，其中一些我们熟悉的称谓，如首长和同志之类，也显得有些过时。可随着阅读的深入，我慢慢改变了看法，或许作者不可避免地受到了主流三观的影响，但其实这部小说真正的目的是探索文明与文明之间的关系，文明将如何延续，以及智慧在宇宙中的位置。
换句话说，刘慈欣写这部小说，除了过他的科幻瘾之外，还想顺便探讨一下人类的一些终极问题：宇宙如何发展？宇宙在智慧的影响下如何发展？时空可变吗？文明的归宿是什么？……因此在故事展开的过程中，就不免涉及各门各类科学与技术。刘慈欣在这部恢宏的巨著中用到了物理学、社会学以及计算科学，但用到的物理学设定最多，这是为什么？
原因只有一个，20世纪的物理学发展彻底颠覆了人类对世界的看法，同时也改变了人类的生活。量子论与相对论改变了我们对客观世界实在性的认识，改变了我们对时间和空间的认识，使得宇宙本身变得更加奇妙，不像牛顿机械论中那么冷冰冰且永恒不变。物理学在某种程度上更加接近哲学了，这使得一些早已被科学界主流抛弃的哲学命题得以回归。至于物理学改变了人类的生活，我们只要举几个例子就能明白这种改变有多么巨大：航空与航天、核能、计算机与网络。
所以，如果你要写一部设定宏大的科幻小说，借助物理学是最方便快捷的。
保罗·戴维斯在他的名著《上帝与新物理学》中写道：
具有讽刺意味的是，一直走在各种学科之前的物理学现在正对精神越来越倾向于肯定；而生命科学则仍旧走在上一个世纪的物理学的路上，现在正试图完全取消精神。心理学家哈罗德·莫洛维茨对物理学和生命科学如此转换对精神的看法提出了如下的评论：“实际情况是，生物学家们以前认为人的精神在自然界的分类等级之中占有一个特殊地位，现在则义无反顾地走向赤裸裸的唯物论，而19世纪的物理学就是以唯物论为其特色的。与此同时，面对着咄咄逼人的实验证据的物理学家们则脱离严格机械的种种宇宙模型，转而把精神看作是一切物理事件中扮演着一个与事件不可分离的角色。这两个学科就像是坐在两列逆向飞驰的火车上的乘客，彼此都没注意到对面开过来的火车上正在发生什么事。“在下面的几章里，我们将要看到新物理学如何赋予‘观察者’在物理实在的自然中的中心地位。越来越多的人认为，基础科学近来的进展更有可能揭示出存在的更深一层的意义，而不是投合传统的宗教。总之，宗教对这些科学进展不可能视而不见。”《三体》一开始就展示了三体人令人不可思议的技术，从发射智子到派出以十分之一光速飞行的太空舰队。这支太空舰队之后还出现了可以直接进入光速飞行的第二太空舰队。可是，三体人的技术与后来的“神一样的文明”相比完全是小巫见大巫。那种神一样的文明可以改变空间维度，甚至改变物理学规律。改变物理学规律成了文明之间战争的终极武器。最后，宇宙不得不在文明的干涉之下完全改变了演化进程。
改变物理学规律，这可能吗？智慧生物将成为无所不能的神？其实，刘慈欣不是在科幻中涉及这个话题的第一人。波兰科幻作家、哲学家斯坦尼斯拉夫·莱姆在《宇宙创始新论》中写的就是这个。《三体》中的终极设定和莱姆的设想其实在超弦理论中原则上是可以实现的，这是目前最为流行的物理基础理论。弦论作为一个统一所有物理学基本规律的理论，并不预言一个唯一的宇宙。在弦论中，我们的宇宙只是所有可能的宇宙中的一个，它所遵循的物理学规律，它包含的物质形态，都是弦论中无数可能的一种。因此，设想超级智慧可以改变宇宙，改变物理学规律，并不像看上去那么异想天开。当然，物理学家还不知道弦论是否正确。很多实验家和理论家还在努力证明弦论就是描述这个世界的理论。
随着年纪的增大，我对人在宇宙中的位置的兴趣越来越大。倒不是因为我也想知道人类的未来是什么，人类是否会飞向其他恒星，甚至飞出银河系，也不是因为想知道人类在未来是否会遭遇外星文明，不同文明之间的相遇是友好的还是敌对的，所有这些对我来说都并不重要。对我来说更加重要的是，我们到底能不能够认识世界的终极规律？宇宙是怎么来的，宇宙的宿命是什么？意识，乃至智慧是这个宇宙发展过程中的偶然现象，还是必然？我们有着唯一的宿命，还是可以改变自己的未来？这些都是科学上的终极问题。这些终极问题，当然不可避免地会在科幻写作中出现。也许，我和华语科幻作家视人类为一个整体稍有不同的是，我更加关心个人，关心人的生存状态和意义，说到底，这与关心自己有关。
解决自己心中的问题有很多不同的途径。有人直接去研究科学，比如物理学，比如认知科学，比如天文学中的一个特异的分支——寻找外星文明。另一种方式就是用小说的形式描述自己的猜想，这是刘慈欣的道路。除了《三体》三部曲之外，几乎所有他的小说都和飞出太阳系有关，或者与寻找终极真理有关，前者如《流浪地球》《赡养上帝》，后者如《朝闻道》《镜子》。《三体》三部曲则综合了两者，指出文明最终的出路是星际旅行，但星际旅行又会带来难以预测的后果，那就是文明之间的碰撞。既然要专写这些，物理学就不可避免地成为刘慈欣的主要灵感来源。
话说回来，这本书所关心的话题，还是物理学的基本规律。在后面的各章节中，我们将慢慢地从量子论和相对论开始，然后谈到《三体》中涉及的很多现代物理学，以及还在发展中的物理学，如弦论中的时空观。一些更加技术性的话题，如智子涉及的量子通信，时空维度的改变，制造黑域等，将放在书的后半部分。第2章时间与空间（上）
可观测宇宙中含有很多很多像银河系一样的星系。到底有多少？现在还没有数清楚。目前的估计是，大约有1000亿~2000亿个星系。这就是我们面对的巨大的宇宙。关于空间的基本事实
一切存在都不能脱离空间，这是我们的经验事实。
小时候，我读那时最流行的科普书，如《十万个为什么》，首先接触的就是一个基本事实：我们生活在地球上，地球是圆的。
地球是圆的这个事实古希腊人就知道了。毕达哥拉斯学派从球形是最完美的这个理念，推测地球是球形的。当然，地球在转动，而且它不是完美的球形，而是梨子形。后来，亚里士多德从月食现象论证地球是球体：造成月食的原因是地球在月亮上的投影，而由于月食的分界线总是弧形，所以地球是球形的。
后世学科学的学生总是瞧不起亚里士多德，因为他提出了错误的力学理论。其实，亚里士多德有很多科学贡献。单就地球是球形的论点，除了月食，他还有另外两个论据。其一，夜间从北向南走，或从南向北走，总看到前方有新的星星在地平线上出现，另一些却在后方消失；其二，风平浪静的时候，我们在船上看到的大海总是一个有限的圆，并且，远处的船总是桅杆先出现，船身后出现。这个现象还可以帮助我们计算地球的半径。还有一个计算地球半径的办法是估算我们在大海上看到的海球面的半径，然后用你在海面上的身高推出地球的半径。这是一个很简单的几何学问题，留给读者做练习。这里我们给一个例子，假如你身高是2米，直接站在海面上，由于地球的直径是12742千米，你能看到的最远处在5千米左右。
因为人类一直被束缚在地球上，我们很难推出空间的真正性质。首先，地球有重力，这使得人类从牛顿到爱因斯坦花了将近250年才弄清，空间本身不像三角几何学告诉我们的那样是平坦的，三维空间是弯曲的。三维空间的弯曲不容易想象，但我们容易想象二维空间的弯曲，球面本身就是，马鞍面也是。我们在数学上将球面和马鞍面推广，就能用数学来刻画三维弯曲空间。
高斯本人就曾经猜测三维空间类似地球表面，不是平坦的，也就是说在我们生活的空间中，三角形的内角和不等于180°（在球面上，一个三角形的内角和大于180°）。高斯发展了两维曲面理论，他的理论后来被黎曼推广到任意空间维度。一直要到爱因斯坦，我们才知道三维空间真的不是平坦的，原则上与万有引力的强度有关。
当然，地球的引力不足以使空间弯曲得太厉害，我们在后面谈到黑洞和黑域时再讨论地球引力场中空间的弯曲程度。
如果空间是弯曲的，那么，原则上我们就可以超越牛顿以及他的前人，想象一个几何上十分复杂的宇宙。首先，在最大尺度上想象，宇宙可能是闭合的，也就是说由于空间是弯曲的，我们沿着短程线向前走，走着走着就走回来了。打个比方，我们在地球上走短程线，其实就是大圆，我们沿着大圆走，路径不断地向下弯，弯着弯着，我们就绕地球走了一圈回到了原点。
因为我们生活在三维空间中，就难以想象三维空间是弯曲的，但在数学和物理上这都是可能的。即使没有爱因斯坦，在牛顿力学中，我们都可以假设生活在一个三维弯曲空间中，只是，在宇宙尺度上我们要修改牛顿力学。
现在我们知道，宇宙是非常非常大的，大到它的可观测半径超过[1]400亿光年。这是多大的一个宇宙？我们就不用航天来想象了，直接用宇宙包含的物体来看它大到什么程度。在用物体来解释宇宙的大小之前，我必须说明一下，当我说宇宙的半径是400亿光年的时候，[2]是假设宇宙在空间上并不弯曲，这个半径就是我们看到的最远处而已，是我们视线所及的一个球状范围的半径而不是说宇宙空间本身是一个三维超球面。至于为什么我们只能看到这么远，在后面介绍宇宙学时我们再回来解释。
我们生活在地球上，一开始我就说我小时候就知道这个事实了。地球又是太阳系中的一颗行星，它是固态的，密度大，体积小，自转也不快。宇宙中类似于地球的行星，我们统称为类地行星。在距地球1.5亿千米外，是太阳。太阳发出的光要旅行8分钟以上才能到达地球。被开除出行星队列的冥王星与太阳的距离是地球与太阳距离的40倍左右，光从太阳发出抵达那里需要5小时30分钟。当然，冥王星远远不是太阳系的边界。如果我们将太阳到地球的平均距离称作一个天文单位，那么从海王星开始向外走这样50个天文单位之中，我们会发现很多小行星，直径小的有数千米，大的有上千千米，这个区域叫柯伊伯带。
但柯伊伯带仍然远远不是太阳系的边缘。太阳的万有引力统治的最远处是奥尔特云，距离太阳有5万~10万天文单位，最远处超过了1光年。奥尔特云中存在很多彗星。可以说，这些物质是50亿年前太阳和行星形成之后残留下来的。
接着，我们就旅行到了比邻星，也就是《三体》中的三体星了。从这三颗相互绕行的恒星回望，地球已在4.2光年的远方，三星系统在我们所处的银河系中并不罕见。
整个银河系有多大？银河系不是整个宇宙，这个事实直到20世纪30年代才被发现。在银河系中，存在2000亿~3000亿颗恒星。银河系像一个银盘，最大直径有10万光年。也就是说，光从银河系一端走到另一端的时候，非洲智人也从非洲走出，一直走到今天。银河系的中心厚度有1.2万光年。而我们的太阳位于银河系旋臂之一的猎户臂上，从太阳到银心的距离有2.6万光年。
当然，我们说的银河系指的是可见部分，银河系和很多其他星系一样，还有更大的伴生的暗物质晕，这些暗物质的存在可以由它们产生的万有引力推断出，但直到今天还没有被直接观测到。
我们的银河系处于一个星系群中，在这个群中，除了银河系之外还有很多其他星系，例如仙女星系。
可观测宇宙中含有很多很多像银河系一样的星系。到底有多少？现在还没有数清楚。目前的估计是，大约有1000亿~2000亿个星系。
这就是我们面对的巨大的宇宙。如果我们愿意，我们可以选择一个所谓的宇宙时间。在这个固定的宇宙时刻上，我们的宇宙在空间上是平坦的。
宇宙是平坦的也仅仅是一个大尺度上的概念。宇宙空间在局部上其实是坑洼不平的，这些不平当然是恒星、黑洞、星系和星系团的万有引力造成的。
我们看到，我们的太阳系在宇宙中真是一个微不足道的恒星，即使它微不足道，它的最外围距离我们仍有一光年之遥。前段时间有新闻说，1977年发射的美国“旅行者一号”飞船以超过宇宙第三速度[3]（16.7千米每秒）航行了35年后仍未离开太阳系。我们对这一点不会感到惊讶，因为它才飞了150亿千米，只有100多个天文单位而已。《三体Ⅱ》中提到柯伊伯带，这是“旅行者一号”到地球距离的中间点：
中技术层次：飞船的速度达到第三宇宙速度的300倍左右，即4800千米每秒，飞船具有部分生态循环能力。在这种情况下，飞船的作战半径将扩展至柯伊伯带以外，距太阳1000个天文单位以内的空间。
其中所说的1000个天文单位比“旅行者一号”现在到达的位置远多了。
紧接上一段，奥尔特星云也出现了：
高技术层次：飞船的速度达到第三宇宙速度的1000倍左右，即16000千米每秒，也就是光速的百分之五；飞船具有完全生态循环能力。在这种情况下，飞船的作战航行范围将扩展至奥尔特星云，初步具备恒星际航行能力。
奥尔特星云后来在《三体》中不断地出现，因为这是作者设定的太阳系的边界。关于时间的基本事实
爱因斯坦在20世纪初建立狭义相对论，在这个理论中，时间和空间不再是独立的，也不再是绝对不可更改的。
一个乘坐高速飞船的人以接近光速的速度离开地球到太空中旅行一圈再回来，他的时钟就变慢了，就好比，在这个过程中，地球上的时钟也许过去了1000个小时，而他的时钟仅仅走了一个小时。同样，这位旅行者也比地球上的同龄人显得更年轻，因为他身体里的时间也变慢了。总而言之，飞船上所有物理过程都变慢了。
后来，爱因斯坦建立了广义相对论，在这个有史以来最抽象、最美丽的理论中，时间变得更加不可思议了。例如，将一只钟拿到黑洞边缘走一圈回来，你会发现时钟也变慢了。我们将在下一章解释时钟和万有引力的关系。
但是，时间还是比空间更为神秘。即使我们理解了爱因斯坦的难懂的广义相对论，我们也还没有真正理解时间。
什么是时间？物理学的解释很简单，时间就是计时。可以说，物理学的进步与计时的改善分不开。
守时与农业革命分不开，因为何时播种、何时收获等与季节有关。古人早就注意到了这些自然现象的周期性，从而制定出历法，最早的历法已经有5000年了。历法要做到精确，就必须精确地计量时间，但仅仅用地球自转（天）来计时，就无法将地球的公转（年）计算精确，因为这两个周期不是成整数倍的。
水钟在古巴比伦和埃及可以上溯到公元前16世纪。据说机械钟在西方可以追溯到13世纪，却没有保留下来的实物。最早的记录分（没有秒）的时钟制造于1475年，后来出现了记录秒和分的钟。
伽利略第一个注意到钟摆的运动是周期性的，他似乎也有过利用钟摆来制造时钟的想法。惠更斯计算出一秒钟对应的摆长是99.38厘米，从而制造了第一个用钟摆驱动的时钟。可见，钟表的原理和精确度与某个被利用的周期运动有关。机械钟一般能准确到一天误差一秒就算好的了，不过我们日常生活中也不需要更准确的时钟。
科学实验和高技术需要更准确的计时。戴过表的人都知道石英表，石英晶体的振动被交流电转变成电压的周期变化，这个变化被线路组成的部件探测到，这就是石英钟的计时原理。石英晶体的振荡周期与石英的具体形状和大小有关，寻常石英钟的振荡频率是32768赫兹，也就是说在1秒钟内振荡了32768次，振荡一次就是1/32768秒。如果这个振荡频率精确到个位数，那么一天下来，振荡次数的误差不大于8万次（也就是一天内的秒数），这样，石英钟的一天误差就能够保持在秒的范围。为什么选择32768这个频率呢？因为这个数字恰好是152，这是利用2进位的数字钟需要的。石英晶体的振荡频率受到温度的影响，从而影响时钟的精确性。经过温度校准的石英钟可以准确到每年误差大约是10秒钟。
我们看到，精确的计时其实都暗含了一个重要假定，就是假设了周期性运动的存在，从地球的自转，到石英钟的振荡频率。如果没有周期性运动怎么办？古代的物理学家或许没有想过这个问题。时间的存在，其本身也许就暗含了周期性运动的存在。实在不行，我们就随便定义时间，在这么做之后，再看物理学定律采取什么样的形式。
当我们说时间均匀流逝的时候，这也暗含了一个假定——至少存在某种周期性运动，它的周期不变。这样，用这种运动定义出来的时间就是均匀的，也就是说，昨天的一个周期等于今天的一个周期，也等于任何时候的一个周期。一个会动脑子的人会问，周期永远不变是定义出来的吧？这个疑问有道理。因此，如果只存在一种周期运动，我们就会说时间均匀性完全是人为定义的。
如果存在两种或两种以上的周期运动呢？比如说，一个单摆的周期，以及地球自转的周期。你可以假设地球的自转不变，昨天的一天等于今天的一天，这是定义。现在我们可以问，昨天一天中某个单摆摆动了若干次，今天是否同样摆动了若干次？如果答案是肯定的，那么时间的均匀流动就有意义了。
有趣的是，几乎所有的周期性运动的周期在相互比较之下，都是不变的，这是一个基本物理事实，至少在所谓惯性参照系中是成立的。时间的这个特点确实是一个奇迹，也就是说，时间真的是均匀流动的。《三体》中出现了人类的计时，也就是地球的计时方法，另外也出现了三体人的计时。例如，《三体Ⅰ》中就直接出现了三体时：“在以后的两个三体时中，监听员知道了地球世界的存在，知道了那个只有一个太阳，永远处于恒纪元中的世界，知道了在永远风调雨顺的天堂中诞生的人类文明。”当然，作者没有告诉我们一个三体时相当于多少地球时，不过，既然出现了三体时，作者就假定这两种时间是可以对比的，而且两种时间都是均匀流逝的。《三体》中没有出现三体日和三体年，因为在作者的假设中，由于该星系有三个恒星的存在，三体行星的运动不是周期性的，事实上是混乱的，所以才有乱纪元。
在《三体Ⅲ》中，还出现了神秘的时间颗粒，这是毁灭了人类文明的“歌者”和“长老”所属文明的计时单位。也许，一个时间颗粒对应一万年，甚至更久？
在物理学中，时间的均匀流逝使得物理学定律看起来非常简单，比如说，牛顿第二定律就不会明显含有时间。这个定律说，一个物体的加速度与这个物体所受到的力成正比，正比系数反比于物体的质量。如果时间不是均匀流逝的，那么，牛顿第二定律也许还成立，但质量可能与时间有关，一个昨天还很重的物体，今天就变轻了。
物理学定律与时间无关非常重要，因为这样一来，世界看上去就比较简单，更容易被理解。否则，我们真的很难总结出什么物理学定律，因为昨天的定律和今天不一样，“定律”中的“定”本来是恒定的意思，既然没有恒定，哪里来的定律？
也许只有物理学家和学习物理的学生知道，时间的均匀流逝还有一个重要后果，那就是能量守恒。我们很难脱离数学来解释时间的均匀性与能量守恒之间的关系，但是，有一个关键点可以帮助我们理解它们之间的关系。
这个关键点和量子论有关。后面我们会介绍量子论的主要特点，现在，我们先接受量子论中的一个重要事实，也就是，一个物体的能量有对应的自身频率。比如说，一个基本粒子越重，它所对应的频率就越大。粒子和波的二象性其实说的就是这个。一个粒子既是粒子，又是波。当一个粒子很轻时，它的量子波动特性就很明显，因为频率比较低，振动得慢。反之，一个宏观物体，比如一个手机，一本书，它们的质量都相对很大，对应的频率就非常非常高，我们就不可能察觉它们的量子振动。
现在，我们就能理解时间的均匀性与能量守恒之间的关系了。如果时间是均匀流逝的，那么一个物体的振动频率昨天和今天是一样的，通过量子论，它们对应的能量在昨天和今天也是一样的。
很多琢磨过时间问题的人一定会问这样的问题，时间有开头吗？时间有结束吗？
看起来，这是一个自相矛盾的问题。如果时间有一个开头，我们就会问，开头之前有什么？同样，如果时间会结束，我们又会问结束之后有什么？
其实这个问题本身并不矛盾。基督教哲学家奥古斯丁就思考过这样的问题，他认为，时间是主观的，只有当你可以测量时，时间才存在。如果在时间的开始“之前”和时间的结束“之后”，并不存在任何测量，谈时间也就是虚妄的。
在牛顿体系中，时间无始无终。时间可以无始无终，这与力学的基本定律不矛盾。但是，在热力学出现之后，无始无终的时间就自相矛盾了。比如说，我们知道热力学第二定律告诉我们一个系统的混乱度会越来越大，如果时间没有开始，任何一个孤立系统的混乱度都是最大的，但这和我们的观察相矛盾。地球上任何系统的混乱度都不是最大的，太阳系也不是，其他恒星也不是。因此，如果热力学第二定律成立，时间最好有一个开始。我们同样可以问，如果时间没有结束，那么热力学第二定律是不是也预言了宇宙将趋于热寂，即宇宙将变成没有任何细节，所有系统都变成熵最大的状态？
大爆炸宇宙学确实告诉我们，时间有一个开头，也就是说，我们的宇宙开始于138亿年前，在这以前，谈时间没有意义。所以，我们不用担心如何去理解我们看到的系统都处于活跃状态。
那么，时间有结束吗？这个问题，我们留到第五章中讨论。时间与空间的关系
在爱因斯坦之前，没有人想过时间和空间之间居然可以互相转换。时间和空间的转换，我们在下一章中会介绍。
在多数人看来，空间更加实在，当然，在今天的人们看来，空间具有前所未有的实在性——在城市中，购买一平方米的房子可以耗费普通人一年的工资。
时间有点虚幻，只存在于我们的记忆中，我们记得昨天做了什么事，十岁的时候干了什么恶作剧，但这些仅仅成了宝贵的记忆，我们不能再次实实在在地体验了。而且，当下也会一晃而过。
甚至爱因斯坦本人都说，时间是我们根深蒂固的幻觉。当然，爱因斯坦指的不是我们的记忆，而是想说时间可能在物理上真的不那么实在。要体会到时间在物理学中的非实在性，需要更多的思考，比如说决定论，比如说广义相对论中时间的随意性，但我们暂时将这些更深层次上的概念放一放。
据我所知，过去理论物理学的发展，使得事情倒过来了，空间在某种意义上是虚幻的，时间反而很难用别的东西取代。
例如，所谓的全息原理告诉我们，三维空间至少有一维是虚幻的，真正的物理学建立在两维的全息屏上，而第三维就像3D电影一样，是衍生物，而我们人类是三维的这个事实，使得我们很难在直觉上体会到真正的两维空间。
很多人问我全息技术的工作原理，现在还真的很难用非专业的语言解释清楚，实际情况是，连物理学家们都不十分清楚全息原理是怎么工作的。目前，我们只能用3D电影来进行比喻。
超弦理论走得更远，认为所有的空间维度都可以从没有空间的物理学中衍生出来。其实，这也不神秘，如果一个系统足够复杂，即使开始的时候没有空间概念，为了给系统中的物体对象排序，我们也会[4]发明序号，这些序号，就是空间中的坐标。
物理学家经过几十年的研究，终于发现空间可以被看成衍生物，到现在为止，还没有人成功地将时间变成衍生物。所以，时间也许并不那么虚幻，它不是我们根深蒂固的幻觉，而是这个宇宙得以成立的首要条件。一个普通人可以想象一只停止走动的钟表，但一位物理学家很难想象一个没有时间的物理理论，时间是一切物理学理论的基础。为什么？我们不知道答案。[1]由于宇宙的空间在膨胀，因此可观测宇宙的半径大于宇宙年龄乘以光速。[2]上文说三维空间可以弯曲，是说物质和能量可以令它附近的局部三维空间（以及时间）发生弯曲。但在宇宙的尺度上测量，人们发现三维空间整体上是平坦的。[3]“旅行者一号”已于2013年飞出太阳系。——编者注[4]例如，我们在计算机程序中模拟一个三维空间，其实就是给其中的物体赋予一组三维坐标。物体的坐标变化，就意味着它在三维空间中运动。所以，空间维度是可以通过这种纯数学方法衍生出来的。第3章时间与空间（下）
爱因斯坦建立的新的万有引力理论可以表述如下：
时间和空间是可变的、弯曲的，时空的弯曲程度由物质来决定……任何一位物理学学生在理解了广义相对论之后都会感受到一种震撼的美。力学中的时间和空间
我们已经基本了解了在我们这个宇宙中的空间的延展性，这是过去数百年天文学和宇宙学研究的结果。
这一章中，我们再从物理学的角度了解空间和时间的性质。
在讨论物理学时，我们经常从物理学家嘴里听到“参照系”这个词。这个词是什么意思？它有两个意思，一个意思非常“物理”，首先，确定一个参照系是空间，比如说，你处在一个房间中，在这个房间中，所有物体都是静止的，用来描述这些静止物体的空间就是一个参照系，在这个空间的概念之下，房间中的物体是静止的，这是我们的直觉。
如果你坐在火车里，火车里的物体相对你也是静止的，我们可以同样用描述房间内空间的方式来描述火车内的空间。可是，如果你站在铁轨旁观察火车，火车中的所有物体都以同一个速度在运动，火车中的乘客也在运动。站在铁轨旁的观察者和坐在火车中的观察者对空间的描述完全不同，因为他们的空间在相对运动。
因此，没有一个绝对空间，所有空间的概念都和描述有关。这就将我们带到了数学描述的空间。如果我们想将火车中乘客眼中的空间和铁轨边旁观者的空间联系起来，我们不得不借助数学。这即是参照系的第二个意思。
在力学中，我们常常说一个粒子的位置坐标，这是假设了我们用笛卡儿直角坐标来描述空间。在我们的经验中，空间是三维的，这等于说一个粒子的位置需要三个实数来确定。对于一个观测者（观测者与观察者相比，是一个更加专业的词汇），相对他静止的物体都是用固定坐标来描述的。至于这些固定坐标是什么并不重要，但在数学上，我们必须选择一个确定的坐标系。不同坐标系的坐标之间存在数学关系。就像在平面上，两个直角坐标系之间相差两个变换：平移和转动。同样，在三维空间中，不同直角坐标系之间也相差平移和转动。
在广泛的意义上，我们还可以引入更加复杂的坐标系，这些坐标系不一定与两两垂直的轴有什么关系，完全可以随意指定，比方在平面上，我们可以有如图3-1所展示的坐标，这是一个曲线坐标系：图3-1 曲线坐标系
我们看到，在这种坐标系中，平面上的每个点同样有两个坐标，这是平面的二维性质决定的。同样，在三维空间中，我们也可以随意选择三个坐标。
如果两个观察者相对运动，这时，他们各自的静止坐标之间的关系就不是一些简单的函数关系了，这些关系将与时间有关。
所以，在涉及运动时，时间不得不介入，这不仅仅是我们前面提到计时的需要，也是描述运动的需要。物理时间的定义仍然需要周期运动的存在，直到爱因斯坦，我们才知道还可以任意定义时间，这话后面再提。
在牛顿时代，时间是绝对的，也就是说，不同观测者定义的时间是一样的，它们之间最多相差一个简单的时差。对于牛顿之前和之后很长一段时间内的人来说，真的不存在第二个时间，天地之间只有一个绝对的时间。美国人的时间和中国人的时间是一样的，最多相差一个时差，同样，三体人的时间和地球人的时间也是一样的，除了存在时差之外，还可能相差一个计时单位的变换，也许三体时是地球时的1.5倍或其他什么倍数，除了这些简单的差别外，没有任何其他差别了。
单位差别和时差当然是没有多少物理意义的，这就像前面谈到的对于同一个观测者，用直角坐标还是用曲线坐标并没有多大差别。其实，曲线坐标之间的关系更加复杂，因为可以相差两个（二维空间）任意函数，而时间是一维的，它们之间的差别就是一个平移（时差），一个放大或缩小系数（单位之间的关系）。
所以，牛顿的力学就比较简单，不同参照系之间的力学定律相差不大，最多变换一下空间，时间都是一样的。这样，牛顿利用他的第一定律就可以定义惯性系，在一个惯性系中，不受力的物体以匀速运动。这个定义一旦给出，我们自然就推论，不同惯性系之间相差一个匀速运动，这是因为，不受力的物体在一个惯性系中匀速运动，在另一个惯性系中也匀速运动，那么这两个参照系只能相差一个匀速运动了。
牛顿曾经想过一个难题，既然时间是绝对的，那空间也是绝对的吗？不同惯性系中的空间都是不同的，都在做相对匀速运动，这个问题看上去没法解答，因为所有这些空间都是对等的，绝对空间是什么意思？
不同惯性系中的空间虽然不同，但相差的只是一个简单的匀速运动的变换。牛顿的意思是，是否存在一个物理学上决定惯性系的条件，使得这些惯性系中的空间变得很特别，其他“非惯性系”中的空间都不自然。
当然，后来的电磁学的发展，引入了真正的绝对空间的意义：是[1]否存在一个绝对的唯一惯性系，在其中以太是静止的，而电磁波是以太振动的波？
牛顿没能解决他的绝对空间问题，只好建议惯性系是先天的。在电磁学建立的时代，也没有人能够解决存在以太的绝对空间问题。后来，爱因斯坦告诉我们，不存在绝对空间，所有参照系都是对等的。
这就为我们带来相对论中的时间和空间概念。相对论中的时间和空间
在牛顿的时代，力学和光学是主题，而且，光学还不怎么复杂，只有简单描述光线的几何光学和牛顿的颜色理论。牛顿力学和万有引力理论非常成功，能够描述之后200年的所有实验和观测，成功地解释了天体运动，预言了一些新行星，在工业革命中也起到了关键作用。
到了19世纪末，电磁学成功地建立起来，并且有了一组数学上非常漂亮的方程，叫麦克斯韦方程。麦克斯韦方程不仅漂亮，还成功地预言了一个新现象：电场的变化会诱导磁场的产生，这是法拉第电磁感应定律的电场形式。电磁感应的含义是，磁场的变化会诱导电场的产生从而诱导电流的出现。麦克斯韦还通过他的方程预言了电磁波，20年后被赫兹的实验证实。电磁波的出现引发了新的工业革命，我们现在一直受益于电磁波主导的工业：无线电话、广播和电视、网络、GPS等等。因为电磁波的速度和光速一样，所以麦克斯韦推论光波就是电磁波。这样，麦克斯韦做出了物理学上的第一个统一——电磁学和光学的统一。
麦克斯韦是通过一系列电磁定律推导出他的方程的。奇怪的是，他的方程与牛顿力学有冲突。在牛顿力学中，所有惯性系都是对等的，在其中，牛顿力学定律都是一样的，但是，麦克斯韦方程似乎只在一个惯性系中成立，这是因为，它预言电磁波的速度是30万千米每秒。这个速度让人觉得宇宙中似乎存在一个特殊的惯性参照系，30万千米每秒就是电磁波相对于这个惯性系的速度。在别的惯性系中，电磁波的速度会一样吗？
这是爱因斯坦出道时需要面对的问题，他成功地解决了这个问题，因此，他的著名的第一篇相对论文章的题目是《论动体的电动力学》，而其中没有相对论这样的词语出现。
在爱因斯坦之前，确实有迈克尔逊等人试图证明光速是可变的，但没有成功，爱因斯坦应该知道这些实验，不过他的论文确实和这些实验无关。他超前的意识使得他直接假设光速在不同的惯性系中是一样的，这样，就引发了麦克斯韦理论和牛顿理论的冲突，解决这个冲突的唯一出路是，牛顿的绝对时间是错误的。
下面我们用一个简单的实验来说明时间不可能是绝对的。
我们前面谈到，计时和钟表都是利用周期运动完成的。如果光速不变，那么光就可以用来做计时的“绝对”标准，因为在不同的参照系中，光的运动方式不会改变。
图3-2甲的光钟的原理很简单，在一对镜子之间，光被不断地反射，光走一个来回需要的时间就是总路程除以光速，用d代表单程长度，c代表光速，光在一对镜子之间的一个震荡周期就是t=2d/c。
因为c不变，这个周期也不变。比方说，d是1.5厘米，那么这个周期大约是一百亿分之一秒，非常短的时间。这个周期在不同的参照系中是一样的，都是一百亿分之一秒，因为光速不变。图3-2 光钟
图3-2乙却给我们带来一个问题，用光钟计量的时间，虽然在不同的参照系中的单位不变，但不同参照系中的时间之间的关系很不简单。
图3-2乙代表一个运动的光钟。跟着这个光钟运动的观测者看到光钟的一个周期是t，比如说前面的例子就是一百亿分之一秒。
不跟这个光钟运动的观测者保持静止，在他看来，光在一对镜子之间走一个来回的路程变长了，也就是说，光走一个来回的时间也变长了，这个时间记为T，是静止观测者的时间。T与t时间的关系是什么？这很好推导。
看图3-2乙。镜子之间的距离是d，原先光的单程也是d，现在，光钟运动了，如果它的速度是v，光跑一个单程的路程是，现在，用两倍的单程除以不变的光速c，就得到静止参照系中运动光钟的周期，或者。我们看到，T是t的一个大于1的倍数，这是著名的时间延长公式，或者说，运动的时钟在静止的人看来变慢了：虽然时钟跳了一格，在静止的人来看，这一格的时间长于一百亿分之一秒，但跟着时钟运动的人坚持说这一格就是一百亿分之一秒，因为对于他来说光速也是那么大。
我们看到，爱因斯坦假设光速不变后彻底改变了我们对时间的认识，它不可能是绝对的。
如何制定距离呢？爱因斯坦在假设光速不变之后，很容易测量距离：从一点到另外一点的距离，就是光跑一个来回所用的时间的一半乘以光速。今天，光速不变被实验验证得非常精确，长度已经不再用[2]保存在标准计量局中的金属棒来制定了，而是用光速直接制定。
既然不同参照系中的时间按照制定好的单位会变化，那么长度也会变化。用和光钟类似的办法，我们可以推导出，一个“刚体”尺子沿着它的方向做匀速运动时，在静止的观测者看来，这个尺子的长度会缩短。
爱因斯坦用光速不变推导出了全新的时空观，牛顿力学虽然有了一些变化，但惯性参照系这些重要概念还是没有变，因而伽利略的惯性原理继续成立，不但继续成立，适应范围也从力学扩大到电磁学和光学了：相互做匀速运动的参照系中的物理学定律保持不变。爱因斯坦的新理论后来被称为狭义相对论，因为时间和空间都是相对的概念，没有绝对的时间和空间。
在新的时空理论中，时间和空间会互相转变，所以，时间和空间必须结合成一个新的概念——时空，而满足相对论的时空叫闵可夫斯基空间。
爱因斯坦“推翻”了牛顿力学后还觉得不够过瘾，他要重新思考万有引力。弯曲的时间空间
万有引力遵循牛顿力学，因为万有引力定律本身就是牛顿发现的。所以，牛顿的万有引力与爱因斯坦新的时空观矛盾。
如何解决这个问题？爱因斯坦在思考量子论的同时，花了差不多八年时间才彻底解决这个问题。他的最终解决方案很简单：万有引力的存在使得时间和空间也是可变的。时间和空间既然在狭义相对论中是一个整体，那么，这个整体是固定不变的，还是像所有物体一样，本身也是可变的？引力的存在让时空不再是一个固定的脚手架。在爱因斯坦之前，很多数学家已经跳出欧几里得建立的固定的空间，研究[3]各种不同的弯曲空间。到了爱因斯坦，这些弯曲空间不仅是数学上的想象，也是物理现实。
简单地说，爱因斯坦建立的新的万有引力理论可以表述如下：
时间和空间是可变的、弯曲的，时空的弯曲程度由物质来决定。在弯曲的时空中，如果一个物体不受任何外力（引力除外），那么它的运动轨迹就是一条测地线——就是时间流逝最慢的那条线，这是空间中短程线的推广。这里需要对“测地线”稍加解释，这个词汇来自大地测量学，顾名思义，就是连接两地之间最短的线。当我们将“测地线”推广到时间和空间这个统一的四维时空中去时，需要注意到，与纯粹空间不同，时空中的测地线不是短程线，相反，是时间最长的那条线。这个理论叫广义相对论，因为弯曲时空比狭义相对论中的时空更加一般化。
如果不学数学，我们很难欣赏爱因斯坦新理论的美。它确实是美的，任何一位物理学学生在理解了广义相对论之后都会感受到一种震撼的美，这种美不仅带来理解上的愉悦，同时也给我们一种全新的印象——世界在数学上是可以理解的，而且采用的是最美的数学。
不用数学可以理解广义相对论吗？可以，但我们只能满足某种模糊而直观的理解。下面，我尝试一下用直观的方式介绍弯曲时空理论。
时间加上空间是四维的，这是物理现实，但我们很难在大脑中构想这样一个弯曲的四维空间图像，为了简单起见，我们先来理解二维时空。
在没有时间时，二维弯曲空间就是曲面，任何这样一个曲面原则上都可以安放在简单的三维空间中，但是，这些简单的三维空间不一定都是我们熟知的欧几里得空间，也有可能是两维空间加一维时间的狭义相对论中的空间。这里，欧几里得空间就是欧几里得几何成立的空间，没有任何弯曲，任意一个三角形的内角之和严格等于180°。而狭义相对论中的空间有一维是时间，因此，没有简单的空间量度，这种时空叫闵可夫斯基时空。我们将在后面介绍超光速运动的一章中介绍狭义相对论时空的量度。
最简单的二维曲面有三种，第一种是平面，第二种是球面，第三种是马鞍面（双曲抛物面）。这三种曲面虽然完全不同，但分享同一个性质：曲率是常数。平面的曲率等于零，球面的曲率是正的，马鞍面的曲率是负的。我们熟悉平面和球面，这两种曲面都可以放置在平常的欧几里得三维空间中。图3-3展示的是双曲抛物面，请注意，双曲抛物面不是带有负常曲率的面，因为真正的负常曲率面只能安放在三维闵可夫斯基时空中。
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