[科普中国]-只用最常见的词，来讲相对论

今年是广义相对论面世100周年，漫画家兰道尔·门罗（Randall Munroe）用英文里最常用的1000词写了一篇讲解相对论的文章，并手绘全部插图。中文缺乏常用词的良好统计，但本文翻译时尽可能遵循了英文的风格。

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（Amelia/译）从前有一位长着好看白头发的博士。他想出了很多重要的点子，所以很有名。他的好看白头发是在他想出来那些东西之后才长的；但是到了所有人都发现他的点子有多好的时候，他已经有白头发了，因此所有人想到他时都是这个样子。他非常会想好点子，以至于我们会用他的名字来形容“会想的人”。

他的两个最重要的点子，说的是空间和时间是怎么回事。现在你正在看的这篇文，只用人们最常用的一千个词来说这两个点子。第一个点子是博士在办公室干活的时候想的；十年后当他在学校干活时，又想出了第二个点子。今年，这第二个点子出来刚好一百年。（当然，他也有很多其他同样重要的点子。人们花了许多的时间要搞明白他怎么这么会想。）

第一个点子叫做小点子，因为它说空间和时间的几个小部分。第二个叫大点子，说了小点子没说到的东西。大点子要比小点子难很多。数字好的人很容易用小点子回答问题，但要用大点子做些什么，你得数字非常非常好。先看小点子能让看懂大点子更容易。

小点子http://3.im.guokr.com/fCi-7uFz-pdTyselePV-Q-iiNFxGJCC88OcenbiHU3iPAAAA4AEAAFBO.png

人们很早就知道，要说一个东西走得有多快，先要说它走过了啥。现在，你可能没有在地上动，但你和地面都在围着太阳非常快地动。如果你说地面不动，那你也没动；如果你说太阳不动，那你就在动。这两句话都对，就看你说是谁没在动。

有人以为这个说“动”的点子就是空间博士的大点子。不是的。在他之前，这点子就有好几百年了。他想出这个大点子是因为，那个老的点子有个问题。

问题就是光。在他之前几十年，有人用数字讲明白了光的波和电的波是怎么在空间里动的。所有人用所有能想到的办法检查这些数字，看起来是对的。但是有个坏事儿：数字说，波在空间中每秒只走一定的距离。（大概是绕地球七圈。）数字不说谁没在动，只是说每秒走这么远。

人们花了好些时间才发现这问题有多大。数字说，每个人都会看到光每秒走同样多的路，但如果你朝和光一样的方向，走得非常快，会怎样？如果有人开着非常快的车和光一起走，他们该看到光很慢地走过去吧？数字说，不会——他们会看到光飞快地走过去，就像他们自己没动的时候一样。

人们越想这个事情，越觉得数字哪儿不对。但每次他们在真实世界里看光波，都和数字说的一样。数字说，不管你动得多快，光经过你时每秒都只走一定的距离。

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想出回答的，正是空间博士。他说，如果我们关于光的点子是对的，那我们关于距离和时间的点子就肯定不对。他说，对不同的人，时间也是不一样的。当你跑得很快时，博士说，你周围的世界就改变了形状，同时外面的时间也会过得更慢。

博士提出了一些数字，时间和空间一定要按照这些数字发生改变，才能让光的数字不出错。有了他的点子，每个人都会看到光在每一秒钟内跑过正确的距离。这就是我们说的博士的小点子。

这个小点子看起来非常非常奇怪，要花很多工夫才能搞明白。以前有很多人以为它是错的，就因为它太怪——结果发现它还真是对的。我们知道，因为我们试过很多次了。如果你走得非常快，时间就会走慢一点。如果你开着车，你就会看到车外的表变慢了；但它们只会慢一点点，所以通常你都注意不到。必须动用世界上最好的钟表，才能看到它在变。但它真的在变。

大点子：时间在博士想出他的小点子后，他就开始想重量的问题。有重量的东西就会相互拉扯。地球把所有东西都向下拉到自己的表面上，所以你没办法一跳跳进太空里。地球还用这种拉力拉着月亮，让它能一直留在我们边上，而太阳也同样拉着地球不放。就连光也同样会被重东西的拉力拉住（人们在一段时间内都不太确定这件事，因为光实在跑得太快，所以它只会被拉住一点点，非常不明显）。

非常小心的人可能会发现，这就给我们带来了新的问题：光怎么能转弯？那些说光怎么跑的数字，同时还也说了光只会沿着直线跑。它不能在真空中换方向。光的数字就是这么说的；也正是同样的数字在说，光每秒钟只能跑同样距离。

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如果光被往下拉，它必须转弯朝下，因为不能横着走嘛。要向下，光波下面的部分就得比上面的部分走得慢，因为在相同的时间内，下面要比上面走过的距离短。但这不可能对，因为数字说过，光不可能走的更快或者更慢。于是我们又遇到了麻烦。而这次，又是博士想出了回答。

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博士发现，要讲明白重量是怎么拉扯像光这样的东西，我们就又得去改时间。他说，如果在接近很重的东西时，时间它自己就走的更慢，那么离重东西近的光就不会在每秒之内跑相同的距离了。这就会让光朝着重东西的方向掉头。

所以博士的想法是：重量拖慢了时间，这就是光可以弯曲的原因。但要想知道光到底弯曲了多少，我们就得来看看大点子的另一个方面。要说这个方面，我们得先忘记光，去另一个世界转转。

大点子：空间在接近太阳的地方有个小世界。没人去过那里。我们往那里送过很多空间船去看它，但没有一个降落了。这个小世界绕太阳转，是沿着一条拉长的圆，就像图里这样：（这图中，为了看起来容易，我把它拉得更长了。）

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如果东西绕太阳掉下去，它们本来应该转一圈回到开始的地方，像这样：

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（它们同时也在被其他小世界拉着，但为了简单，我们先不管那些。）

问题是，这个离太阳最近的世界就不是这样。当它绕着太阳转时，它绕过一圈后会回到比开始的地方更靠前一点的地方，像这样：

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也是空间博士想明白了事情为什么会变成这样：重量改变了距离，就好像它改变了时间一样。

绕着一个圆转一圈的长度，是直接穿过去的长度的三倍多一点。这个数字——三倍多一点——对所有的圆都一样。

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至少，它通常都是一样的。但是空间博士说，重东西会像改变时间一样，改变空间的形状。就是因为这一点，圆变得不一样了。如果你在一个重东西的边上画个圆，他说，绕一圈的长度会比平时的长度——直接穿过去长度的三倍多一点——要短一点。太阳周围的距离比它应该有的更短一点，所以小世界绕它转就会比我们以为的要更快一点。

当人们去看博士拿出来的数字的时候（就是关于重量要怎么改变空间形状的数字），他们发现这些数字解释了这个小世界的奇怪路线，而别的办法都不行。这些数字还说，太阳可以让路过的光弯曲多少——差不多是其他人以为的两倍。当所有人都发现到博士的大点子在这方面多么好用时，就非常激动。大家开始把博士的脸印在纸的外面，所有人都知道了博士的名字。

一百年之后的大点子过去的一百年里，人们用了很多方法看博士的点子，总能发现他是对的。其实，我们的手机每天都在用博士的点子——包括小点子和大点子——来弄明白我们在哪。

当手机要知道它正在世界的哪里时，它就会和一群绕着地球飞的空间船说话。它会看一下，花了多长时间才收到从各个空间船上发出的电波，并用这个来弄明白它和每个空间船之间相距多远。

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为此，空间船上要有非常好的表。因为船很快，博士的小点子说，船上的表就会比地面上的慢一点点。又因为船离地很远，博士的大点子说，船上的表又会比地面上的快一点点。要知道空间船上的时间到底是多少，人们就得把表改动一点点，这样才能同时顾上小点子和大点子。如果博士的点子错了，那手机就不知道自己在哪里了。

就算你数字非常好，大点子也很难用。大点子说的是时间和空间的改变，这些改变在日常生活中看不到，所以我们的脑子从来都没学会这么想东西。空间博士自己都没有完成所有工作。他从一些比他更会用数字的朋友那里得到了帮助，比如一个提了好多问题的男人1，和一个总是边走边说话的女人2。

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为了让这些点子更简单，人们常常会让你去想象一些更常见的东西，比如一张又大又平的床单，上面放了重东西。这样想出来的图画很好，但有时它们会让你想到新的问题，而当你想用这些图画回答新问题时，得到的许多回答却不能都是对的。

如果你得到许多回答，但它们却不能都对，你可能会觉得自己不是很会想事情。或者，如果你是那种觉得自己很会想事情的人，你可能会觉得空间博士的数字肯定错了。但一般来说，这并不是你或者数字的错——相反，这其实是那些图画在小地方上出了错。

我们需要人们不断提问，因为博士的大点子真的有一点麻烦。我们拿给大点子的几乎每一个问题，大点子的数字都能给出对的回答，但是如果我们用它来想一些非常小又非常重的东西——比如一个正在死掉的星星，自己落在了自己里面——这时大点子给我们的回答，就和我们已经知道的其他事情不能都是对的。我们还在寻找更好的点子，能够同时讲明白这些事情。某一天，一个好的问题可能会帮我们找到它。

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