《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(jì)偉人”。為了給這次評選結(jié)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(xué)的角度介紹了愛因斯坦對人類知識進(jìn)步做出的巨大貢獻(xiàn)，后收錄于《科學(xué)時代：引領(lǐng)未來的關(guān)鍵技術(shù)》一書。
本書完整收錄了斯蒂芬·霍金的相對論作品，系統(tǒng)梳理了20 世紀(jì)太空探索、核能開發(fā)、化學(xué)應(yīng)用、生命科學(xué)和通信等各科技領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)及重要突破，展示了天文學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的杰出成果，為未來的科技發(fā)展指明了方向。
書中包含大量珍貴的歷史和科學(xué)照片以及示意圖，從火箭、探測器、醫(yī)療設(shè)備、集成電路照片到核能發(fā)電原理圖，向我們直觀地展示了20 世紀(jì)的科學(xué)成就，同時也指出了塑料污染等人類發(fā)展必須要解決的環(huán)境問題。
霍金：我眼中的愛因斯坦與相對論
文 | 霍金
19 世紀(jì)末，科學(xué)家們一度認(rèn)為，他們只消再前進(jìn)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(zhì)，就好比聲音是空氣中的壓強(qiáng)波一樣，光線和無線電信號也是以太中的波。他們認(rèn)為，這個理論離完成只差最后一步——對以太的彈性性質(zhì)進(jìn)行仔細(xì)測量，只要弄清了以太的性質(zhì)，一切將會迎刃而解。
然而沒過多久，就開始出現(xiàn)與“以太無所不在”相異的觀點(diǎn)。根據(jù)以太理論，光線在以太中的傳播速度應(yīng)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(jìn)，所測量到的光速應(yīng)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(jìn)，所測量到的光速應(yīng)比這個固定值高。這也就是說，觀測者測得的光速會因?yàn)槠湎鄬庠吹倪\(yùn)動而改變。但是，當(dāng)時所做的一系列實(shí)驗(yàn)都沒能找到證據(jù)來支持這個觀點(diǎn)。
在這些實(shí)驗(yàn)中， 最準(zhǔn)確細(xì)致的要數(shù)1887 年的一場實(shí)驗(yàn)。這場實(shí)驗(yàn)由阿爾伯特·邁克耳孫（Albert Abraham Michelson）和愛德華·莫雷（Edward Morley）在美國俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲大學(xué)（Case Western Reserve University）完成，他們對兩束互相垂直的光線的傳播速度進(jìn)行了對比。他們曾認(rèn)為，由于地球在繞著地軸自轉(zhuǎn)的同時也圍繞太陽公轉(zhuǎn)，所以地球自然應(yīng)該是在以太中穿行的，而且地球的運(yùn)動會使兩束互相垂直的光線的傳播速度產(chǎn)生差異。然而，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，邁克耳孫和莫雷卻發(fā)現(xiàn)，不僅每日觀測到的光速沒有差異，按年累計(jì)的觀測結(jié)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(yùn)動，光線相對于你總是以同樣的速度傳播。
愛爾蘭物理學(xué)家喬治·斐茲杰惹（George FitzGerald）和荷蘭物理學(xué)家亨德里克·洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz）率先提出，在以太中運(yùn)動時，物體會收縮，時鐘會變慢。當(dāng)時，斐茲杰惹和洛倫茲都認(rèn)為以太是一種真實(shí)存在的物質(zhì)，是長度收縮和時間變慢的效應(yīng)使得無論觀測者在以太中以何種方式運(yùn)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(xué)家奠定基礎(chǔ)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(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)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(yùn)動，所以，以太的概念根本就是多余的。因此，他的出發(fā)點(diǎn)是假設(shè)科學(xué)定律對所有做自由運(yùn)動的觀測者都是一樣的。具體而言，就是無論觀測者如何運(yùn)動，他們都應(yīng)該測量到相同的光速。
愛因斯坦的這個觀點(diǎn)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(yùn)動，那么他們觀測到的時間就是不同的。大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)，其中一個實(shí)驗(yàn)是這樣設(shè)計(jì)的：觀測者攜帶一個極其精確的計(jì)時器繞著地球飛行一圈，然后將所記錄的數(shù)據(jù)與安置在固定地點(diǎn)的另一個同款計(jì)時器記錄的數(shù)據(jù)相對比，結(jié)果兩臺計(jì)時器測得的時間確實(shí)有差異。結(jié)論就是，如果你想活得更久些，你可以乘飛機(jī)一直向東飛行，這樣飛機(jī)的航速可以疊加地球自轉(zhuǎn)的速度，幫你獲得些許時間。但事實(shí)上，為了使生命延長零點(diǎn)零零幾秒而一直吃飛機(jī)餐可有點(diǎn)不劃算。
愛因斯坦認(rèn)為，對所有做自由運(yùn)動的觀測者來說，自然定律都應(yīng)該是一樣的。這條假設(shè)是相對論的基礎(chǔ)，因?yàn)樗馕吨挥邢鄬\(yùn)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(xué)家和哲學(xué)家，但依然有很多人持相反觀點(diǎn)。愛因斯坦摒棄了 19 世紀(jì)自然科學(xué)的兩條絕對真理 ：以太思想代表的絕對靜止觀點(diǎn)，以及所有時鐘均可測得一致的絕對時間的觀點(diǎn)。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(biāo)準(zhǔn)了呢？
這種不安一直持續(xù)到 20 世紀(jì)的二三十年代，以至于在 1921 年，由于相對論在當(dāng)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(xué)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(guān)于光電效應(yīng)的研究）實(shí)在算不上是什么重要成果。直到現(xiàn)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(xué)界已經(jīng)完全接受了相對論，相對論做出的預(yù)測也已經(jīng)在無數(shù)的應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。
相對論的一個非常重要的結(jié)論是它解釋了質(zhì)量與能量之間的關(guān)系。根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)，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(yùn)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(zhì)量就會增大，從而使得進(jìn)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?yàn)槟切枰獰o限大的能量。愛因斯坦著名的質(zhì)能方程總結(jié)了質(zhì)量與能量的等價(jià)關(guān)系，這或許是唯一一個大眾熟知的物理方程。
質(zhì)能方程還有很多結(jié)論，其中之一是鈾原子核在裂變成兩個總質(zhì)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(xué)家意識到這種核裂變將會產(chǎn)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(dāng)時的美國總統(tǒng)羅斯福寫信，敦促美國啟動核研究計(jì)劃，這才有了曼哈頓計(jì)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(xiàn)了質(zhì)量與能量之間的關(guān)系，可這就像把飛機(jī)失事的責(zé)任歸咎于牛頓，理由是他發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律一樣，純屬無稽之談。實(shí)際上，愛因斯坦非但沒有參與曼哈頓計(jì)劃，還被原子彈的爆炸嚇得夠嗆。
盡管相對論與在電磁學(xué)領(lǐng)域占主導(dǎo)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(jù)萬有引力定律，如果空間中某一區(qū)域的物質(zhì)分布發(fā)生了變化，那么在宇宙中任意一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(rèn)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(dāng)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(xué)任職后，他才開始認(rèn)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(guān)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?fàn)顟B(tài)，還是在自由空間中處于被火箭加速推進(jìn)的狀態(tài)。這些思考都發(fā)生在科幻電影《星際迷航》風(fēng)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(shí)電梯的運(yùn)行范圍有限，在電梯廂里無論是做自由落體運(yùn)動還是其他加速運(yùn)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?yàn)榕ｎD跟隨地球表面一起做向上的加速運(yùn)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(guān)系不成立。因?yàn)槿绻刃шP(guān)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(jìn)，但實(shí)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(xiàn)實(shí)的幾何學(xué)稍做調(diào)整，引力與加速度的等效關(guān)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(shè)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(zhì)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(yùn)動，但由于時空是彎曲的，它們的運(yùn)動軌跡也會產(chǎn)生彎曲，顯得是在引力場的作用下產(chǎn)生了彎曲。
在朋友馬塞爾·格羅斯曼（Marcel Grossmann）的幫助下，愛因斯坦對伯恩哈德·黎曼（Bernhard Riemann）關(guān)于彎曲空間和曲面的理論進(jìn)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(shù)學(xué)的一個組成部分，并沒有想過它們會與現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生關(guān)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(diǎn) ：時空是彎曲的，我們所認(rèn)為的引力不過是這個事實(shí)的一種表現(xiàn)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(dāng)時沒能找到表達(dá)時空曲率與時空中質(zhì)量和能量關(guān)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(dāng)時，他既不用受家庭事務(wù)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(shí) 1915 年夏天，愛因斯坦在訪問哥廷根大學(xué)期間曾與數(shù)學(xué)家大衛(wèi)·希爾伯特討論過他的想法，后來希爾伯特也獨(dú)立完成了推導(dǎo)，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(rèn)，新理論的發(fā)現(xiàn)應(yīng)歸功于愛因斯坦，因?yàn)槭菒垡蛩固箤⒁εc時空的彎曲聯(lián)系在了一起。即便在戰(zhàn)爭期間，人們?nèi)匀豢梢赃M(jìn)行這種程度的科學(xué)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(xué)考察隊(duì)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(yù)測的那樣，恒星發(fā)出的光線在經(jīng)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(dǎo)致了一個巨大的問題，即便是現(xiàn)在，在 20 世紀(jì)即將結(jié)束之際，它依然處于物理學(xué)研究的最前沿。宇宙中充滿了物質(zhì)，物質(zhì)又導(dǎo)致時空彎曲從而使得物體聚集在一起。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，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(dāng)時包括愛因斯坦在內(nèi)的大多數(shù)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(shè)，而是修改了方程，在其中加入了一個被稱為“宇宙常數(shù)”的項(xiàng)，他認(rèn)為是這個宇宙常數(shù)項(xiàng)讓時空產(chǎn)生了反向彎曲，使物體相互分離。宇宙常數(shù)的排斥效應(yīng)將與物體的引力效應(yīng)相抵消，從而使得宇宙永續(xù)存在。
事實(shí)證明，這是理論物理學(xué)發(fā)展史上人類錯失的最大機(jī)遇之一。如果當(dāng)時愛因斯坦堅(jiān)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(yù)測。實(shí)際上，直到 20 世紀(jì) 20 年代，人們用威爾遜山上那臺直徑 2.54 米的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測后，才開始認(rèn)真考慮宇宙隨時間變化的可能性。觀測結(jié)果表明，距離我們越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)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(shù)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(yuǎn)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(jīng)是現(xiàn)在的形態(tài)了 ；另一方面，如果現(xiàn)在星系是在繼續(xù)彼此遠(yuǎn)離，那么過去它們之間的距離一定比現(xiàn)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(jù)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(dāng)?shù)闷鸨取笆兰o(jì)偉人”時間跨度更長的榮譽(yù)。
廣義相對論還預(yù)測，在黑洞內(nèi)部時間不會流逝，因?yàn)楹诙磧?nèi)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(jié)這兩種極端情形。因此，這個理論無法預(yù)測大爆炸究竟產(chǎn)生了什么。有人認(rèn)為，這是上帝自由意志的表現(xiàn)，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(rèn)為，宇宙的起源應(yīng)該服從于在任何時候都成立的普適定律。我們已經(jīng)在這個方向上取得了一些進(jìn)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?yàn)樗c 20 世紀(jì)初另一項(xiàng)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(dāng)時在柏林工作的馬克斯·普朗克（Max Planck）提出了一種假設(shè)——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(guān)）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(shè)可以解釋所謂的光電效應(yīng)，即某些金屬在被光照射時會釋放電子的現(xiàn)象。光電效應(yīng)是現(xiàn)代光電探測器和電視攝像機(jī)的物理學(xué)基礎(chǔ)，愛因斯坦因?qū)怆娦?yīng)的成功解釋而獲得了1921 年的諾貝爾物理學(xué)獎。
20 世紀(jì) 20 年代，愛因斯坦繼續(xù)開展對量子概念的研究，但當(dāng)時哥本哈根的維爾納·海森伯（Werner Heisenberg）、劍橋的保羅·狄拉克（Paul Dirac）以及蘇黎世的埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）提出了一種解釋現(xiàn)實(shí)世界的新學(xué)說——量子力學(xué)，這項(xiàng)成果讓愛因斯坦深感不安。根據(jù)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(zhǔn)確，反之亦然。
量子力學(xué)基本定律中的隨機(jī)性和不可預(yù)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(xué)，他著名的“上帝不擲骰子”的格言就表達(dá)了這一感受。但是，除他之外的大多數(shù)科學(xué)家都承認(rèn)了量子力學(xué)基本定律的有效性，因?yàn)檫@些定律不但與觀測結(jié)果非常吻合，好像還能夠解釋許多先前無法解釋的現(xiàn)象。這些定律不僅是現(xiàn)代化學(xué)、分子生物學(xué)以及電子學(xué)得以發(fā)展的基礎(chǔ)，也是在過去大半個世紀(jì)里改變了整個世界的科技的基石。
1933 年，納粹掌權(quán)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(xué)”及猶太科學(xué)家的運(yùn)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(xué)家的出逃不無關(guān)聯(lián)），而愛因斯坦和他的相對論就是這場運(yùn)動的主要攻擊目標(biāo)之一。當(dāng)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?！?/p>
第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，愛因斯坦敦促同盟國設(shè)立一個全球性的治理機(jī)構(gòu)來控制原子彈。1952 年，以色列曾經(jīng)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(dāng)前，而方程卻是永恒的。”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(jì)念，它們將長存于世，與這宇宙同壽。
在過去的 100 年中，世界經(jīng)歷了前所未有的變化。其原因并不在于政治或者經(jīng)濟(jì)，而在于科技的進(jìn)步——直接由基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展帶來的科技進(jìn)步。沒有任何一位科學(xué)家能比愛因斯坦更適合用來代表 20 世紀(jì)的科學(xué)進(jìn)步，阿爾伯特·愛因斯坦——《時代周刊》“世紀(jì)偉人”。
THE END
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