霍金：我眼中的愛因斯坦與相對論
《時代周刊》在1999 年12 月31 日的雜志封面上，將阿爾伯特· 愛因斯坦選為“世紀偉人”。為了給這次評選結果增光添彩，《時代周刊》發(fā)表了斯蒂芬· 霍金的署名文章——《相對論簡史》，專門從科學的角度介紹了愛因斯坦對人類知識進步做出的巨大貢獻。以下為全文：
19 世紀末，科學家們一度認為，他們只消再前進一小步，就能完整地描述宇宙了。在他們的想象中，宇宙空間充滿了一種叫作“以太”的連續(xù)介質，就好比聲音是空氣中的壓強波一樣，光線和無線電信號也是以太中的波。他們認為，這個理論離完成只差最后一步——對以太的彈性性質進行仔細測量，只要弄清了以太的性質，一切將會迎刃而解。
然而沒過多久，就開始出現與“以太無所不在”相異的觀點。根據以太理論，光線在以太中的傳播速度應該是一個固定值。因此，如果沿著與光線傳播相同的方向行進，所測量到的光速應比這個固定值（在靜止時測量到的光速）低 ；反之，如果沿著與光線傳播相反的方向行進，所測量到的光速應比這個固定值高。這也就是說，觀測者測得的光速會因為其相對光源的運動而改變。但是，當時所做的一系列實驗都沒能找到證據來支持這個觀點。
在這些實驗中， 最準確細致的要數1887 年的一場實驗。這場實驗由阿爾伯特·邁克耳孫和愛德華·莫雷在美國俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲大學完成，他們對兩束互相垂直的光線的傳播速度進行了對比。他們曾認為，由于地球在繞著地軸自轉的同時也圍繞太陽公轉，所以地球自然應該是在以太中穿行的，而且地球的運動會使兩束互相垂直的光線的傳播速度產生差異。然而，在進行實驗時，邁克耳孫和莫雷卻發(fā)現，不僅每日觀測到的光速沒有差異，按年累計的觀測結果也未顯示出這兩束光線的傳播速度有什么不同。好像無論你怎樣運動，光線相對于你總是以同樣的速度傳播。
愛爾蘭物理學家喬治·斐茲杰惹和荷蘭物理學家亨德里克·洛倫茲率先提出，在以太中運動時，物體會收縮，時鐘會變慢。當時，斐茲杰惹和洛倫茲都認為以太是一種真實存在的物質，是長度收縮和時間變慢的效應使得無論觀測者在以太中以何種方式運動，他們測量到的光速都會是一樣的。
最終，位于伯爾尼的瑞士專利局的一位年輕職員阿爾伯特·愛因斯坦徹底消滅了“以太”這個概念，并解決了光線傳播速度的問題。1905 年 6 月，愛因斯坦撰寫了一篇論文，這也是為他后來躋身世界頂尖科學家奠定基礎的幾篇論文之一。而且，愛因斯坦這幾篇論文的發(fā)表還引發(fā)了兩次觀念革命，改變了我們對時間、空間和現實世界的認知。
在 1905 年的那篇論文中，愛因斯坦提出，由于你無法探測自己是否在以太中運動，所以，以太的概念根本就是多余的。因此，他的出發(fā)點是假設科學定律對所有做自由運動的觀測者都是一樣的。具體而言，就是無論觀測者如何運動，他們都應該測量到相同的光速。
愛因斯坦的這個觀點要求人們摒棄“時間具有通用的量值，所有時鐘測量的時間都相同”這樣的概念。相反，每個人都會有他自己的時間測度：如果兩個人是相對靜止的，那么他們觀測到的時間就是一致的 ；如果他們之間存在相對運動，那么他們觀測到的時間就是不同的。大量實驗已經證實了這一點，其中一個實驗是這樣設計的：觀測者攜帶一個極其精確的計時器繞著地球飛行一圈，然后將所記錄的數據與安置在固定地點的另一個同款計時器記錄的數據相對比，結果兩臺計時器測得的時間確實有差異。結論就是，如果你想活得更久些，你可以乘飛機一直向東飛行，這樣飛機的航速可以疊加地球自轉的速度，幫你獲得些許時間。但事實上，為了使生命延長零點零零幾秒而一直吃飛機餐可有點不劃算。
愛因斯坦認為，對所有做自由運動的觀測者來說，自然定律都應該是一樣的。這條假設是相對論的基礎，因為它意味著只有相對運動才是重要的。雖然相對論的優(yōu)美與簡潔折服了一眾科學家和哲學家，但依然有很多人持相反觀點。愛因斯坦摒棄了 19 世紀自然科學的兩條絕對真理 ：以太思想代表的絕對靜止觀點，以及所有時鐘均可測得一致的絕對時間的觀點。人們不由得疑惑 ：相對論是否意味著任何事物都是相對的，而不存在什么絕對的道德標準了呢？
這種不安一直持續(xù)到 20 世紀的二三十年代，以至于在 1921 年，由于相對論在當時爭議過大，諾貝爾獎委員會在授予愛因斯坦諾貝爾物理學獎時對此只字未提，只說這是為了表彰他在 1905 年發(fā)表的另一篇重要論文——相對于愛因斯坦的其他成就，獲諾貝爾獎的這篇論文（關于光電效應的研究）實在算不上是什么重要成果。直到現在，我每周仍然會收到那么兩三封信，對我說愛因斯坦錯了。時至今日，科學界已經完全接受了相對論，相對論做出的預測也已經在無數的應用中得到了驗證。
相對論的一個非常重要的結論是它解釋了質量與能量之間的關系。根據愛因斯坦的假設，光速對所有的觀測者來說都是相同的，這意味著不存在能夠超過光速運行的事物。展開來說就是，如果我們用能量來加速粒子或航天器，被加速物體的質量就會增大，從而使得進一步加速變得更加困難。所以，把粒子加速到光速是不可能的，因為那需要無限大的能量。愛因斯坦著名的質能方程總結了質量與能量的等價關系，這或許是唯一一個大眾熟知的物理方程。
質能方程還有很多結論，其中之一是鈾原子核在裂變成兩個總質量稍小的原子核時，會釋放巨大的能量。1939 年，國際形勢陰云密布，第二次世界大戰(zhàn)一觸即發(fā)，一些科學家意識到這種核裂變將會產生怎樣的影響。于是，他們說服了愛因斯坦，讓他放下作為和平主義者的顧慮，去給當時的美國總統(tǒng)羅斯福寫信，敦促美國啟動核研究計劃，這才有了曼哈頓計劃以及后來（1945 年）在廣島上空爆炸的那顆原子彈。有人將原子彈之罪歸咎于愛因斯坦，理由是他發(fā)現了質量與能量之間的關系，可這就像把飛機失事的責任歸咎于牛頓，理由是他發(fā)現了萬有引力定律一樣，純屬無稽之談。實際上，愛因斯坦非但沒有參與曼哈頓計劃，還被原子彈的爆炸嚇得夠嗆。
盡管相對論與在電磁學領域占主導地位的一系列定律非常吻合，但它與牛頓的萬有引力定律并不相容。根據萬有引力定律，如果空間中某一區(qū)域的物質分布發(fā)生了變化，那么在宇宙中任意一點都能瞬間感受到引力場的變化。
這不僅意味著信號能以比光速更快的速度傳播（這在相對論中是不可能實現的），而且還需要絕對時間的概念作為支撐，這又是相對論所摒棄的概念。相對論認為時間是相對的，每個人都有不同的時間測度。
愛因斯坦 1907 年就意識到了這個不相容的問題，當時他還在伯爾尼的瑞士專利局工作，但直到 1911 年去布拉格查理大學任職后，他才開始認真思考這個問題。愛因斯坦意識到加速度與引力場之間存在密切的關系，但在封閉箱體中的人無法區(qū)分他自己是在地球引力場中處于靜止狀態(tài)，還是在自由空間中處于被火箭加速推進的狀態(tài)。這些思考都發(fā)生在科幻電影《星際迷航》風靡全球之前，所以那時候愛因斯坦考慮的是人處于電梯之中的情況，而不是在航天器上。但其實電梯的運行范圍有限，在電梯廂里無論是做自由落體運動還是其他加速運動，遲早都要出事。
如果地球是平坦的，那么既可以說是蘋果受重力的影響落在了牛頓的頭上，也可以等效地說是因為牛頓跟隨地球表面一起做向上的加速運動才使他的頭撞上了蘋果。但地球顯然是個球體，加速度與重力之間的這種等效關系不成立。因為如果等效關系成立，處在地球另一面的人們將不得不朝相反的方向加速前進，但實際上他們卻和我們之間保持著一個恒定不變的距離。
1912 年返回蘇黎世后，愛因斯坦來了靈感。他意識到，如果將現實的幾何學稍做調整，引力與加速度的等效關系就可以成立。于是，愛因斯坦在我們已知的三維空間中引入了第四個維度——時間，提出了時空的概念。如果時空像假設的那樣并不平坦，而是彎曲的，那意味著什么呢？愛因斯坦的想法是，質量和能量會以某種還未被確定的方式造成時空的彎曲。蘋果或行星這樣的物體在時空中會試圖保持直線運動，但由于時空是彎曲的，它們的運動軌跡也會產生彎曲，顯得是在引力場的作用下產生了彎曲。
在朋友馬塞爾·格羅斯曼的幫助下，愛因斯坦對伯恩哈德·黎曼關于彎曲空間和曲面的理論進行了研究。而黎曼在開創(chuàng)這些理論的時候，只是將其作為抽象數學的一個組成部分，并沒有想過它們會與現實世界產生關聯(lián)。1913 年，愛因斯坦與格羅斯曼合作撰寫了一篇論文，提出了這樣一種觀點 ：時空是彎曲的，我們所認為的引力不過是這個事實的一種表現形式而已。但是，由于愛因斯坦的一個失誤（愛因斯坦也是人，也會犯錯誤），他們當時沒能找到表達時空曲率與時空中質量和能量關系的方程。
到了柏林以后，愛因斯坦繼續(xù)就這個問題開展研究。當時，他既不用受家庭事務的干擾，也在很大程度上未被戰(zhàn)爭（第一次世界大戰(zhàn)）所影響。1915 年 11 月，愛因斯坦終于找到了正確的方程。其實 1915 年夏天，愛因斯坦在訪問哥廷根大學期間曾與數學家大衛(wèi)·希爾伯特討論過他的想法，后來希爾伯特也獨立完成了推導，找到了同樣的方程，還比愛因斯坦早了幾天。不過，希爾伯特也承認，新理論的發(fā)現應歸功于愛因斯坦，因為是愛因斯坦將引力與時空的彎曲聯(lián)系在了一起。即便在戰(zhàn)爭期間，人們仍然可以進行這種程度的科學討論和交流，充分說明那時的德國還是一個文明的國度，這與 20 多年后（第二次世界大戰(zhàn)）的境況真是天壤之別！
為了區(qū)別于原來那個相對論（不包含引力因素的相對論），闡述了時空彎曲的新理論被稱為“廣義相對論”，而原理論則改稱“狹義相對論”。1919 年，人們用一種頗為壯觀的方式證明了廣義相對論——一支英國科學考察隊去了西非，觀測到日食期間太陽附近背景恒星的位置發(fā)生了些許偏移。正如愛因斯坦預測的那樣，恒星發(fā)出的光線在經過太陽附近時發(fā)生了彎曲。這不僅直接證明了空間和時間是彎曲的，也是自公元前 300 年左右歐幾里得完成《幾何原本》以來，我們對自身所處環(huán)境（宇宙）的感知和理解上最大的一次變革。
愛因斯坦的廣義相對論將時間和空間視為宇宙中不斷發(fā)生的動態(tài)變化的主動參與者，而不再是事件發(fā)生的被動背景。這導致了一個巨大的問題，即便是現在，在 20 世紀即將結束之際，它依然處于物理學研究的最前沿。宇宙中充滿了物質，物質又導致時空彎曲從而使得物體聚集在一起。愛因斯坦發(fā)現，在用廣義相對論解釋一個不隨時間流逝而變化的宇宙時，他的方程是無解的，而當時包括愛因斯坦在內的大多數人都相信宇宙是靜態(tài)的、永續(xù)存在的。愛因斯坦沒有放棄靜態(tài)宇宙的假設，而是修改了方程，在其中加入了一個被稱為“宇宙常數”的項，他認為是這個宇宙常數項讓時空產生了反向彎曲，使物體相互分離。宇宙常數的排斥效應將與物體的引力效應相抵消，從而使得宇宙永續(xù)存在。
事實證明，這是理論物理學發(fā)展史上人類錯失的最大機遇之一。如果當時愛因斯坦堅持他最初的方程，他本可以做出宇宙不是正在膨脹、就是正在收縮的預測。實際上，直到 20 世紀 20 年代，人們用威爾遜山上那臺直徑 2.54 米的望遠鏡進行觀測后，才開始認真考慮宇宙隨時間變化的可能性。觀測結果表明，距離我們越遠的星系，遠離我們的速度也越快。換句話說，宇宙正在膨脹，不同星系間的距離在隨著時間的推移而不斷增大。愛因斯坦后來稱，引入宇宙常數是他一生中最大的錯誤。
廣義相對論徹底改變了人們對宇宙起源和宿命的討論方向。一方面，靜態(tài)的宇宙可能會永遠存在，或者說在過去的某個時間，在這個靜態(tài)的宇宙初生之時，它就已經是現在的形態(tài)了 ；另一方面，如果現在星系是在繼續(xù)彼此遠離，那么過去它們之間的距離一定比現在更近。大約在 150 億年前，它們甚至可能相互重疊在一起，擁有無窮大的密度。根據廣義相對論，宇宙大爆炸就是宇宙的起源，時間也由此誕生。從這個意義上說，愛因斯坦絕不僅僅是過去 100 年中最出類拔萃的人物，他當得起比“世紀偉人”時間跨度更長的榮譽。
廣義相對論還預測，在黑洞內部時間不會流逝，因為黑洞內的時空太過彎曲，光無法逃離這個區(qū)域。但是，廣義相對論方程并不適用于時間的起始與終結這兩種極端情形。因此，這個理論無法預測大爆炸究竟產生了什么。有人認為，這是上帝自由意志的表現，即上帝可以用任何他想要的方式來開創(chuàng)宇宙。但另一些人（也包括我自己）則認為，宇宙的起源應該服從于在任何時候都成立的普適定律。我們已經在這個方向上取得了一些進展，但對宇宙起源的理解還不充分。
廣義相對論之所以解釋不了大爆炸，是因為它與 20 世紀初另一項偉大的概念性突破——量子理論并不兼容。1900 年，人類朝著量子理論邁出了第一步，當時在柏林工作的馬克斯·普朗克提出了一種假設——如果光不是連續(xù)的，而是只能以特定大小的量一份一份地傳播，就能夠解釋（為什么）從熾熱物體上發(fā)出的輻射（與輻射頻率和物體的溫度有關）了，普朗克將這個特定大小的量稱為量子。打個比方來說，輻射就像是一包包的糖，在超市里，并不是你想要多少散裝糖都可以，你只能買每袋 1 千克重的袋裝糖。1905 年，還在專利局供職的愛因斯坦撰寫了一系列有開創(chuàng)性意義的論文，他在其中一篇論文中表明，普朗克的量子假設可以解釋所謂的光電效應，即某些金屬在被光照射時會釋放電子的現象。光電效應是現代光電探測器和電視攝像機的物理學基礎，愛因斯坦因對光電效應的成功解釋而獲得了1921 年的諾貝爾物理學獎。
20 世紀 20 年代，愛因斯坦繼續(xù)開展對量子概念的研究，但當時哥本哈根的維爾納·海森伯、劍橋的保羅·狄拉克以及蘇黎世的埃爾溫·薛定諤提出了一種解釋現實世界的新學說——量子力學，這項成果讓愛因斯坦深感不安。根據他們的理論，微觀粒子不再具有確定的位置和速度，而我們對微觀粒子的位置測得越精確，對它的速度測量就越不準確，反之亦然。
量子力學基本定律中的隨機性和不可預測性，讓愛因斯坦大為震驚，他最終也沒有全盤接受量子力學，他著名的“上帝不擲骰子”的格言就表達了這一感受。但是，除他之外的大多數科學家都承認了量子力學基本定律的有效性，因為這些定律不但與觀測結果非常吻合，好像還能夠解釋許多先前無法解釋的現象。這些定律不僅是現代化學、分子生物學以及電子學得以發(fā)展的基礎，也是在過去大半個世紀里改變了整個世界的科技的基石。
1933 年，納粹掌權后，愛因斯坦決定不再返回德國，并且放棄了他的德國國籍。他在美國新澤西州的普林斯頓高等研究院度過了生命中最后的 22 年。納粹曾發(fā)起了一場反對“猶太科學”及猶太科學家的運動（德國沒能在第二次世界大戰(zhàn)中造出原子彈，與猶太科學家的出逃不無關聯(lián)），而愛因斯坦和他的相對論就是這場運動的主要攻擊目標之一。當被告知德國出版了一本名為《100位教授出面證明愛因斯坦錯了》的書時，愛因斯坦回答：“為什么要 100 位？如果真的是我錯了，1 位就足夠了。”
第二次世界大戰(zhàn)結束后，愛因斯坦敦促同盟國設立一個全球性的治理機構來控制原子彈。1952 年，以色列曾經邀請他出任總統(tǒng)，但愛因斯坦拒絕了。他曾寫道：“政治是為當前，而方程卻是永恒的?！?/span>沒有什么能比廣義相對論方程更合適作為愛因斯坦的墓志銘和紀念，它們將長存于世，與這宇宙同壽。
在過去的 100 年中，世界經歷了前所未有的變化。其原因并不在于政治或者經濟，而在于科技的進步——直接由基礎科學的發(fā)展帶來的科技進步。沒有任何一位科學家能比愛因斯坦更適合用來代表 20 世紀的科學進步，阿爾伯特·愛因斯坦——《時代周刊》“世紀偉人”。
(本文原載《時代周刊》，現收錄于《科學時代：引領未來的關鍵技術》一書，該書由江蘇鳳凰科學技術出版社出版，本文經授權發(fā)布，題目為編者所加。賽先生書店有售）
內容 | 江蘇鳳凰科學技術出版社
責編 | Winner
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