這才是你的世界！：時間與空間的思想實驗（簡體書）

絕大多數學校的科學類課程設置和教育理念固步自封於20世紀之前、學科之內。學生一旦先入為主，學成之後再難擺脫或超越。如果要選擇一個先入之見，何不以20世紀科學為先？本書中，少年安得即在神秘的馬克叔叔的引導下，掙脫伽利略和牛頓時代的舊時空觀的束縛，改變思維方式和心態，開始重新認識世界、認識時空、認識宇宙。從牛頓到康德，從奧爾伯斯到愛倫·坡，從愛因斯坦到哥德爾，安得像玩遊戲般一路“衝關”，眼前的世界從清晰到模糊，復歸清晰，一顆“時空蛋”也開始在安得的大腦裡孕育、孵化。

本書的內容循序漸進，螺旋上升，且沒有公式和計算，讀者可在聊天一樣的閱讀快感中，一覽最近一百多年的科學進展和發現。但本書不只是科普，也不只是成長小說，從中，我們還將看到作者對知識的反思、對人類乃至宇宙命運的思考，以及那些偉大的科學家和哲學家是如何發現問題的，又是運用哪些思想、方法和思維去進行探索、證明或證偽的。與科學知識相比，這些才是重點，因為它們“將支撐你去創造一個你自己願意去的未來時空”。

簡 易

想當宇宙學家的哲學博士，曾任大學研究員、科技業高管及少年大學生輔導者（以本書中的教育理念輔導一雙兒女十三歲考上大學）。

◎ 這世界合理嗎？宇宙必須有意義嗎？夜空為什麼是黑色的？宇宙的外面是什麼？時間是人造的概念嗎？懶人有道理？外星人存在嗎？時空有方向嗎？你真的知道自己身處何時何地，將要何去何從嗎？

◎ 多少人一生都走不出青少年時期的教育和日常經驗，至今還停留在牛頓和伽利略時代的舊時空觀中？如果說大人已經“沒治”了，那未受“蒙蔽”的未成年人反倒可以輕裝上陣，更好地接受新時空觀。

◎ 本書通過少年安得一家與神秘的馬克叔叔的故事，呈現了最近一百多年的科學進展和發現。不需專業知識，不用公式計算，讀者可在聊天一樣的閱讀快感中，重新認識時空，認識世界，認識宇宙，認識自己。

◎ 從光到宇宙波，從時空的形狀到時空的方向，從時間閉環到時間旅行，從時間之“生”到時間之“死”，本書內容廣闊又層層遞進，讀者可跟隨少年安得一步步進入“新時空”。

◎ 用毛毯模擬時空彎曲，在機場拆解時間之迷……書中用例和實驗皆選擇日常生活中熟悉的環境和材料，低成本，可復制，易操作。重要概念和案例配有插圖，方便讀者理解。

◎ 本書不只是給孩子的“時空簡史”，也不只是關於少年安得的“成長小說”，從中，我們還將看到作者對學習方法的探討，對知識的反思，對人類乃至宇宙命運的思考。

◎ 作者簡易是一名想當宇宙學家的哲學博士，曾任大學研究員、科技業高管，以本書中的教育理念輔導一雙兒女十三歲考上大學。

◎ 這是一場探索新時空新世界、磨煉大思維大認知的衝關遊戲——請進！

引 言 ／001

一月·哪裡 舊時空

作為禮物的奇怪問題 ／007

入門方法論 ／012

地基崩潰 ／020

坐標和世界線 ／028

牛頓的蘋果和康德的蘋果 ／039

百年大傻問 ／044

二月·大海 世界因觀察方法的改變而改變

觀“光”列車 ／051

第一個科學家 ／060

追光的少年 ／067

恍若隔世 ／077

時空協變，無處可退 ／081

無水之波 ／098

三月·草地 因為這個世界就是這樣的

令人不安的理論 ／107

變化與裂痕 ／113

一劍解圍 ／120

先松口氣，來個好消息 ／123

輸在起跑在線 ／126

四月·小山 宇宙的漣漪

未來史分期 ／137

最後一塊缺失的拼圖 ／148

最強信使和連續性 ／154

坡頂上的哲學 ／166

五月·球場 世界的盡頭

宇宙的外面是什麼？ ／177

原子彈一樣的原子蛋 ／180

最遠的遠方 ／185

認知的邊界 ／195

《世界的開端》VS《世界的終結》 ／202

六月·森林 時空的方向

毛毯、蹦蹦床和口香糖 ／219

魚缸裡的天文臺 ／229

時空的形狀 ／234

宇宙的終極命運 ／238

時光和靈光 ／244

七月·書籍 節節敗退的時間

如何與時間相處 ／257

第一組：亞裡士多德和奧古斯丁 ／260

第二組：牛頓和萊布尼茨 ／264

第三組：康德、柏格森和愛因斯坦 ／268

第四組：愛因斯坦和哥德爾 ／275

八月·機場 可是，時間真的存在嗎？

不平等的時間 ／283

時間閉環和漏網之魚 ／292

不可能的現在 ／298

時間旅行與因果律 ／305

九月·影院 當最後一個地球人聽到敲門聲

數學裡的外星人 ／315

宇宙大沉默 ／321

偵探片或恐怖片 ／326

宇宙必須有意義、目的和合理性嗎？ ／329

人類的終局和永恒智能 ／338

十月·洞穴 整個太空都是你的舞臺和實驗室

深度時間 ／345

時間的“生”與“死” ／352

空間的表象 ／357

十一月·筆記 秘密工程

光速造蛋 ／367

小宇宙大爆炸 ／374

很快就要起飛了，請注意 ／384

最短航線 ／389

十二月·紙信 仰望星空的少年

時間之冰 ／399

時間保衛戰 ／402

無波之水 ／412

連名字都是多餘的 ／420

後 記 ／425

牛頓的蘋果和康德的蘋果

幾天後，安頓把馬克發來的一段話翻譯成中文念給安得聽。那段話來自閔可夫斯基的《空間與時間》裡興奮的宣告：

Gentlemen! The views of space and time which I want to present to you arose from the domain of experimental physics, and therein lies their strength. Their tendency is radical. From now onwards space by itself and time by itself will recede completely to become mere shadows and only a type of union of the two will still stand independently on its own.

—Hermann Minkowski, Space and Time

先生們！我想呈現給你們的時空觀起源於，並發威於實驗物理學領域。它們的傾向是激進的。從現在開始，空間本身和時間本身將完全消退，變成陰影，只有兩者的一種結合仍將獨立地存在。

——赫爾曼·閔可夫斯基《空間與時間》

他為什麼這麼興奮？他要宣告的是開拍科幻大片嗎？父子倆對這段話沒有產生多少共鳴，他們一致覺得閔可夫斯基像是在自吹自擂，雖然體會到了時間和空間被結合在一起時，發現者的那種難以抑制的興奮之情，但這幾句話還是顯得乏味。和它相比，他們更享受網上搜索到的那些不同國家出版的世界地圖。看到英國地圖時，他們把橡膠人放在那上面，順便聊到了牛頓的蘋果和馬克的吸盤。他們覺得萬有引力已經可以解釋這一切了，再也問不出什麼好問題了。

“你們太幸福了，幸福到沒問題了。”馬克聽完，哈哈大笑，說，“那就不要再自討苦吃了。”

“還不是被閔可夫斯基那幾句話挑逗的？說實話，我們更想知道你是如何自討苦吃的。有了那幾句話當開場白，你就上臺來吧，說說看，從這已經被牛頓大神推平、厘清了的地方，你還能問出什麼問題，又是怎麼問出問題的。”

既然提到牛頓的蘋果，那就從這個故事說起吧。蘋果落地，以及伽利略的比薩斜塔實驗裡的那種鐵球落地，這類現象被稱為自由落體。物體的自由意味著不受外力影響，完全根據自己的本性或意願行動。但是，當牛頓問蘋果為什麼會落地的時候，他是不是已經意識到蘋果是不自由的？也就是說，蘋果落地這一運動不是蘋果自身決定的，不是出於蘋果的本質、本性或本身的意願，而是受到了外在因素的影響。其他形式的自由落體也一樣，自由落體真的是自由的嗎？不，是被迫的——這就是我們要做的事情了，即使是從老套的故事和平常的現象裡，也可以繼續想下去，問出新問題。

簡單地說，誰都知道，那是引力的結果。水往低處流，人往高處走，真的是本性使然嗎？不，那是外力的影響。自然運動不自然，不是發自本性的，不是自發自主的，而是被迫的。所有的物體和運動都要放在場裡，由外力加以說明，而它們各自的本質或本性全都模糊不清，無從定義。思考世界時，本質論、本性論和中心論都經不起推敲。如果一個人能吸收這一百年來的一些重要科學發現和理論、原理，那他一定會做好放棄的準備，不再對這類概念產生偏執。

安頓對馬克的過度引申有點不滿，不過，兩人最後還是在一個認識上達成了一致。那就是，有些事情不說還好，一說就厘不清了，因為人類的認知已經被龐大的語言系統所蒙蔽。各種抽象概念本來起源於思維，卻又反過來束縛著思維。上下左右的定位就是一個典型，而且人們把這種定位擴大到社會生活的方方面面，然後把自己框定於其中，簡直就是畫地為牢。但是，離開語言，人類的認知又會降低到動物水平。當一個圓圓的紅果子被命名為“蘋果”，並普及開來後，你只要和人說起“蘋果”這個詞，對方就會知道是一種什麼東西，哪怕空口無憑，雙方的手上並沒有一顆蘋果。這種命名在描述和理解無形的時間和空間時，尤其重要。

就以蘋果為例，來看看認知的困境吧。假設你眼前有一顆蘋果——不是宇宙，沒那麼複雜，僅僅只是一顆小蘋果而已，問題也很簡單：你怎麼知道那是一顆蘋果？你可以說，根據顏色、形狀和味道就可以做出判斷。其實，這麼一說，就意味著，你已經先有了關於蘋果的概念，以及對顏色、形狀和味道的認識了。光線、氣體和蘋果本身一起合作，通過視覺和嗅覺把信息傳遞到你的大腦，大腦經過搜索和匹配之後，找到一個預存的蘋果概念，兩者一致，“這是一顆蘋果”的結論由此得出。當我們談論時空時，如何保障這個“一致性”將是個大難題。大腦裡的時空概念和眼前的時空現實都有很多問題，需要先厘清後才可以尋求兩者的一致。在感知蘋果的過程中，人的認知能力是一個中心問題。整個蘋果概念都是人類創造出來的，而且無法保證百分百符合眼前這顆蘋果的真實。比如，你並不了解它的分子結構、DNA序列、有效抗氧化成分和微量元素的含量，尤其是作為抗氧化劑的極微量的多酚，它決定了蘋果的色澤與香氣。你為什麼不根據多酚，而是根據色澤與香氣來判斷蘋果呢？蘋果真的是紅色的嗎？你考慮到色盲人的認知方式了嗎？不同的動物對光波的感受能力不一樣，有的動物甚至根本就沒有顏色概念。人眼只能感知到特定光波範圍內的物體，只能看到人眼能看到的世界；嗅覺系統也只能捕捉到特定的化學信號，然後靠連鎖反應，將信號逐級傳導，在你的神經裡“顯示”出香味。這一切都意味著，人無法真實地看到這個世界的本身，只能認識到事物的表象，而且，這種認識還深受思維的影響。所以，一個人，怎麼敢妄稱自己能看到真實？

別看這麼通俗易懂的小例子，你理解了上面說到的這個蘋果，就有可能理解康德哲學的幾個重要概念：感性、知性、理性和物自體。因為這幾個概念都可以在剛才的表述中一一找到對應：蘋果是物自體，色香味是感性，大腦裡的概念是知性，由蘋果落地得出的萬有引力定律是理性。如果把話題扯遠一點，這還可以和量子力學相通：物質不具有唯一的確定性，它總是受到觀察者的影響。說到這裡，你聞到一絲令人絕望的氣息了嗎？我們永遠無法認識物自體，無法認識世界本來的樣子。

伊曼努爾·康德（Immanuel Kant，1724—1804）：“沒有感性則物件無法給予我們，沒有知性則物件不能被思維。”

還可以把絕望進行得更深入一點。剛才提到的顏色、形狀和味道等概念還算比較實在，而蘋果還有另一些抽象的屬性，比如“甜美”“對稱”“可愛”“漂亮”“喜氣”等等。類似地，時間和空間本身已經夠抽象了，但要認真思考它們，還需要更抽象的語言和概念，比如“空虛”“無限”“彎曲”“相對性”“膨脹”等等。這還沒完，在那之上，還有“蘋果是天然美容品”“每天一個蘋果，醫生遠離我”之類對蘋果效用的歸納總結。對應到時空問題上，可能就是時空的意義、價值、規律、定理等等。

今後，怎麼讓安得理解並應用那些抽象概念將是一件吃力的事情，這對三個人都是一種挑戰。好在他們都有點自知之明，也明白在學校教育之外，在日常生活之上，還有很多尚有可為的天地。一個人不一定要擁有建築設計師或土木工程師的執照才可以思考居住空間的變化和意義，不在鐘表行業的人也可以思考時間。這是一種妥協，不得不放棄一些嚴格的專業要求；也是一種進取，不再畫地為牢，能把自己的認知世界哪怕只拓展一厘米也是一種值得肯定的努力。把科學作為職業是一條路，把科學當作一個考察物件放入哲學和人生裡思考，也是一條路，兩者並不衝突，也不應該相互否定。

安得自己顯然不會想太多，兩個大人也不準備涉及太深。兩個大人各有各的世界，安得也一樣。這麼三個人，即使把他們各自生活中的不相干的事都撇乾淨，只剩下三條線，也還是各自不同的線，連起來後，看似三角形，實則三棱柱，而且還不規則，有相交，有平行，但各個側面的高度並不一致。三人的故事已經開始了，就在這種不規則三棱柱上，今後將步步展開，層層遞進。

馬克和安頓有著大致相同的時代背景和教育背景，但不知何時開始，兩人在具體問題上的看法分歧漸行漸遠，共識逐漸減少。馬克本來還想再說幾句，可聽到他對閔可夫斯基的評論後，自己也覺得還是要實際一點，先回到眼前的這個現實再說。因為他知道，對時空問題的思考將危及最神聖的信仰系統，什麼天道、天意、上天、天堂、地獄、上帝、神仙、未來、命運，更遑論天降偉人之類的，都難逃被質疑、被挑戰的命運，而一個人，要有多堅強才可以直面無依無靠、不被控制、拋入虛空的自己？不過，奇妙的是，一旦脫離現實，這種智識上的討論卻又往往能使他們之間達成一致。靠著這種看似矛盾實亦自然的方式，他們保持著良好的友誼，並正在惠及安得。

連名字都是多餘的（節選）

……大概率，人類永遠也無法得到最終的答案，永遠也無法擁有操控時間和空間的能力，但是，感知感悟，體驗理解，洞察思考，哪怕最終只是了解到時間和空間對人類能力的限制，並從中看清人類自身的局限與可悲，也算收獲，也是一種對人類智能的證明。你對世界的贊美、批評、改造或反對也都包含在世界裡，這個世界包含你的所有。我們每個人體內的氫原子與宇宙大爆炸早期所誕生的氫原子是同一種東西，有些原子則來自早已泯滅了的遙遠星球，這種奇妙的物我關係讓我們天生就渴望了解宇宙，而這同時也是認識自我。也許我們無法透徹領會別人所參透的宇宙，但是這一年下來，我想你至少明白了問題是怎樣產生的，別人是怎麼認知、怎麼思考、怎麼解決、怎麼證明或證偽的，他們都運用了哪些思想、哪些方法、哪些思維。我們還一起了解了確定性的終結、去時間化的科學和哲學，以及思想實驗的精髓。那些都是人類理性和思想的勝利，往往讓我們感受到身為人類一員的驕傲。但是，所有的科學都在等待著被證偽，僅僅學到知識是不夠的。科學不是全部，世界的奧秘不可能單單通過科學來解答，哲學、文學、音樂、美術、歷史、工程等等都不可或缺。你只有不斷拓寬認知的邊界，才能問出足夠好的問題。如果你從不認識或意識不到一個東西，那你就問不到那個東西，更無法思考那個東西。時間與空間就是這麼一種東西，能夠深刻理解它們，你就可以擁有更多洞見自己與周圍世界的力量。至少，如果時空真的是琴弦，那你雖不會拉弦，不會作曲，卻已經學會了欣賞音樂。你不需專注於每一個音符，忽略一些細節也不會損及大意，哪怕你已經忘了我們聊過的所有細節，我也相信有一些更有價值的東西已經留在你腦裡了，並將支撐你去創造一個你自己願意去的未來時空。你的筆記和構想一直印在我的腦裡，我甚至能從那裡聽到你的創造力剛剛爆炸時發出的噼啪之聲，看到你腦裡的時空蛋開始孵化的裂痕。這是你的奇跡年。感謝這一切奇跡，我現在一時找不出更好的詞語來形容我的欣喜和期待。

雖然明知這封信是馬克離開之前寫的，但由於幾個小時前剛得知他已遠隔重洋，現在開封，他竟然有種感覺是海外來信。一想到海外，安得的時空感被再次打開。這一年，變化繁多，時間之河似乎已經變成了時間之海。馬克離開去海外，去的肯定不是時間的海外，相反，他有一種幻覺，馬克已被凍結在這裡了。準確地說，應該是和馬克一起度過的那些時間凍結了。這些凍結的時間將來也許會融化，就像紙信會發黃，鐵絲會生銹一樣，但給人的感覺已不像是時間之河或時間之海。那是什麼呢？他很自然地想到一個詞：時間之冰！時間不是流逝的，而是凍結的，不是時間之河，而是時間之冰，而這封信和馬克這個人都將一起封凍在時間之冰裡。如果可能，他真的想通過星星，和少年馬克聊一聊這個新想法。

紙質的信上是手寫的鋼筆字，罕見得像是天外來物。這個時代，居然還有人用這麼老派的做法和古老的方式一筆一劃地寫出這麼長的信，他恍然覺得時空出問題了。

信的最後是兩句引用：

你不能教給一個人什麼東西，你僅能幫助他從他自己裡發現那些東西。

——伽利略·伽利萊

You cannot teach a man anything, you can only help him to find it within himself.

By Galileo Galilei

信的末尾沒有署名。他這才突然想起，原來整個包裹都沒有馬克的名字。他有點驚訝，自己怎麼一開始就沒半點懷疑，想都沒想就確定是他寄來的呢？他再次仰望星空，會意地笑了。是的，零知識證明，最小作用量，連名字都是多餘的。