(副刊游侠)
(时间是人脑创造)
第三方登录：爱因斯坦的故事
爱因斯坦评传转载文章“天涯社区（）。如是商业用途还请联系原作者。 ” ?? 魔鬼说： “爱因斯坦，降生吧。”于是世界又遁入黑暗中。 1919 年 5 月 29 日清晨，巴西南部一个叫做索不拉尔的偏僻村庄里。太阳刚刚升起。上帝赐予了 当地人永久的宁静，在他们眼中，世界不过是蓝天，麦田，草原，绵羊，仅此而已。甚至刚结束的硝 烟弥漫的第一次世界大战仿佛也是天边的传说。 但他们还是一大早就被人吵醒了，门口来了一队行装古怪的外国人。有的操着蹩足的葡萄牙语向 他们问好，有的打着手势借水喝，更多人在忙着架设天文望远镜和照相机。 中午时分，灿烂的阳光慢慢开始变暗，本世纪一次著名的日全食发生了。围观的人群骚动了起来， 纷纷在胸口画着十字，有人急忙去找牧师，而那些外国人则胸有成竹地开始进行观测。 他们是一支天文观测队，来自遥远的英国，此行的目的是验证一个德国人的奇怪理论。 很快数据得到了处理，而且底片也冲出来了。 领队的教授是一个标准的英格兰绅士，虽然绅士们最推崇沉着冷静的作风，但是教授的目光明显 流露出期待和不安。当他将湿漉漉的底片放在灯下时，很快教授先生的手连同大胡子都激动地抖了起 来，宇宙有界还是无界，我们所属的空间平直还是弯曲，牛顿思想胜利还是被颠覆，都取决这几张小 小的底片了。他深吸一口气，睁大了眼睛。 很快，即使离屋子五十米以外的地方都可以听到一声毫无风度的嚎叫： “我的上帝，难道那个叫爱 因斯坦的德国人到底说中了？！ “ 在两张重叠的底片上可以清晰地看到一条笔直的星光在穿过阴影中的太阳时，竟然发生了偏转， 偏转角是 1.7 秒。 英国皇家学会的大厅里，坐满了英伦三岛的科学精英。他们有的可能意识到这会是个不平凡的日 子，特地换上节日才穿里的西装。 当大会主席汤姆逊爵士，扶了扶眼镜，慢吞吞地宣布这次大会的议题是《广义相对论在天文学上 的验证》时，底下的学者们就开始窃窃私语，而后声音愈来愈大，有的甚至不等主持人的召唤隔着橡 木桌就站起来大声辩论，汤姆生几次摇玲试图控制局势都未成功，他遗憾地摇摇头，向旁边的几位委 员尴尬地笑笑。 但是当著名的天文学家爱丁顿勋爵，这次天文测量的总领队出席在会场时，下面顿时静了下来。 他满脸风尘，声音低哑而且发言简短，但纵使会场离他最远的人也听清了这样几句， “??铁一般的事 实??光线弯曲了??与爱因斯坦博士的计算结果完全一致??“ 会议开到很晚，没人提前退出会场，甚至没有人站起来发言。鲜红的地毯，昏黄摇曳的烛光，将 沉思中的学者们的脸衬得或明或暗。没人感到饥饿，没人感到倦意，更为糟糕的是工作人员似乎也受 上了物理学家风范的影响，粗心得连晚餐也忘了上。但人们根本顾不上这些，从白发班驳的老学究， 到颇富朝气的新锐，都在默默地思考着，激动着。 无论是赞成派还是反对派，都清楚这的确是重要的一天，不仅二十世纪物理学的一代巨人就此崛 起，而且是他，爱因斯坦，亲手抡起大槌，将牛顿苦心创建，业已竣工百年的经典物理学的大厦砸开 第一道裂纹。 牛顿也错了？物理学就此混乱？末日就此到来？呵，依撒克．牛顿，我们心中的神祗，我们都是 你忠实的追随者，你会怎样指示我们呢？人们纷纷把目光投向大厅正中牛顿的巨幅画像上。 牛顿不说话，他只是高深莫测地笑着。 在伦敦，第二天影响甚大的《泰晤士报》头版头条的报道是《光线弯曲了，牛顿神话的破灭》 ，盛 赞爱因斯坦是继牛顿之后的最伟大的物理学家，他更正了人类的时空观，拓展了人类的思维世界，并 且断言他的相对论产生的影响决不会只囿于二十世纪。很快，从踯躅在伦敦街头的商贩，到面目黝黑 的煤炭工人，都隐约知道了科学界最近发生了惊天动地的事，至于对其它人有什么影响，一时还领悟1不到。毕竟，这离相对论的副产品之一──原子弹的诞生，还有漫长的二十六年。 在大西洋彼岸的纽约，惯用哗众取宠手法的《纽约时报》的头条标题是“俄国爆发革命“，但接 下去以更大的标题写道： “爱因斯坦的胜利“， “恒星在不在它们应在的位置上出现，但是似乎不必担 心。 “按照他们的报道， 公众们已开始怀疑九九乘法表的正确性， 学生们则开始拒绝作几何题， 又据称， 爱因斯坦在把他的著作交付出版商时， 警告说全世界仅有 12 个人懂相对论， 但出版商乐于承担这个风 险。 在巴黎，沙龙里“相对论”立时成了最时髦的词语。雍容的女贵族可以一边抚着怀中的哈巴狗，一 边和女友们眉飞色舞地谈论“相对论”，如同在谈论昨夜刚上演的歌剧。她们并不需要纸和笔。 在柏林，官方机构正在为难是否宣传这位并不是日尔曼人而是犹太人的传奇科学家的时候，大街 小巷的啤酒馆里的人都在神秘而兴奋地谈论着爱因斯坦和他的相对论。是的，自从一战以德国的惨败 而告终后，很久没有这样激动人心的话题了。一个德国人能受到战胜国的推崇，真是少见。一夜之间， 即使是小学生也把爱因斯坦那著名的公式写入了练习簿。 1919,第一次世界大战的硝烟刚刚散尽。为民族主义所鼓动的人们在狂欢或狂悲过后，却发现轰轰 烈烈的一战除了大口径重炮，齐柏林飞艇，满目疮痍的建筑物和以百万计亲人充当的炮灰以外，委实 没有剩下什么。理性终于在人们的冷静中回归，科学再度被摆上至高无上的地位。 不管怎么讲，1919 年的爱因斯坦如日中天。 街头的电车刚刚停稳，就下来一个穿褐色风衣，头发凌乱的中年人。刚才在电车上，警惕的售票 员几乎把他认作小偷，因为他实在很少见这种脖子上扎着领带，脚下穿着拖鞋的人。不过要是他知道 这就是大名鼎鼎的爱因斯坦教授，一定会惊讶得说不出话的。爱因斯坦先生刚刚从他朋友洛仑兹教授 的电报里得知广义相对论被证实的消息，他不过微微一笑，自然，一切都在意料中了。 心情毕竟很好，他边走边哼着舒伯特的小夜曲，但是没过多久声音就小了下去。爱因斯坦，这位 历史上出名的智者，又一次晃着硕大的头脑陷入沉思，他在想些什么呢?? 1879 年 3 月 14 日，阿尔伯特．爱因斯坦诞生于德国南部一个宁静的小城乌尔姆。和牛顿一样， 这个注定要震撼世界的人的童年并未有任何特异之处。 他的父亲海尔曼．爱因斯坦虽说是一位商人，但是他年青在学校里展现的数学方面的才华是有目 共睹的。而他的母亲艾尔莎则是音乐爱好者，并经常在家庭聚会大声朗诵席勒的诗篇。父亲的数学才 华加上母亲的艺术天赋，照理小爱因斯坦应该聪颖过人。然而这个孩子天生沉默寡言，以致忧心的母 亲一度怀疑他是否有智力障碍。 但是当他的母亲奏起钢琴时，小爱因斯坦就会侧过脑袋倾听。他的湛蓝的目光显得很是深邃，孩 子显然是听懂了。这就是美呀。也许他毕生所追求的自然界和谐的美就根源于此。 很快爱因斯坦就发现小城的环境并不适合他。弯曲而狭窄的街道，庄严的哥特式教堂，威武雄壮 的炮台，这里似乎更适宜培养出一批热血的日尔曼战士，而不是他这种视自由为生命的思想家。在宏 大的阅兵式上，普鲁士军官刻板的军令，士兵们单调的步伐，往往成为孩童们模仿的对象。而这时可 怜的爱因斯坦紧张地抓住大人的手，他要回家。军号和刺刀是他厌恶了一生的东西。 在学校的情况似乎也妙不到哪里去。他是一个犹太人，而欧洲排犹的习俗由来已久。周围同学有 意无意的伤害，使小爱因斯坦更加孤僻。老师们也没有注意到蜷在教室一角的他，在老师看来，不能 掌握拉丁文语法的孩子是没有前途的，而且小爱因斯坦回答问题时总显得很迟钝。他们并不能理解这 是爱因斯坦思考比同龄人深刻得多的缘故。 这期间也发生了触及爱因斯坦终生的事。 他的父亲送给小爱因斯坦一个罗盘针。不管他怎么拨动指针，它永远只朝一个方向。这在大人们 看来是司空见惯，但在孩子的眼里充满了神奇，一定有什么神秘的力在推动它，怎么才能找到这种力 呢？孩子为这苦恼了一段时间。 在他升入中学的时候，他第一次接触到了几何。这更是一个充满魔力的世界。书上各种复杂的定 理归根到底由几个公理推论而出，一切是那么的简明，而证明过程又严格得无可挑剔，自然界有它独2特的秩序美。 更令小爱因斯坦惊奇的是自然界竟也会骗人！人们通过粗浅的直觉经验得来的结论往往是那么的 不可靠。上帝不仅淘气，而且吝啬，他经常会把真理象皮球一样踢向更深处，然后转过身向人们扮个 鬼脸。人类对真理的追寻如同与上帝的角力。 “或许我们对世界的看法根本就有偏差，因为它不过是建 立在几个公理之上的，如果这些公理本身也有漏洞呢？“当小爱因斯坦摆弄着圆规和三角板的时候， 心中升起这样的念头。当然他没有说出来，说出来也只会导致大人紧张地伸出手去摸他的额头，没有 人相信若干年后这个羸弱的孩子会轻轻掀翻整个人类的世界观。 对于爱因斯坦而言，长期音乐的熏陶赋予他美感与想象，对常见事物的深思训练了他的洞察力， 而几何题迷宫一样的推理使他的思路更加缜密。他无疑是幸运的。 然而爱因斯坦还是不能足够敏锐地回答老师的问题而遭白眼，还是不得不交出自己精心制作却依 旧丑陋的泥捏小板凳而遭同学们嘲笑， 拉丁语的课文念得结结巴巴， 算术考试也由于马虎而错误百出， 整个少年时代，学业不过平平。 从 1896 年到 1900 年，爱因斯坦求学于瑞士苏黎士工业大学，这是他一生中十分平静和惬意的地 方。 瑞士立国数百年，自由的氛围欧洲无国可及。爱因斯坦在这里听不到士兵们无休止的冲杀声，空 气清新，阳光也分外的和媚，即使巡逻在街头的警察也是步履缓慢，眼角蕴含着笑意。 在这里，爱因斯坦的自由散漫发挥到极致。他可以穿着拖鞋进出教室，可以蓬头垢面地整天窝在 实验室，可以和同学们在一起自由讨论，可以不去上自己不喜欢的课。他甚至对数学这样重要的课都 去敷衍。在他当时看来，物理世界是简单而优美的，上帝只垂青 1，2，3，4，而数学只是徒增形式上 的复杂。这甚至影响他多年以后的研究工作。 用现在的眼光看来，当时无论数学还是物理都发展得远不够充分。到二十世纪末，我们才发现数 学和物理交叉愈来愈深。以前只是物理简单地从数学中寻找工具，而现在甚至物理可以导致数学中的 突破。 我记得在一次报告中，诺贝尔物理奖获得者李政道博士伸出双手，这样说道： “物理学和数学犹如 一根树枝上的两片叶子。 “ 可是一般说来, 极富洞察力具有哲学家气质的人，并不一定很胜任细琐而又精密，逻辑性强的数 学推理工作。 从来没有人能兼两者之长，牛顿不能，爱因斯坦也不能。 更主要的是爱因斯坦发现展现他面前的数学分支繁复，数论，几何，拓扑等等，任意一门就会耗 尽一生的精力。这情形犹如布里丹之驴。这头可怜的驴子因为摆在它面前的两堆稻草同样厚而无法选 取吃哪一堆，最终活活饿死。 但是，爱因斯坦很快就要为自己的选择付出代价了。考试之前，他对着自己散乱不堪的笔记发愣。 幸好他的老朋友格罗斯曼先生是一个生来与爱因斯坦处处相反的人，他的笔记和他的人一样，光鲜齐 整，一丝不苟。当爱因斯坦在发展广义相对论时发现几何知识欠缺而找其时已为数学教授的格罗斯曼 援手时，这已经是十几年以后的事了。 爱因斯坦用格罗斯曼的笔记马虎对付了考试，但这并未改变老师对他的看法。在教授们眼中，他 懒惰无比，性格怪僻，而且他是唯一与教授打招呼用“喂“的学生。这也是爱因斯坦虽然聪明绝顶， 却不谙世事，天真得如同孩子的缘故。 他的数学老师闵可夫斯基看见爱因斯坦从实验室里衣冠不整地跑出来，便将他挡住： “爱因斯坦，你也许是个聪明人，但你决不适合搞物理，为什么你不尝试一下其它职业，比如学 医或者法律呢？“ “也许吧。”爱因斯坦淡淡地回答道。 仅仅几年后，闵可夫斯基为他“并不勤劳”的学生的狭义相对论摇旗呐喊，并为此名动四海时，一 位记者不合时宜地问道：3“教授先生，您何以曾断言爱因斯坦不适合从事物理工作呢？“ “他太懒了，至少在当时。 “教授耸耸肩。 不幸的是这位闵可夫斯基先生不久就身缠沉疴，临死前曾大发感慨：在相对论刚出世的年月就死 去，真是可惜呀。 也不能说爱因斯坦在这几年无所事事，他主要的精力花在实验室里，当时全世界的物理学家都在 疲于奔命地寻找以太，他也曾设计过几个实验，显而易见，简陋的条件和根本不存在的以太使他的努 力徒劳。 他也经常和他的朋友们去一个叫做“都会“的咖啡厅。他们在这里经常进行哲学话题的探讨，一 次同学介绍了马赫的作品《力学》给他。马赫是对牛顿的经典力学开炮的第一人，他尖锐地抨击了牛 顿绝对空间和绝对时间的观念。 爱因斯坦如获至宝，马上拿回去通宵阅读。马赫的思想赫然如黑夜中的明星，空间也是绝对的， 时间也是绝对的，既然都是绝对而孤立的，那么我们怎么能感觉到时间和空间的存在呢？ 夜已经很深了，爱因斯坦屋内的灯光依旧闪烁，这位思想的巨人，又开始磨砺他的旷世利剑了。 当爱因斯坦走出校门，却悲惨地发现自己毕业即失业，而且父亲在意大利办的公司也破了产，丝 毫帮不上忙。他曾努力地申请留在苏黎士工业学院教书，但是高高在上的教授们冷漠地拒绝了他。没 有人喜欢一个离经叛道的斗士。 秋天晚上的瑞士已颇见寒意了，我们的爱因斯坦先生披着深色的风衣，手中的旧皮箱里盛着全部 的家当，凉风拂着乱发，静静地走在漫长的街道上，路灯划下斜斜的影子。 真是安静呀，事实上终其一生，爱因斯坦都是在这种静谧中度过，这不仅是指外部环境上的，更 是他内心深处的。无论他是在日内瓦时的穷困潦倒，或是在柏林时的誉满全球，还是在普林斯顿时的 无人喝彩，孤独的感觉始终如影身随。 后来他曾反复说过自己最希望的职业是看守灯塔，汹涌而漆黑的海面上一盏明灯，指引了航船的 同时也照亮了自己的内心，那里更象是一间祈祷室，可以静静地聆听上帝的指示。他甚至不愿意接受 作为教授这项职业所领的薪水，而宁愿把物理学研究作为业余爱好。看来显然是受了中世纪的大哲学 家斯宾诺沙的影响，这位先哲的正式职业是在荷兰阿姆斯特丹的一家偏僻的眼睛店里磨镜片。 可是现在真是发愁呀，辘辘的饥肠，妻子焦灼期盼的眼睛，还有她肚里的孩子?? 迎面刮来一张残破的报纸，爱因斯坦没精打采地一瞥，上面印着份招聘启事：&伯尔尼专利局，征 聘二级工程师，须受高等教育，精通机械工程或物理学??& 爱因斯坦眼睛一亮。 很快伯尔尼专利局的职员们迎来了一位新同事，这位同事似乎格外地忙。工作十分卖力不说，还 经常和夫人一起排队买面包，或者推着婴儿车在公园闲转，而在上班时还偷偷地在纸上写写画画。幸 亏他的上司一点儿也不知道这位年轻的专利审查员完成任务是多么迅速，不然他这种拙劣的表演很快 就会露馅的。 其时已经是 1905 年，爱因斯坦 26 岁。当时他久已远离的物理学界正处于更大的混乱中，寻找以 太的实验彻底失败，一些物理学家提出种种解释。比如爱尔兰物理学家斐兹杰诺提出，运动的物体可 能因为以太风压缩而变短，但这遭到更多人的反驳。不仅如此，几年以前，伦琴发现的 X 射线更使人 觉察到物质内部有更为基本的结构， 而普朗克在 1900 年提出的量子论， 也已经掀开了物理学新的篇章， 只是当时没有人意识到罢了。无论怎样，用&山雨欲来风满楼&来形容当时的情形是再恰当不过的。 然而爱因斯坦在学术上处于十分封闭的状态， 他没有机会听取报告， 也没机会参加学院的讨论班， 和他交往频繁的不过是一些民间物理学爱好者。但是这并不能阻止他向物理学的塔尖迈进。 他一直在苦思&以太之迷&，而且他走的道路与所有人的都不同。还在他中学的时候，他一度对迈 克斯韦的电磁理论崇拜之致。这并不是因为它能解决很多实际问题，比如导致电磁波的发现。爱因斯 坦看中的是公式本身具有完美的对称性，但是显然这种协变性与牛顿的经典理论是相冲突的。 比方说，按照牛顿力学的观点，如果一个人站在速度为 20 米/秒的车上以相对于车以 10 米/秒的4速度向前抛出一个皮球，在地面静止的人来看，球的速度是 20 加 10 等于 30 米/秒。任何初通物理的 人都会得出这个结论。然而，我们知道光也是一种电磁波，它在真空中的速度是 30 万公里/秒，如果 那个站在车上的人拿的是支手电筒，那么在地面上的人看来，光的速度是多少呢，还是 30 万公里/秒 加上 20 米/秒吗？还能简单地叠加吗？ 要是你以 30 万公里/秒的速度追上一束光，你会看到怎样的景象呢，你会看到光波在原地不动地 抖动吗？ 爱因斯坦进行了一次冒险，他宁愿为了从对称性这种单纯的美学观点出发，而放弃掉人们习以为 常的经验。他也是信仰上帝的，但他不是信仰那个只手捏控人类命运的上帝，而是那个在万物的有序 和谐中显示出来的上帝。 我们称之为冒险，是因为仅仅在几十年后，两个在美国留学的年青人在研究基本粒子中&t-q 之迷& 的时候，提出的&在弱相互作用中宇称不守恒&理论，简单地说就是对称性的破坏，在当时激起轩然大 波，按照普通美国人的解释是他们又推翻了爱因斯坦的相对论。事实上推翻的不是相对论，而是从古 希腊文明以来人们对自然界恒久抱有的美丽幻想。仿佛无数物理学家费劲心机终于战战兢兢揭开上帝 ──这位梦中情人头上的面纱，却失望地看到一张坑坑洼洼的老妪的脸。 这两个值得全人类骄傲的年青人都是中国人，他们一个叫李政道，一个叫扬振宁。 观念上的重大修改无疑引起很多麻烦，对于新观念的创始人来说更是如此。很快爱因斯坦的头脑 里塞满了以太，量子，时间，空间这些东西，以至于给他的孩子小汉斯拿着奶瓶喂奶时也时常走神。 而逻辑上的混乱让爱因斯坦更是无所适从。 他疲倦地从办公室回到家里，头脑里天旋地转，然而凭直觉爱因斯坦逐步认定有种极平常的经验 在作祟，究竟是什么呢？他越想越困，眼睛慢慢快要阖上了，这时，厨房里传来妻子米列娃的呼唤，& 阿尔伯特，吃饭的时间到了，还不快收拾桌子？& &时间！？&宛如流星划过脑际，爱因斯坦几乎从椅子上跳将下来。他匆匆翻开牛顿的《自然科学 的哲学原理》 。在上面牛顿以确凿的口气写道： &绝对空间就其本性来说与外界任何事物毫无关系，它永远是同一的，不动的。& &绝对的，真实的数学时间本身按其本性来说是均匀流逝的，与外界的任何事物无关。& &在运动系和静止系坐标变换时，显然，时间是不变的。& 不会是这样的，一定不是这样，爱因斯坦一边埋着头，一边踱着步，一个在运动着的车上的人看 到的时间，与在地上静止的人看到的时间未必相同，嘿嘿，根本不存在绝对的空间和绝对的时间，既 然如此，我们费力寻找的以太，刻意想测量出地球相对于绝对空间的速度，都是徒然。以太不是找不 到，而是根本就不存在！ ！ 在一个月内，名不见经传的爱因斯坦向德国最有声望的杂志《物理学年鉴》 （Annalen der Physik）发表了四篇论文。他挑出分量最轻的一篇，内容是通过中性物质的稀溶液的扩散和内摩擦来 测定原子的大小，寄给了他的母校苏黎士联邦工业学院，毫不费力地取得了博士学位。另一篇是关于 研究悬浮微粒的布朗运动的，也开辟了一个新方向。 第三篇是著名的光电效应，历史上第一次提出光量子的理论，在发展与相对论并称二十世纪物理 学两大基石的量子力学中意义重大，几年后单凭此而不是相对论就获得诺贝尔物理奖。其实就爱因斯 坦的贡献来看，一生完全可以五次登上诺贝尔奖的领奖台。光量子理论；狭义相对论；广义相对论； 统计物理中的玻色──爱因斯坦凝聚；还有我们熟悉的激光的理论工作也归功于他。 第四篇的论文名字很朴素，叫《论运动物体的电动力学》 。然而稍通物理学史的人都知道这是一篇 惊世骇俗的文章，它宣布了狭义相对论的诞生。在这篇文章里，爱因斯坦没有卖弄令人目眩的数学技 巧，平实而又深刻是爱因斯坦论文的一贯风格。读懂它并不需要高深的数学知识，但更需要革命性的 思想和与日常经验决裂的勇气，尤其是在当时。 爱因斯坦提出的假设很简单，第一，我们无法确定相对静止的物体到底是处于静止状态还是匀速 运动状态。因为绝对静止的空间不存在了，一切静止都是相对的。第二，光在真空中的速度永远不变5而且不可超越，它与光源的速度无关。也即，对于站在地面上的人看，20 米/秒的车上发出的光和即 使以光速飞行的火箭（当然是不可能的）上发出的光的速度是一样的，均为 30 万公里/秒。 从这两个假设出发首先得出的古怪结论是：所谓&同时&是相对的！假设我们站在地面上，一架飞 机从我们面前匀速飞过。在我们地面上的人看来，我们右边的人挥起手的&同时&左边的人弯下腰，而 在飞机上的人则坚决不这样认为，他们认为我们右边的人先挥手，而左边的人后弯腰。与此相反，在 飞机上的人认定机头处空中小姐不小心打破只碟子的&同时&机尾处的乘客点燃支香烟，而地面上的人 异口同声地说碟子先落在地上然后香烟才被点着。 荒谬吗？我奉劝各位不要带着秒表上飞机一证真伪，因为&同时&事件在另一群人眼中的时间差是 千万分之一秒，你可不具备那个反应能力。而这又是由于飞机的速度尽管达到几百米每秒，比起光的 速度，30 万公里/秒，还是望尘莫及的。不过这样也不错，至少平时说&这两件事同时发生&时不用再地 加上诸如&在我们这群相对静止的人看来&之类的复杂状语了。 为了更好地解释狭义相对论，爱因斯坦设计了一个著名的思想实验。所谓思想实验，就是在地球 上的实验室无法实现的条件下作的假想实验，因为跨入二十世纪以来，人们对通常状态下的物质研究 几乎穷尽，动辄就研究绝对零度的低温或者上亿度的高温，速度接近光速的运动或者万万分之一米长 度的空间。这对爱因斯坦这位思想大师来说轻车熟路，并很快成为他在学术上进攻或者防守的利器。 爱因斯坦这样假设：&观察者 M 站在铁路边上，在沿火车前进方向上有一个点 B,在运动相反方向 同样距离上有一点 A，某一时刻 A 和 B 同时闪电，观察者 M 自然认定这两个点是同时闪光的，因为 光的传播速度不变，而他又恰好站在两个闪光点的中心。& &假定在闪电时，有一列车从 A 点到 B 点方向运动。在两道闪电的一刹那，在火车内的观察者 N 恰好在与地面观察者 M 相对的位置上，但 N 正向闪光点 B 运行，而离开闪光点 A,自然他看到 B 点的 闪光比 A 点的早，但他知道他是在运动中的，根据自己运动的速度，也很容易得出两道光是同时发生 的结论。& 但根据前面两个基本假设，同样可想，火车是静止的，而地面正在向后运动。因此，火车上的观测者 N 是相继看到那些闪光的，因而他得出 B 点发光比 A 点早的结论。他又知道自己的位置是在两个闪光 的中间，由于他认为自己是静止的，所以他不得不断定他看到的头一个闪光比他看见的下一个早。& 有趣的是地面上的观测者 M 也不能不同意这个结论， 他的确看见两个闪光是同时发生的。但既然 现在他是被假定运动着的。当他考虑到光速和他是在向发光的 A 点运动着这一事实，也作出 B 点闪光 比 A 点早的结论。 总之一句话，对于闪电是否同时发生的问题，我们不能一口咬定是或不是，而是要就选定的参考 系来回答。 你可能已经迷惑了，但再往下推导更会导致你意想不到的结论。比如说&尺缩效应&和&钟缓效应&,& 质增效应&。&尺缩效应&指在你面前有把尺子，当它相对你运动的时候，你会发现它的长度缩短。 而&钟缓效应&指在运动的参考系里时钟会变慢。比如，在地面上和飞机上各有一人手那时钟，这 时飞机上一只鸡蛋落在机舱的地板上。从鸡蛋脱手的那一瞬间开始，机上和地上的人同时开始记时， 到落地时止。结果是地面上的人测出的时间长一些。换句话说，在地面静止的人看来，处于运动状态 的物体时间变慢。 &质增效应&是指运动中的物体质量增加。譬如一筐一斤重的鸡蛋，如果它飞得足够快，我们在地 面上静止的人称来重量会达到五斤。它飞得更快的话，会毫不犹豫地将地球上最大的磅秤压歪。但它 永远也到不了光速，不光是鸡蛋，任何有质量的物质的速度都绝对达不到光速。光也是一种物质，它 的速度之所以能臻极限，原因就是光本身静止时是没有质量的。当然，你若据次推理出质量越小的物 质跑得越快，显然是荒谬的。 至此相对论的费解可见一斑。而在爱因斯坦出名后，有一段时间里很多人在&弄懂&了自己的相对 论后，忙不迭地再向自己的亲友介绍。6还是有部分人自始至终地困惑。一次，一位大学生找到爱因斯坦请教为何时间时快时慢。爱因斯 坦不愿再制造玄想，他的幽默发挥了作用，&朋友，当你夏天坐在一个火炉旁，你会觉得一分钟是一小 时，而当你坐在一个美丽女郎身边时，一小时就象一分钟，难道不是这样么？& 大众媒体对相对论也异乎寻常地加以关注。从牛顿时代以来，观众们第一次渴望了解高高在上的 物理学家们到底在弄些什么，虽然其中猎奇的心情远重于对科学精神的景仰。很多哲学家，神学家， 印象派画家，现代派诗人，专栏作家，以及各行各业的人纷纷在报刊杂志上撰文用自己的语言表达自 己对相对论的理解和认识。 最后推导出来的公式更是威力惊人，它是由爱因斯坦在发表狭义相对论后一个月在另一篇论文中 提出的，在今天则几乎是条成语。它就是&E=MC2&，表示能量等于质量乘以光速的平方。留心的观众 会注意到，在好莱坞的电影和动画片中如果要刻画一位资深教授，则会让他在黑板上写上一些不知所 云的杂乱公式后，重重地补上 E=MC2 这几个大字的。 能量等于质量乘以光速的平方，即使是在不甚关心其实用价值的纯理论型的物理学家看来也是惊 心动魄的，几百年以来所毫无疑义的，不，甚至人类自诞生来就模糊意识到的质量守恒定律被破坏了。 质量和能量本身并无区别，而且可以相互转换。即使是最前卫的哲学家也会吸口冷气，太不可思议了。 但不管哲学家怎么喋喋不休地发挥思辨的威力，物理学家是不屑一顾的，他们只认定确凿的事实和严 密的逻辑。物理学家和自然哲学家都是研究世界的奥秘的，但在这一点上，两者有本质的区别。 而在绝大多数人眼里，能量等于质量乘以光速的平方，即能量是质量的九百万倍，多么诱人的前 景呀。指甲盖般大小的物质的质量如果完全消失，其释放的能量是用以万吨煤炭来计算的。我们这个 星球从进入工业化社会以来，能源问题就仿佛人类脖子上的绞索，越勒越紧。 甚至在本世纪的九十年代，一个超级大国在海湾名为抗击侵略实为保障石油供应的畅通还狠狠地 开过一仗。而相对论诞生了，能量似乎唾手可来，无数的科幻小说展示着在能量极大丰富的年代里， 机床永不停息地转动，电线纵横四野，地球上即使最阴暗的角落也装上了电灯，到处一片光明，因为 我们这个星球别的没有， 质量可大得吓人， 我们可以一点一点象吃面包一样将地球的质量全变成能量。 然而当记者兴致勃勃地向爱因斯坦教授提出灿烂的前景时， 这个老实人摇头否认了： &这根本不能， 没人能随便减少质量，上帝未必会允许开这个玩笑。& 仔细想想，我们何尝能够轻易地将物质的质量消除掉。譬如一块石头，我们尽可以用锤子砸成小 块，然后碾成碎末，可是当你仔细地收集这些碎末后就会发现它的质量并未变化。就算是化学反应， 当我们耐心收集在空气中燃烧的煤炭的生成物，包括水蒸气，二氧化碳，煤渣之类的物质，并放在天 平上后，我们一定会失望地低下头。 看来是不可能了。但是爱因斯坦当时的话也说得过满。可能即便是他也未曾料到科学发展的势道 惊人如斯。上帝的玩笑也有人敢开了。 十几年后，德国物理学家发现在核裂变前后质量出现了亏损，虽然亏损质量微不足道，但是带来 的后果是可怕的。仅仅在几年后，人类第一颗原子弹在美国爆炸成功，紧接着日本人遭受了自基督降 世以来最残酷的惩罚， 几十万人死伤， 其中一部分人瞬间还被原成基本粒子， 真成了魂飞魄散。 E=MC2 在给人间带来希望之前，带来的先是致命的创伤。当然，这一切对于深爱和平的爱因斯坦来说无疑是 一记重拳，直至临死前他为此仍耿耿不已。 不过总的来说，我们尽管以种种或好奇或欣赏的角度来看相对论，但是它离日常生活委实过远。 所以人们在白天惊讶地讨论完相对论带来的后果之后，晚上仍可以高枕无忧地阖上眼睛。 但是如果我们生活在一个光速可轻易接近的社会可就大不一样了。让我们假想这样一个星球：首 先在这个星球上拥有人数最多的职业是哲学家。 他们自小就深刻地理解任何运动都是相对的这一观点。 因为即使在孩童的眼里，玩具一运动起来长度就会变短，这在地球上非把小孩吓哭不可。孩子若想看 见自己父母的真实脸孔，非得让他们静止不动。他们能够平心静气地面对一切变化，也因为从小他们 就在不确定中长大。 他们的计时系统是繁琐的。你要想弄清楚标准时间，首先要考虑的是你处于什么状态。当然是相7对星球上所规定的标准静止系来说的。 这些人的语言是索然无味的，同地球人相比，他们加入了很多复杂的定语和状语，而且定语和状 语的地位与主语和宾语是平齐的。这个民族长于思辨，然而在展示他们的文采时就不免大打折扣了。 他们个个绅士风度，无论走路还是开车都是慢条斯理。他们的行动稍一变快就会损坏路面而给政 府带来不必要的负担。但他们还是常常在运动中，读书看报亦是如此，这样可以充分地利用时间。 当然他们也如绅士般的胸襟宽阔，能容忍一切错误，因为要想绝对精确地存活在那里几近幻想。 比如一早在地铁站，两个小伙子在等车，下面是他们的对话： &嗨，老兄，你好。请问在静止的地面上看现在几点了？& 回答的人立刻站稳，然后说：&在静止的地面上看是七点五十四分。& 第一个人点点头：&火车还有一分钟就要到站，那我还可以花半个小时吃完这块面包，再读完今天 的早报了。&言毕，他就匆忙地走动，虽然在静止的人看来面包加重了胃的负担，但他本人显然意识不 到，请注意他身体也是在运动中的。 等半小时后他回到这里时，尽管百般注意，地板上还是被踩了个坑。在他低声抱怨政府在施工中 时偷工减料声中，火车进站了。 两人在火车上继续讨论。 &你看，窗外那个姑娘身材真不错。&一个由衷地赞叹到。 &老兄，你又犯错了，她相对我们是运动的。所以在现在我们看来很完美的身材下车后再看一定会 大失所望的。& 但是最大的麻烦的不是在一般性的谈话中，而是在法庭审判中。看，现在法官一筹莫展了。案子 本身很简单。在两辆对开的列车上，两个人互朝对方射了一枪。显然，一人行凶应处极刑，另一人自 卫应当释放。可谁先开的枪呢？双方都有满车的人作证是对方先动的手，而且证人们都是品性良好， 素无犯罪记录的守法公民。 好了，让难题留给法官来解决，我们则从荒而不谬的想象中走回来。 显然爱因斯坦在接受鲜花和掌声的同时，也面临着无数人的驳斥与挑战。当然反对最大的声音来 自物理学家自己的阵营，这里包括许多成名已久的人物，比如英国皇家学会会长汤姆逊勋爵，还有以 寻找以太的实验而名动天下的迈克尔逊教授， 这位执著的先生可谓九死不悔， 直至 1932 年还在奋力追 寻并不存在的以太。 太多的人以经典物理的卫道士自居，他们人人手持大棒，头罩钢盔，虎势眈眈地盯着这群试图把 牛顿拉下马的&暴徒&们。而爱因斯坦和他的少数派支持者们坚定地手挽着手，细弱的声音终于会聚成 洪亮的口号：&革命！革命！&这不是十月革命时的俄国，但是人们热切期盼的心情何等相似呀。 爱因斯坦可以把他的一些无聊的对手的攻击象蛛丝般轻轻拂去，然而对那些和他一样认真而严肃 的对手的挑战则不可等闲视之。 这时有人提出著名的&双生子佯谬&。一对孪生子自小就惨遭分离，哥哥被塞入一艘以近光速运行 的宇宙飞船飞离地球，弟弟则眼巴巴地看着哥哥飞走。弟弟如果懂相对论，一定会想，哥哥在高速运 动的宇宙飞船中长大，他那里的时间比地上慢得多，有朝一日我们兄弟俩再见一面，我成了步履蹒跚 的老翁，哥哥则正是青春少年时，那时将真是会感慨万千呀。可是与此同时，哥哥在羡慕留在地球上 的弟弟，弟弟的世界以那么快的速度离我而去，他们的钟表一定走得很慢，他会比我年青得多哩。问 题是两人一见面，究竟会怎么样？不能简单地回避二人见面的可能性。 问题是在狭义相对论中自始至终都是有这样一个前提，运动都是是简单的匀速直线运动。而如果 哥哥确实想见到弟弟，则须先减速到静止，再回头扑向地球。这其间就不属于狭义相对论的范围了， 它要由后来的广义相对论来解决。 1912 年，已小有名望的爱因斯坦受聘回到母校。那里他的亲密老同学如格罗斯曼在等着他，曾经 嘲笑过他的教授们等着他，渴望全新物理知识的工业大学的学生们也等着他。 他的生活境遇却也没提高哪里去，因为第二个孩子爱德华出生了，家庭的负担骤然重起来。尽管8在他的相对论中每一个物体边上都挂了个钟来矫正时间，而在现实生活中却常常为家里没有一块钟表 而苦恼。而且给学生们上课也并不是很情愿的事，这绝对不是因为爱因斯坦鄙视他们，而是爱因斯坦 的风格委实不适合教学。他的板书犹如他年青时的笔记一样不忍卒读，而且思想跳跃性奇大，往往就 一个问题大发见解而不顾整个课程的进度。开始慕名而来听课的学生甚至挤到了走廊，但后来就门可 罗雀了。 但是他幸运地找到了他的合作伙伴，格罗斯曼教授。此时的格罗斯曼在数学上已颇有建树。而广 义相对论的建立则超出了爱因斯坦在数学上的能力， 非得与人合作不可。 所以广义相对论的难度之大， 在深度和广度上在当时已超出了即使是第一流的物理学家或者数学家的理解能力。 通常出现这种情况， 物理学家模糊能够理解广义相对论的深刻本质，却对怪如天书的数学公式望洋兴叹；数学家大概能看 得懂要命的公式，但对其艰深的物理内涵苦思不解。 如此看来， 《纽约时报》当时所竭力宣称的&全世界只有 12 个人懂广义相对论&并非单纯的噱头。 至少爱丁顿教授就这样看。爱丁顿就是前文那个坚信广义相对论必然正确且亲自率天文队去观测并证 实的英国人。当记者带给他一个更极端的消息&地球上仅有三个半人理解相对论&时，他立即低下了头。 记者跟着道：&我们都知道您肯定是其中之一，但您似乎不必谦虚至此。&爱丁顿却抬头反驳道：&对不 起，我不是谦虚，刚才我一直在想另外那半个人到底是谁？& 广义相对论的创建足足花了爱因斯坦十年的工夫，这是他一生中精力最旺盛的十年。可见它要让 人在铁一般的事实找到以前接受它是多么困难呀。 但也有慧眼识英雄的伯乐。他们是身在柏林的见识远卓的两位科学伟人，一个叫普朗克，一个叫 能斯脱。 普朗克是最早提出量子论的人，也是高度评价相对论的第一人。他不止一次地把爱因斯坦比作当 代的哥白尼。当时的普朗克几乎是德意志民族的科学象征，他出身贵族，温文尔雅，交游广际，受到 上至皇帝威廉二世，下至底层百姓的衷心尊敬，甚至在当时的一马克金币背面都刻着他的头像。 能斯脱则既是二十世纪著名的化学家，也是一位拥有杰出政治才能的组织者。 他们一致想把这个出生在德国的犹太巨人拉回柏林。他们提出的条件是诱人的，包括聘请爱因斯 坦担任正在筹建中的威廉皇帝物理学会会长， 并担任年薪 1200 马克的普鲁士科学院的院士和柏林大学 的终身教授。这对爱因斯坦来说可谓是名利双收，而且说好了可以不用教学而专心研究，更主要地是 又找到了&很多&志同道合的人。据新闻界的说法：&全世界懂相对论的 12 个人中有 8 个就在柏林。& 这是世界少有的优越条件，爱因斯坦怎能不动心呢？但是这和爱因斯坦的一贯追求尖锐地不合。 当初他们一家人不正是为了躲避德国人对犹太人敌视的目光而弃离故土的吗？虽然他现在功成名就， 但是在遥远的柏林仍会有寄人篱下的感觉。可是在哪里不是寄人篱下呢？作为犹太人，他们在欧洲流 浪已近千年，大部分人连自己民族的母语--希伯来语都不会说。 什么时候我们犹太人才会有自己的祖国呢？爱因斯坦的眼眶湿润了。他做梦也没有想到在暮年会 见到自己的国家在中东崛起，虽然那是在 600 万鲜活的生命教训了几乎灭种的犹太人之后。 他执意去柏林了。但是他的妻子米列娃坚决反对。米列娃是他在苏黎士工业大学时的同班同学， 塞尔维亚人，在当时是一位罕见的女物理学家。在高傲的日尔曼人眼里，犹太人是流氓，斯拉夫人则 是乞丐。身为斯拉夫人米列娃向来心高气傲，是不会喜欢柏林那阴冷的空气的。 况且夫妇二人积怨已深，主要是米列娃是个激进的女权主义者，她不愿沦为庸俗的家庭主妇，她 也要有自己的事业。但是米列娃总是被爱因斯坦的巨大光环笼罩住，显不出她的所在。同时爱因斯坦 是一个向上帝选择了智慧的人，选择了智慧就选择了孤独，选择了孤独就选择了痛苦。他自始至终无 法溶入他的家庭，他的生命的绝大部分既没有留给妻子，也没有留给孩子，而是留给了上帝和他心爱 的物理学。 不合则散。爱因斯坦吻别了在梦中的小汉斯和小爱德华，他们是睡得多么香甜呀。 爱因斯坦又一次提着大皮箱，在一个寂静的夜里慢慢地走上了征程，这次他真的除了物理学什么 都没留下。91916 年，他与格罗斯满曼合作的论文《广义相对论纲要和引力理论》正式发表，正如爱因斯坦 所料，一石再激千层浪。 静寂已久的物理学界从未象这次一般阵线分明。保守的一派在狭义相对论发表时觉得爱因斯坦只 不过还在变魔术；到广义相对论发表时，人人都在摇头，都说一个天纵其才的物理学家就此精神失常， 即使原来很多支持爱因斯坦的人也认为他走得太远，而少数真正革新的一派则信心满怀，他们坚信新 的时代即将到来了！ 。 这是怎样的理论呢？ 那还得从牛顿时代开始。牛顿在发表万有引力的公式时，他定义了物体的引力质量；而在推导他 著名的牛顿第二定理时，又引进了惯性质量。为了验证这两种质量的等价性，牛顿亲自用空心摆作了 实验，在当时的条件下，精度是千分之一。百年后，贝塞尔还是用单摆，精度提高到十万分之一。从 1890 年起尼厄用扭摆孜孜不倦地作了二十五年实验，精度自是更上一层楼，达到了亿分之一。直至本 世纪七十年代狄克等人采用最新技术，发现即使在千亿分之一的精度内，两者仍是相等的。 看来是没有什么问题了。但是自牛顿以降，从来没有人考虑到这两种质量在数值上的严格相等决 非偶然。 然而这决逃不过爱因斯坦那鹰隼般锐利的眼睛。 擅长在人们司空见惯的现象中找到突破口的， 就这一点来说，爱因斯坦算得上古今独步。 我们都有这样的生活经验，坐在汽车里突然起动时，会觉得自己的后背受力的推动。按照牛顿的 解释，这是因为在一个加速的参考系里（比如汽车刚起动时） ，物体受惯性力的缘故。 爱因斯坦的思想实验又开始发挥威力了。当你处在自由下落的电梯里，你会发现自己完全失重， 如果电梯体积大得能容纳一座高楼的话，你可以先在你的心上人面前吹嘘一番，然后爬到第二十层楼 的窗台放心地跳将下去，你不会跌成肉泥而会滑稽得象个气球一样悬在空中，就象若干年后我们在电 视里看到太空舱里臃肿的宇航员一样。 但是如果在没受任何引力作用的太空中电梯以 9.8 米每秒平方的加速度（稍通物理的人都知道这 是地球的重力加速度）向上运动时，他是绝对不能断定自己是在地球上受引力的作用还是在受惯性力 的作用。还记得伽利略的大船吗，它那里详尽地说明了匀速运动和静止无法分辨。这个足够大的&电梯 &里也是如此，当你发现随手丢下一个东西，它会象在地球上一样愈来愈快地砸向地面的时候，你会从 第二十层楼的窗台上忙不迭地蹦回屋内， 你若有可能向空中开上一炮， 。 那条美丽的弹道曲线与地球上 的一样吻合。你作任何实验都不能证实你所在的外部环境究竟如何。 爱因斯坦的结论是在局部的区域内，引力和惯性力是不可分辨的。这就是著名的等效原理。如此 一来，牛顿时代所固有的惯性系（匀速直线运动或静止系）比非惯性系（加速运动系）优越的观念需 要彻底修改了。在爱因斯坦的理论中，任何参考系都是平等的，不管静止的也好，还是运动的也好， 你站在任何一个参考系都不会改变你对世界的看法和对自然规律的表述。 总的来说广义相对论仍是美学的直接产物。可以想象爱因斯坦对于所有参考系中惯性系趾高气扬 地凌驾于非惯性系之上时，心中是一种怎样的不适呀。万物平权，这是至高无上的美学准则。深刻与 美，则一贯是爱因斯坦科研奉行的主旨。 在物理学发展的长河中，有些理论的创始人只能冠以一个名字。广义相对论便是一例。可以说， 没有爱因斯坦再过两百年也未必会有人发现它，这于狭义相对论是不同的。发展狭义相对论的时候， 仿佛如鲠在喉，多少人在没日没夜地思考它，因为大家都明白没它就意味着物理学的彻底崩溃，爱因 斯坦不过凭借他的天赋捷足先登罢了。 广义相对论则不同，它是在没有任何先兆下横空出世的。没有任何实验上的矛盾，没有任何实际 中的需求，没有任何人意识到它的必要性。即使没它也不妨碍火箭发射，卫星上天和通讯技术，计算 机的迅猛发展。但显然人类对宇宙本身的认识会大大延迟一步。 以当代物理学家的眼光看，广义相对论与其说是一门科学，不如说更象一门艺术，它把几何学和 物理学完美地结合在一起，给人最深的印象不是逻辑体系的无可挑剔，而首先是一种优雅的美。 更主要的是广义相对论继狭义相对论之后，又一次掀起了时空观的大革命。10可能你又紧张地四处张望，我们的日常经验又有什么不合逻辑了呢？ 有的。翻开初中一年级的几何课本，扉页里就提出了一条人所共知的平行公理：&在平面内过已知 直线外一点， 只有一条直线和已知直线平行。 &这是早在公元前 300 年就由欧几里德作为欧氏几何的第 五公设载入《几何原本》 。 第五公设又称平行公理。以它和其它的几个公理建立起来的欧氏几何获得辉煌的成功。随之导出 的许多定理成了我们脑中根深蒂固的观念：三角形内角和 180 度，勾股定理描述的是直角三角形的斜 边的长度的平方等于两直角边的平方和等等。后来笛卡儿在此的基础上创立了解析几何，顺势导致了 微积分的诞生。 欧氏几何成了人类创立千年的完美的数学大厦的重要基石。而且在人类的文明中，从平常无奇的 桌椅，到气势恢弘的宫殿，从呼啸而至的炮弹，到俯瞰人间的卫星，无不闪烁着欧氏几何的光彩。这 有什么问题呢？一加一难道不等于二吗？ 最早产生怀疑的是敏锐的数学家。他们怀疑的根据是仅是欧氏几何的第五公设表述过繁。数学家 和物理学家都有同样的毛病，凡是复杂的就是不够优美的。从古希腊时代就有人怀疑这第五公设只不 过是条定理，一定可以用其它的几条公理证明出来。看来不怎么费劲，但是这一努力就是一千多年。 直到 18 末世纪出了个旷世的数学家， 他的名字叫高斯。 直至今天人们仍津津乐道他在小学一年级 就别出心裁地创造出从一加二加到一百时新算法的奇迹。被誉为&数学王子&的他的光辉掩盖着整个十 九世纪。高斯最早认识到这种证明是徒劳的，平行公理是独立成立的，而且把用别的公理抽换掉平行 公理，导出来一套奇怪的几何。不过，高斯是个谨慎的人，他将手稿压下没有发表。他考虑到他在数 学界至高无上的地位，这样冒然出击导致的只会是所有人的攻击。 但是他是对我们这个空间产生怀疑的第一人。 他曾提出作个实验， 在三个临近的山峰上测量一下三 角形内角和到底是不是 180 度。 还是有勇敢的斗士。 他们是俄国的罗巴切夫斯基和匈牙利的波尔约， 各自独立地提出非欧几何向全 世界挑战。经过艰苦的努力，他们终于使大部分数学家承认还存在一套与欧氏几何并列的几何，它的 前提是过直线外一点至少可以有两条直线与该直线共面而不相交。导出的结论令人困惑：三角形的内 角和小于 180 度，同一直线的斜线和垂线不一定相交等等。 没有多久，高斯最得意的嫡传弟子黎曼又把第五公理换成了同一平面的两条直线一定相交，演绎 出与欧氏几何，罗巴切夫斯基几何鼎足并称的黎曼几何，这已经快接近答案。可惜黎曼只是一个数学 家，他模糊意识到什么，但是最终不可能揭开事实的真相。他到死也未料到他所创建的新几何才是我 们这个世界真正成立的。 尽管一系列优秀的数学家前仆后继地发展了非欧几何。但是即使在数学家内部也只不过认为这是 一套漂亮的游戏而已。幸好数学家的癖好和物理学家亦有不尽相同之处，在他们的世界里漂亮但无用 的玩意儿触目皆是，但在物理学家那里会被无情地抛弃掉。仿佛上帝为了捉弄人类，先扔下一把钥匙， 物理学家不屑一顾而数学家们喜滋滋地捡走了，几十年后再重重地扔下一把大锁砸在爱因斯坦头上， 爱因斯坦几经努力才在数学家的旧仓库中找到了那把锈迹斑斑的钥匙。 一开始爱因斯坦没有充足的信心完成广义相对论，他发现导致的几何结果当真匪夷所思。但是老 朋友格罗斯曼介绍的黎曼几何使他茅塞顿开，这不就是他这些年来苦苦觅寻的吗？爱因斯坦无疑是极 端幸运的。如果让爱因斯坦自己来凭空创造一套几何，纵使有格罗斯曼的帮助，也势必成挟泰山以超 北海，是所不能了。回首当年，黎曼，这位继高斯后首屈一指的大数学家，为这套几何亦是耗尽了一 生的心血。 爱因斯坦认识到，我们所在的这个空间，不是简单的长，宽，高三维空间，而是包含时间在内的 四维时空；不是我们想象中的平直，而是一个弯曲的空间。 弯曲就意味着如果现在你朝某个方向射出一束光线，若干年后，如果地球，甚至银河系还存在的 话，你会发现光从你背后绕了回来。当然，再不可能找到象当年那样为了验证地球是球体而勇于拔锚11扬帆环航世界一周的麦哲伦船长了。 我们这个空间应遵循的规律是符合黎曼几何的，而不是欧氏几何。比如说，当你精确测量空间三 点的所连成三角形的内角和，会发现它大于 180 度。凭你直觉的经验，一定会觉得两点间直线最短， 实际上真正短的是一条曲线，&世界线&。 至于真正意义上的四维时空，决不仅是几何上的花样。它第一次深刻地揭示了空间和时间如何不 可分割。现在我们定义空间中任意一个物体，仅有长，宽，高的坐标是不够的，还必须加上时间。可 是，在满眼三维物体的这个世界上，我们怎么能够拥有四维的想象呢？ 如果把作为三维物体的书本放到光源的对面， 它的影子会投射在二维的墙面上， 随着书本的转动， 影子的形状也会改变。有机械制图经验的人仅凭三张不同侧面的投影就能大致想象实物的样子。 四维时空的观点则认为，我们日常所见到的所有事物，不过是四维时空中的&原物&在空间上的一 种&投影&。这样就可以清楚地解释一辆高速行驶的列车为什么对于静止在月台的人来说长度会缩短。 因为我们所看到的不过是一个&投影&而已。&原物&在四维时空中旋转，从而分到属于空间的三维部分 （我们见到的）少了些，分到属于时间的一维部分多了些。实际上，&原物&（注意是在四维时空）是 不变的。 正如爱因斯坦的老师闵可夫斯基在 1908 年德国自然科学家学会的第八十次年会上的报告中宣称 的那样：&我们现在讲述的空间和时间的观点，是在实验物理学基础上发展起来的，这就是理论之所以 有力的原因。它的意义是革命性的。从此以后，时间和空间退化为虚幻的影子，只有两者结合才能保 持独立的存在。& 在牛顿力学中，一个物体如果不受外力的作用，它将作匀速直线运动。在相对论中亦是如此，但 是这个&直&线是是四维时空中的直线，在三维空间中则表现为弯曲的&世界线&。上帝在造物时就神秘 地暗示我们，物体运动是尽可能走近路的。譬如，夜空中的星星看似遥不可及，动辄以亿光年计算， 实际上它们到我们的最短距离决不是简单的两点一直线，而是一条弧线，犹如一条隧道，可以抄直到 达终点。 纵使在受引力的作用下，物体的运动也是如此。因为爱因斯坦一针见血地指出，万有引力根本不 是一种力！这不是象牛顿那样认为的，太阳如何牵引地球，而地球如何吸引砸到牛顿头上的苹果。无 论地球还是苹果，它们都是在别无选择地走最近的路。它们的路径之所以弯曲，以至那么多年来我们 一直错误地认为是受了力的结果，仅仅是因为任何物体都会使自己周围的空间弯曲，而质量大的物体 （譬如太阳）犹使空间变形得厉害。换句话说，如果我们这个空间什么物质都没有，它是平坦的欧氏 空间；之所以弯曲的原因就是有物质存在。 你将一块薄橡皮膜崩在一个长方形的框架上，在放上一个橙子，它会自然地凹陷下去。再在橙子 边上放一个石子，不用推动石子它就会自动滚向橙子。这并不是因为橙子吸引了石子，而是它造成的& 场&使石子义无返顾地选择最短路径滚了下去。当然这是比喻，但是地球绕太阳旋转，苹果落向地面的 根源也类似于此。 这是对牛顿定义的引力新的诠释，引力不过是加速运动（以三维空间的观点看）带来的幻觉。牛 顿的因果关系看来颠倒了，因为物体本身在没有外力时的运动就不是完美的匀速直线运动，而是沿着 弯曲路线的加速运动，导致的幻像就是有&力&，即万有引力产生了。 至此你就可以大概理解为什么连头脑向来敏锐的物理学界的领袖人物都认为爱因斯坦发了疯。爱 因斯坦深感苦恼的是自己的相对论发表之初在物理学圈内睬之者甚少，被新闻界披露之后，反是好奇 心很强的圈外人，比如哲学家，作家，艺术家纷纷拜访，获得只言片语后回去演绎自己的&相对论&。 至于后来相对论成为偷懒的中学生不作几何题的理由，更是爱因斯坦始料未及的。 最感兴奋的则是罗马教廷里的主教们。尽管他们曾经把布鲁诺烧死在火刑台上，把哥白尼的书封 禁，把伽利略投入监狱，但是科学的观念毕竟逐步深入人心，牛顿学说的发表更是一记重拳，打得他 们自此抬不起头。天主教只成了部分人的信仰，如果神学家再敢于和科学家论战，一定会被驳斥得体 无完肤。12但是现在好了，牛顿的理论也被人踩翻在地。而爱因斯坦根据广义相对论提出宇宙有限的假说，更 是令他们浮想联翩。宇宙有限，那么宇宙之外不就是天堂么？于是在爱因斯坦访问英国的宴会上，他 的邻座，坎特伯雷大主教恭恭敬敬地向爱因斯坦请教：&教授，听说您的理论似乎提供了宗教界的某种 证据。& 爱因斯坦微笑地摇头：&对不起，相对论纯粹是科学上的问题，与宗教没有关系。& 为了说服更多的人，爱因斯坦几经寻觅，终于在天文学上找到第一个证据。九大行星中离太阳最 近的是水星，广义相对论只能在巨大质量（比如太阳）的附近才能显现它的威力。正好水星的运动几 百年来有个悬而未决的问题，即水星在绕太阳转动的同时，自己的轨道也在缓慢地转动，这在天文学 上称为水星的进动。天文学家采用牛顿的引力理论，结果总是相差一些。而爱因斯坦根据自己的计算， 弥合了这些误差。 第二个预言是太阳光的引力红移。爱因斯坦的理论指出在引力场强弱不同的地方，时钟走时是不 一样的。从而当光从太阳附近的强场传播到地球附近的弱场时，光谱线会向红色的一端发生微乎其微 的移动。 这种观测在当时根本无法实现，直到 1958 年德国年轻的物理学家穆斯堡尔发明了穆斯堡尔效应， 找到一种精度大为提高的测量时间的方法。即使你的手表走了三千年后只比标准时间慢百分之一秒， 也能觉察出来。通过这种方法，研究人员发现在建筑物底部（这里的引力场稍强）比顶层的时钟走得 慢。 顺便提一下前面提到的&双生子佯谬&，由于在宇宙飞船里的哥哥想要回到地球上来，必须先大幅 减速，然后再转身向着地球的方向加速，这期间受到惯性力，即引力的作用，其间飞船上的钟会走慢。 70 年代有人在卫星上放置了精确的记时器， 当它随着卫星围绕地球转过几圈后回来和地面上的同样的 记时器比较，果然验证了变慢的结论。 最直接的证据是光线通过太阳时受到引力场的作用而弯曲。早年爱因斯坦在提出等效原理时，他 根据牛顿力学计算的弯曲角度是 0.87 秒。当他十年以后意识到空间是弯曲的时候，这个角度才修正到 原来的两倍，1.74 秒。幸亏早期的一次日全食时的测量因为天气原因而失败，否则这会迫使爱因斯坦 全盘放弃他那未成熟的理论的。 决定性的时刻终于到了。英国剑桥大学的天文学教授爱丁顿带队分兵两路，一路奔向南美洲的巴 西，一路远赴非洲西部的普林西比岛。在出发前大家讨论了这次观测可能的三种情况：要么根本就不 偏转，要么就接近牛顿力学所计算的 0.87 秒，要么就接近爱因斯坦的广义相对论所预言的 1.74 秒。 &如果测量值比爱因斯坦的还大一倍，那会怎么办呢？&组里的一位成员忧心地问道。 &那么爱丁顿和爱因斯坦都要疯了。& 爱丁顿当时在普林西比的那一路， 他们一大早就兴致勃勃地架好望远镜， 可是热带的气候委实难测， 一场瓢泼大雨将他们的希望浇灭，要不是巴西那边测量成功的消息及时传来，爱丁顿这次可真的要疯 掉了。 结果正如本章开头的那一幕，上帝的面纱揭开了一角，广义相对论证实了。 此时的爱因斯坦年仅四十岁，但俨然成了物理学界新的教皇。而且世界各地的人们都在传诵着他 的名字和他的思想。他的声望达到顶点。 这时的生活亦温馨如意，他的远房表妹，从小在一起的玩伴埃尔莎和他结了婚。她是一位柔婉体 贴，态度随和的女性，丝毫不具备前夫人咄咄逼人的风范。她不懂物理学，但这并不妨碍她把爱因斯 坦的生活收拾得井井有条。爱因斯坦，这个长期漂流的游子，终于开始享受家庭的温暖了。 正在此时，另一场席卷物理学的大风暴正在酝酿中，一群更年轻的物理学家开始聚集在丹麦的哥 本哈根。为首的一位是堪与爱因斯坦比肩的大物理学家。他的名字叫玻尔，比爱因斯坦小七岁，至于 其他的人年纪更小，有的还在攻读硕士学位。 正是这群看似毛手毛脚的小伙子，他们戏剧性地改变了二十世纪人类的命运，从某种意义上说， 比爱因斯坦的的相对论更能激起人们对自然规律的深思，而且他们工作的触角随着时间的推移深入了13人们生活的方方面面。他们理论的一个不起眼的副产品就是半导体，但是没有它今天发展一日千里的 计算机技术便成了空中楼阁。 他们创立的学派叫哥本哈根学派，这是直到今天所有的物理学家听到都会肃然起敬的名字。他们 创立的学科则叫量子力学。 与相对论相比，他们从微观方向向经典物理发动了攻击。这是一场难度更大的战斗，注定不能仅 由一个孤身作战科学家象爱因斯坦一样传奇般地完成。这也是他们尽管在物理学史史上留下一连串闪 光的名字，但在舆论界反响平平的原因。 这更是一场革命，他们遇到的阻力一点不比爱因斯坦小，在前辈成名的大师级人物眼里，他们不 过还都是一群娃娃。他们在遭受了无数的讥讽和白眼后，自然把求助的目光投向已成为物理学界旗手 的爱因斯坦。他的眼力非凡独到，而且向来热心扶植拥有新想法的年轻人。更何况是他最早提出光量 子假说，这不仅使他本人登上诺贝尔奖的领奖台，而且也为量子力学的发展指明了道路，说起来他也 算是量子力学的前辈之一。 然而他们万万没有想到，量子力学从此招来最大的反对者--爱因斯坦本人。这绝对不是因为爱因 斯坦漠视后学上进，而是两派人的世界观根本不同。玻尔那帮人解释世界是采用几率观点，也即在微 观的环境里，所有粒子的运动是没有确定轨道可言的，你只能预测在某一点的粒子出现的可能性是多 大；而爱因斯坦是绝对不相信上帝会允许不确定的因素存在的。 天空顿时又是乌云密布，大论战一触即发。玻尔也是个意志坚定的人，认准了的事绝对不回头； 虽然反对派有爱因斯坦助阵，势力雄厚，他们也没有屈服。好在接二连三的实验提供了坚实的证据， 而且量子力学的体系本身也在爱因斯坦无数次严酷的考验面前愈发显得完美无缺。 到本世纪二十年代末，世界上绝大多数物理学家的工作都转向量子力学方向来了，对面只有爱因 斯坦还在单枪匹马地叫阵，直到去世他都无法容忍量子力学的存在。 上帝开了个很大的玩笑，一生蔑视权威的爱因斯坦最后也扮演了压制新思想的权威的角色。还是 哲学家罗素一语中的，唯一的历史教训就是忘记了历史教训。 那么从那时到爱因斯坦去世还有漫长的几十年，爱因斯坦在忙些什么呢？原来他把毕生的经历投 入了另一场空前难度的努力--&统一场论&。 当时人们知道世界上称的上是力的只有两种，引力和电磁力，而爱因斯坦一直的工作是想把所有 的物理几何化。他苦苦寻找到底四维时空究竟有何性质可以把电磁场容括进去。但电磁场似乎也继承 了它的创建者麦克斯韦那苏格兰人特有的顽固性，拒绝和爱因斯坦妥协。他花了十年的时间才使引力 场几何化，然而还要花多少年才能将电磁场归入这一体系呢？ &最多三十年吧。&爱因斯坦摸了摸还算茂盛的头发，暗暗地安慰自己。没有人会想到这一努力就 是一辈子。 此时的爱因斯坦已偏离了物理学研究的主流，就象几年前搞广义相对论时一样，他又默默地将自 己与外界隔了开来。学术界很长时间没有听到爱因斯坦的消息了，虽然他们每次会议都保留了爱因斯 坦的席位以示尊敬，但热心的新闻界还是不时地制造一些耸动的消息来提醒人们不该忘记这位孤独的 勇士。一次， 《纽约时报》花了整整一版印上了令专业人士都费解的数学符号，并郑重地宣布：&爱因 斯坦的新理论试图包括：行星的旋转，光线的疾驶，地球的引力，钻石的光泽，镭元素的不稳定性， 轻的氢和重的铅，通过线圈的电流，物质，能量，时间，空间。& 物理学家们几次呼吁爱因斯坦出山，加入到他们的行列中来。其时的量子力学正方兴未艾，许多 神妙的现象亟待解决，他们不希望这么一个天才的头脑去从事当时看来显然无望解决的问题，当然他 们更不希望失去一个德高望重的领袖。情形仿佛当年万众呼唤弃离物理学的牛顿一般。 爱因斯坦没有听到万千的同行们心底的呼唤，在以后的日子里甚至很少出席正规的国际物理学会 议，而宁愿在出访一些普通的学校时面对激动无比但大部分不懂物理的年青人讲述自己的想法。三十 年代初，他在英国访问期间，没有去剑桥大学，而是来到北英格兰的一所普通的女子学校去演讲统一 场论，在众人兴奋而迷惑的眼光中一边深思，一边在黑板上断续写满了复杂的张量公式，这是统一场14论中必不可少的数学工具。受宠若惊的校方将这块黑板珍藏起来直到今天。 更出爱因斯坦意料外的是原本在柏林平静的生活亦出现反复。他没有想到毕生热爱和平的自己竟 会长年置身于历史上最大一场战争的策源地。早在一战期间，他就和一些科学家在反对战争的声明上 签字。一战的结果是德国战败。在德国重新站起来后不久，有人就在总结失败教训时痛斥背后&卖国& 的三种人：和平主义者，知识分子，犹太人。不幸的爱因斯坦三者都占全了。 1933 年 5 月 10 日的夜晚，群情骚动的学生举着纳粹的标记，疯狂地喊着&希特勒万岁&，在柏林 大学周边的广场上将堆积如山的书籍点着。在熊熊的火焰中可以看到，摞在最上层的赫然便是爱因斯 坦著的相对论。 此时的爱因斯坦正在大洋彼岸的美国的一家旅馆里发愣，几天前他就听同事们说起在柏林哪里的 报馆被查封，哪条街的犹太人开的商店全部遭到洗劫。看来，德国是回不去了，现在的柏林不仅容不 下一个犹太人，也容不下一张书桌了。 望着漫天的星斗，爱因斯坦又一次陷入沉思：难道颠沛流离的日子又开始了么？ 当爱因斯坦得知纳粹当局抄了他在柏林的家并悬赏两万马克买他的人头后， 他毅然决定留在美国。 不久，德国人将成千上万的犹太人驱赶入集中营的消息传来，爱因斯坦更是痛心疾首，他痛恨那些留 在柏林普鲁士皇家科学院和柏林大学的同事们为什么不竭力阻止政府疯狂的举动。 素来不通事务的爱因斯坦到此时还如此天真，他不明白在一个专制的国家里知识分子噤若寒蝉的 处境。连曾辉煌一时的普朗克亦遭厄运，但出于一个日尔曼人对祖国和民族天生的忠诚，他坚决不离 开国内。他掩护过千百犹太籍的科学家，但也为此遭到希特勒的将他送入集中营的警告。在战争末期， 他和普通的德国人一起一边排着长龙等待发售面包，一边警惕着头顶上盟军飞机的炸弹。 爱因斯坦决定在宁静的小城普林斯顿安静地度过自己的余生。此时的爱因斯坦也明白穷尽一生也 未必能给出统一场论一个合理的说法了。但是他并不后悔，科学的发展总是要走弯路的，何况他觉得 这未必是弯路，人类总有一天会认识到统一的重要性的。 有一次，他和一个助手谈起这几十年的奋斗，曾提到统一的尝试总是要有人作的，但年青人不适 合干，因为它会毫不留情地吸光人一生的心血；至于自己，反正已经功成名就，正适合干这个。 看来真的是天妒英才，爱因斯坦当时走得过早过远，因为后来人们才认识到自然界不是仅有两种 力，还有强相互和弱相互两种作用力。若勉强就把仅知的两种力统一，根本就是幻想。但爱因斯坦在 轰然倒地的同时，手臂依然指着前进的方向。统一，统一，这是千百年来物理学家的最高梦想。 时光流逝到 1979 年， 此时身在天堂悠闲地叼着烟斗， 拉着小提琴的爱因斯坦若不经意地看一下人 间诺贝尔物理奖的领奖台，他会开心地微笑的。这年的奖金由美国人格拉肖和温伯格，巴基斯坦人萨 拉姆三人共享。他们的贡献是将四种力中的弱相互作用力和电磁力统一起来，人类朝统一的终点迈出 关键的一步。 爱因斯坦在普林斯顿的晚年留下很多有趣的故事。包括他如何在比利时王后的御笔题诗的背后打 草稿啦，如何穿着短裤拖鞋出席宴会啦，如何把一千美圆的支票当作书签乱夹结果弄丢了呀，如何忘 了自己的家竟然打电话到家里问自己住在哪里啦。 一次，一个放学的小姑娘看到爱因斯坦蓬头垢面地走在人行道上，仿佛从童话书中走出来的一 般，她好奇地跟了一段，然后回去把这个人当作新闻讲给她正在吃饭的父亲听，她父亲登时放下刀叉， 神色郑重地望着她说道：&我的孩子，记住这一天吧，今天你见到了世界上最伟大的人！& 爱因斯坦本人从来没意识到自己的伟大。一次，当犹太人自己建立的国家以色列慕名专程请驻 美大使请他回国担任总统时，爱因斯坦婉言谢绝了，他的理由是我对自然界还知道一点点，可是对于 社会的事情我什么都不知道。 随着年事日高，亲朋好友一个又一个先他而去，先是他的大女儿，然后是多年合作的伙伴格罗斯 曼教授。 在他的葬礼上， 爱因斯坦的悼词中写到： &作为普通人的眼光看， 你永久离开了我们这个世界； 但在我们物理学家都坚信，所谓空间和时间都不过是人脑中一种执著的幻像而已。& 但是伴他多年的夫人埃尔莎的死对他是沉重的一击，自此他衰老得更快了。幸亏他的妹妹专程赶15来陪他，使他的精神稍有好转。当妹妹亦身患重病离他而去时，他自己亦知时间不远了。 在最后的日子里，他仍没有放弃自己的工作，要命的数学公式始终不断地在脑中徘徊。在 1955 年 4 月 17 日的深夜， 躺在病床上的他终于感到自己要蒙幸上帝的召唤了， 也许在那里上帝会告诉他统 一场论的谜底，想到这里，他艰难的笑了一下。 他是无法想象第二天全球会以怎样的悲痛来送走他这位人类世界最伟大的儿子的。 当护士小姐匆忙的脚步声出现在他的床前时，爱因斯坦已经快不省人事了，弥留之际他含糊地用 德语吐出两个词，可是没人听懂。可能他在怀念德国，这片让他一辈子爱恨交织的故土。也可能在说 统一场论，这个耗尽他后半生心血仍未果的怪物。 窗外，一片树叶静悄悄地落了下来。宇宙物理学简史1964 年 5 月的一天早上， 美国贝尔实验室刚建成的大型射电望远镜基座旁边就出现了一个蓬头散 发的年青人。他望着天空纵横交错的天线默默出神了半晌，然后回到控制室里，问的第一句话便是& 威尔逊，你找到了那该死的噪音来源了么？&威尔逊是一直埋头在记录仪上的那个身形瘦高的小伙子， 他神色疲惫，双眼都是血丝，站起来茫然地摇摇头。 也无怪两个年青人如此焦急，他们二人一个毕业于哥伦比亚大学，一个毕业于加洲理工大学，但 都是刚来实验室不久，主任就把最新研制成功的天线交给他们，也算是青眼有加了。 他们二人都在这部天线上花了极多的心思，彭齐亚斯制出液氦制冷的低温射电噪声源，威尔逊造 出性能优良的转换开关，使得天线的探测效率几乎是 100%。他们正准备大干一番的时候，却意外地 发现在 7 厘米附近的波段处总是有大约 5K 左右的噪音，无论他们怎么改变天线的方向，调整内部的 电路却总是消除不了。 突然彭齐亚斯望着天边飞翔的鸽子，灵机一动，莫不是这些家伙在捣鬼？他二话没说就搬起梯子 爬上天线，果不出所料，这些可恶的鸽子在上面作了窝，除了一堆鸽粪之外，居然还有几只毛茸茸的 幼雏，他将天线打扫干净，回去一看，噪音倒是减小到 3.5K，但这 3.5K 是无论如何也摆不脱的了， 他们甚至考虑过两年以前美国爆炸的氢弹的影响，都解释不通。更奇怪的是这种噪音无论春夏秋冬都 是不变，倒似亘古以来就一直存在一般。 不错，它的确很早就存在，而且这一&早&少说也是几百亿年以前。诚如在 1978 年诺贝尔物理奖的 授予仪式上大会主席说的那样：&彭齐亚斯和威尔逊先生所接收到的讯号，意义非常重大，因为这是人 类第一次听到宇宙诞生时的声音。& 当我们仰望浩瀚的夜空，一个很自然的想法便是我们这个宇宙究竟有无起点，如果有，那究竟又 是如何诞生的呢？千载以来，无数哲人智者莫不为此冥想苦思。 每个民族在流传的神话都有对宇宙起源的解释。圣经中记载，上帝第一天创造了光明和黑暗，第 二天创造了天空海洋，第三天便有了大地，到了第六天上帝便仿照自己的模样捏出了人类，第七天上 帝已经无事可做，是日成为休息日。中国人的想象更是奇瑰，力士盘古挥动巨斧，混沌立劈，浊者顿 落为地，轻者飘扬为天。 当人类走出蛮荒之后，这个解释的任务先是着落到哲学家身上，但在牛顿力学诞生以前一切都不 过是凭空玄想。后来大物理学家拉普拉斯力著《天体力学》一书出世之后，各种天体现象才得以近乎 完美的解释。自此牛顿力学成为天文学中首要的分析工具，几百年来直是无往不利，日食，月食，彗 星等让古人胆战心惊的奇观异象在简明的力学方程式下无所遁形，而 1846 年发现的海王星和 1930 年 发现的冥王星更是充分显示了牛顿力学的巨大威力。 但是，即便牛顿自己也无法说明整个世界是如何运动起来的，无奈之下他只能幽默地说上帝曾经 踹过一脚。 只有到二十世纪另一位奇才爱因斯坦怀抱着他那著名的广义相对论蹒跚走来的时候，人们才在这 个千古谜题中寻到找到一丝端倪。16爱因斯坦刚发表完广义相对论之后便大病一场，很多朋友都忧心忡忡地赶来看他，在病床上爱因 斯坦尽管面色惨白，但仍是笑意不减，他反而安慰朋友道：&好在广义相对论已经发表出来了，现在我 即便是死了那也是心满意足。& 广义相对论的确为人类对宇宙的认识开辟了崭新的道路，也无怪爱因斯坦如此引以自豪。他病情 稍有起色，便挣扎下床，开始借助广义相对论推导新的宇宙方程，如果此方程能解，那么宇宙的秘密 当真便可破解。 爱因斯坦毕竟功力非凡，不久著名的引力场方程便公布于众。但此方程是一个以四个时空坐标为 自变量，10 个未知数的二阶非线性偏微分方程，要解决它实在需要非凡的勇气。爱因斯坦还未来得及 动手，另一位著名的理论物理学家史瓦西先假设物体处在真空中，便找出了第一个严格解，是称史瓦 西度规，在这种度规之下，光线在引力场中的偏转，水星近日点的进动都得到合理的说明。 史瓦西接着计算了密度是常数的星球周围的引力场，得出的结论却着实让他大吃一惊，在第二个 解中存在一个半径（史瓦西半径） ，当星球的半径小到史瓦西半径之内的时候，便会产生十分奇异的现 象。 该星球上的讯息与外界是全然断绝，连光线都只能在奇点之内打转，如果有什么物体一不小心落 入它的引力场范围之内，那更是永世也别想出来的了。 这便是著名的黑洞，黑洞里的世界处处透着古怪，根据广义相对论的证明，在黑洞视界以内的物 体是永远不能静止的，它唯一的选择就是以越来越快地速度向着中心跌落下去，因此，在黑洞的中心 点到史瓦西半径之间空荡如也。在黑洞中心处由于密度极大，会形成很强的起潮力，任何物体在下落 的过程中都会被轻易地裂解为各种粒子，这一点希望引起那些渴望到黑洞里猎奇的朋友们的注意。 史瓦西的这个解奠定了整个黑洞物理学的基础，此后在 60 年代克尔等人又找到另一个轴对称解， 被称作克尔度规，在此基础之上又有克尔黑洞。寻找黑洞一直是天体物理学界最热心的一个话题，但 从四十年代一直到九十年代始终没有找到确凿的证据。黑洞匿身于广袤的宇宙之中，又从来不发出光 波等电磁信号，要找到它谈何容易。唯一的希望是光线经过经过黑洞附近时在强大引力的作用下发生 偏转，就象经过凸透镜一般。如果能发现一条星光在某处莫名其妙地被弯折了，那便离黑洞不远了。 史瓦西本人从二十四岁起便在天文台工作， 他的理论物理的工作大多是和实际的天文观测相关的。 他目光如炬，对各种新思想反应尤为敏捷，他的数学灵感相比数学才能而言更是让人惊佩。在极度复 杂的物理现象面前，能很快地找到物理本质，并且能在浩如烟海的数学中很快寻到需要的工具，这一 点连爱因斯坦也是倍加称颂。只可惜天妒英才，史瓦西年仅四十余岁就因病长逝，闻者无不扼腕叹息。 爱因斯坦的这个方程的前提条件是宇宙是一个静态宇宙，就象一个球面一般，有限却没有边。如 果我们生活在二维的平面空间，就会理解到在一个球面上那是怎么也走不到头的，但偏偏这个球还是 体积还是有限的。 爱因斯坦设计出这个有限无边的思想乃是大有深意的。 早在 1826 年一位名叫奥伯斯的物理学家就 曾关于宇宙是否有限的问题提出著名的奥博斯佯谬。 这位先生脑筋中转动的念头是： &何以夜间天空不 象白天一般明亮？& 在一般人看来简直该把他送入精神病院里去，但奥博斯却是振振有词，&我的想法是大有道理的， 只需我们承认以下的假设，宇宙空间是无限的，在宇宙空间中充满了发光的天体，因而空间密度是一 个常数；光的传播规律处处一样，时间也是无限的，而且从整体上讲恒星的寿命也是无限的。如此我 们就可以轻松推导出以下的结论，白天和黑夜的天空应该是一般明亮的。& 推理的过程并不复杂，稍有数学知识的人便能理解，问题不是出在推理上，而是在前提条件中。 到底是哪一条出了问题呢？空间的密度不是常数么？就空间中某一个点来看当然不是常数，但站在整 个宇宙的角度来看便是成立的？每个恒星固然是有生有灭，但恒星何其多也个别恒星的衰亡丝毫不会 影响到整个空间中恒星的数目，只有一种可能，我们的空间是有限的。 一直以来没什么人认真对待奥博斯佯谬，爱因斯坦却很小心地解决了这个问题，空间是有限的， 然而没有边际。但他提出的这个名躁一时的引力场方程并没有想象中那么成功，最严重的错误是爱因17斯坦作出了宇宙是静态的假设。 而实际上，宇宙是膨胀的！ 最早观察到这一点的是二十世纪的天文学之父哈勃。 哈勃 1889 年出生于美国的密苏里州， 毕业于 芝加哥大学天文系，后就读于英国牛津大学，他一度转攻数学，不久就发现太过繁难又改读法学，并 获得博士学位。回国后他开办了一个律师事务所，生意正蒸蒸日上之机，他却放弃了律师职业，而来 到著名的威尔逊天文台，孰料正赶上战争爆发，他不得不征战沙场，等他彻底在天文台安定下来之后， 已过而立之年，但此后他的一项项观测成果终于还是轰动了整个世界。 1929 年哈勃在《美国国家科学院会议文集》上发表了&河外星云的距离与视向速度之间的关系&， 在该文中，哈勃根据有关旋涡星云距离的定量数据，提出著名的哈勃定律： V=DH 其中 V 就是星云的视向速度，D 是星云的距离， H 是哈勃常数。 这是一个简明的线性关系，而且天文观测的数据又吻合得极好，很快大家都接受哈勃的想法。所有人 的宇宙观都经历自哥白尼时代以来最大的一场变革，宇宙是膨胀的！整个宇宙的各个部分都在彼此远 离，而远离的速度随着它们之间距离的增加而增加。有人当时就提出猜想，那个神秘的哈勃常数只怕 和整个宇宙的年龄是相关的。 但哈勃本人的意见倒是大出人意料之外， 他并不认为哈勃定律一定导致宇宙膨胀的结论， &很有可 能的是，红移现象（星云向远方运动）意味着某种迄今尚未认知的自然真理&，这是他在最后一篇学术 论文中作的评论。 他始终没有意识到哈勃常数的重要性，但这个常数无疑是宇宙的演化历程中至关重要的，后来以 哈勃为名的太空望远镜升天的一个很大目的便是准确测定哈勃常数，这大概是哈勃生前万万没有想到 的。 宇宙膨胀的消息传到著名物理学家迦莫夫那里去的时候，立即引起了这位学者的兴趣。 乔治•迦莫夫出生于俄国，自小对诗歌和几何学深感兴趣，13 岁的时候曾得到一件终生难 忘的礼物--一架小望远镜，这使他拥有了渴望成为物理学家的梦想。 在列宁格勒读书的时候，他与朗道结为好友，朗道与他个性大是不同，迦莫夫身材高大，一头金 发，逢人都是一幅笑脸，他是个幽默大师，凡他出现的场合总是笑声不断，而朗道心性高傲，连话一 般都很少说。二人的学术风格也迥然相异，迦莫夫曾被戏称有始以来最为出色的&业余&物理学家，这 是因为他对物理学始终抱着一种孩童般的心态，对什么感兴趣便马上投入，一旦兴尽便退出游戏，而 朗道则十分严肃认真，任何问题一经他手不弄个水落石出是不会轻易罢手的。 迦莫夫是物理学家弗里德曼的得意门生。 弗里德曼曾在爱因斯坦之后提出了重要的宇宙膨胀模型， 迦莫夫也成为宇宙膨胀理论的热心支持人之一。 1928 年，他来到了哥本哈根见到了玻尔，很快他便成为玻尔研究所最受欢迎的小伙子。迦莫夫在 那里留下了很多轶闻趣事。 有一次他和玻尔一起去卢瑟福家中作客，老实的玻尔经不起迦莫夫的一再撺掇，骑上了卢瑟福的 一辆老式摩托车。玻尔的驾驶技术本来就不佳，偏偏背后还带上了迦莫夫，并且晃晃悠悠地开到了最 繁华的街道上去，结果中途不幸熄火，整整一条街都被他们堵得严严实实，最后还是卢瑟福跑来解了 围。 自然卢瑟福气愤之极，挥起拳头警告迦莫夫道：&弄坏了摩托车倒是小事，如果玻尔有什么好歹， 全世界的物理学家不把你撕成碎片才怪！ &事后迦莫夫把这件写在一首打油诗中， 研究所里读到此诗的 人无不捧腹。 迦莫夫的才华很是受人瞩目，在量子力学诞生后的各个新兴领域总是由他开出漂亮的第一炮，但 是当大家全力以赴地准备把工作进行下去的时候，迦莫夫却打起了退堂鼓，在他眼中一堆人挤挤攘攘 就远不那么好玩了。 在研究所的讨论会上迦莫夫的意见是很受重视的，奇怪的是玻尔的意见经常和他相左，而很少与18人当面辩论的玻尔也和迦莫夫却争执不停。后来迦莫夫建议玻尔两人干脆都买上一支玩具手枪，发生 辩论的时候谁先掏出枪谁便是赢家，他们两人当时都是美国西部牛仔片的忠实影迷。可是每当迦莫夫 情急之下想起掏枪的时候，玻尔早已经端起手枪微笑着对准了他。 1940 年前后，迦莫夫的注意力又重新转移到宇宙学方面来，这次他大概意识到了青年时的唐突， 静心想作出一番大事业出来。在此期间，他提出了著名的宇宙大爆炸理论。 在三十年代盛行一时的宇宙膨胀理论因为给出的宇宙年龄的预言与恒星的寿命不符而几乎被人掘 弃，连爱因斯坦都认为宇宙理论还要修改，在此情形下霍伊尔等人提出的&稳恒宇宙&的观念便占了上 风，他认为在宇宙膨胀的同时中心应该有大量的新物质生成。 但迦莫夫对此是很不赞成的，尤其霍伊尔认为除氢以外的各种元素都起源于恒星的形成阶段更是 不满，他一向认为元素的形成是在宇宙瞬间的膨胀中完成的。 紧跟着迦莫夫提出新的设想：在宇宙早期的膨胀过程中，密度极高的自由中子迅速地复合成各种 核素，在稍冷之后便通过β 衰变形成质子，于是各种性质不同的元素就此宣告诞生。这篇具有重大意 义的论文是他和学生阿尔法(alpher)合作完成的，而另一位著名的核天体学家贝特(Bethe)却意外地发现 了自己的名字也被署了上去，原来迦莫夫出于幽默，在阿尔法和自己的名字之间加上了贝特的名字， 这样三个人的姓名连成一串，阿尔法，贝特，迦莫夫，念出来正好希腊字母表上三个排头的字母α β γ ，而且还是当时发现的三种射线的名称。 许多宇宙演化的重要过程都在迦莫夫的理论中有所展示，大爆炸理论的基本框架已经完成了，迦 莫夫雄心勃勃地提出了他的预言，既然在宇宙的早期辐射占着优势地位，那么直到今天还应该残留有 大爆炸时的辐射信息。他经过精心的计算，认为一定还有大约 5K 的背景辐射温度，这种辐射应该是 无时不在，无处不在的。 然而天不遂人意，此后几十年时间里竟没有人找出丝毫的证据。迦莫夫也心灰意冷，想不到平生 第一次全心投入的工作就这般了了收场。 直到 1964 年两位美国的年青人彭齐亚斯和威尔逊偶然间才发 现了背景辐射温度，从而直接验证的大爆炸理论，引起了极大轰动，而此时的迦莫夫已经病体恹恹， 行将就木了。 迦莫夫的大爆炸理论后来经迪克和皮布尔斯等人的完善，已经被公认为最能解释各种观测资料的 宇宙学理论。而哈勃常数几经修改，已经确定为 50--100 公里/秒，由此可以估算出宇宙的年龄大约在 100 亿至 200 亿年之间，这与最古老的天体的寿命大致是吻合的。 我们来想象一下宇宙诞生时那动人心魄的图景： 大约 200 亿年以前，整个宇宙是一个密度极高的原始原子（想象一下整个宇宙的质量都集中在那 里！，温度也是极高，大约是一万亿度，在某一瞬间爆炸突然发生了，早期弥散在空间的主要是光子， ） 正负μ 介子，正负电子，中微子，少量的质子和中子等等。 当温度降到一千亿度之后，正负μ 介子开始湮灭，中子也开始衰变为质子，但这只是在不到一秒 钟的时间里完成的。 在爆炸 30 分钟后，温度降低到十亿度左右，此时的质子和中子便可以&安静&下来合成氢氦之类的 轻元素了，在此温度之上所有的粒子都是无法靠近在一起的。 在大约两千年的时间里，整个空间仍是实物较少，而辐射的能量居多，宇宙中纵横交错的大多都 是光子，物质的质量大多以能量的形式存储在这些光子中。 温度再降低时，各种在高温下电离的物质慢慢复合成中性物质，此后物质和辐射不再耦合在一起 而开始各自独立的演化。辐射场的温度还在不断降温，直到今天我们探测到的大约 3K 附近。而物质 则在某些扰动之下开始凝聚成团， 10 亿年后开始形成星系， 在 以后经过大约一百亿年宇宙就演化成今 天的样子。 宇宙从诞生到今天的这段历史大抵就是如上所述，除了中间的一些细节（如星系形成的过程）之 外都已经清楚了。但有些人更关心宇宙以后演化的趋势，根据弗里德曼宇宙模型，这取决于宇宙当前 的密度，当它小于临界密度时，整个宇宙便是开放的，它将继续无限制地扩展下去；如果大的话，那19么宇宙膨胀到一定程度之后就开始收缩，并且一直缩到大爆炸以前的状态，然后再爆炸，再收缩，如 此往复，直至无穷。另外我们根据红移极大的星体的哈勃图也可以作出判断。 现在的观测结果表明宇宙的密度小于临界密度，应该是开放的，但我们利用类星体的红移关系求 出来的结果却指出宇宙应该是闭合的，这中间明显存在着矛盾。 可能的原因是宇宙中存在大量的暗物质还没有被人发现， 我们观测的密度仅仅是那些发光物体的， 而同时类星体的哈勃图也存在这样那样的问题，因此我们这个宇宙今后的走势仍是一个未解之谜。物理学的开端每一个故事都有开头，我们又从哪里说起呢？ 距今两千多年以前，在欧洲巴尔干半岛的南端，美丽的爱琴海沿岸。群居民静静聚居在雅典城附 近，过着日出而作，日落而息的静谧生活。 他们的文明按照当时标准的评价也许不值一哂，在此多年以前埃及人就建起了宏伟的金字塔，美 索不达米亚平原上纵横交错的运河更是惠泽万代，甚至领邦悍勇善战的斯巴达人也远瞧他们不起，雅 典城里的那些人么，一一听到战鼓就后退，一见到血腥就颤抖，他们不过是一群悠闲堕落的商人和懦 夫罢了. 还有比他们更奇怪的人么， 敌人都快兵临城下了， 议会大厅里无聊的公民们还在发表自己的高见； 盛夏剧院里居然数万人和舞台上几个带面具的戏子同悲同喜；那里最受尊重的不是满身创疤的武夫， 而是口若悬河的雄辩家，下笔如神的剧作家，和??一些疯子。 那时侯没有思想家这个词语，但整日望着天空发呆的人不是疯子吗，胆敢鼓动年青人否定神灵的 人不是疯子么，只知躲在屋内写画一些奇怪符号的人不是疯子吗，在一起只是大谈逻辑之类枉费人神 的人不是疯子吗，他们中间固然有一些人颇受贵族们的青睐，从而得以开学授徒，著书立说，但更多 的人则喜欢隐逸民间，最极端的干脆流浪街头，过着最是贫贱的生活。 他们所追求的不是金钱，不是名利，不是宗教上的虔诚，只是一种模糊的理性美。王者的话语是 靠不住的，天神的预言也有不实之处，要想真正弄清楚这个世界究竟是什么样的，不妨走得远一些， 再远一些，静静地坐在橄榄树下，用一种审慎目光重新将凡间的万事再扫视一遍，终究会有所得的。 &不懂几何者严禁入内。&这是柏拉图神学院，世界上最早意义上的大学门口的几个粲然大字，即 便是名赫一时的王公贵族走到这里也会赧然避开，可以想象当地球上第一批的思想家们寻到数学这样 一件不带任何主观色彩的利器时，那是如何的骄傲而自豪呀。 数学早在几千年以前，就被埃及人和巴比伦人用于买卖商品，丈量土地，甚至他们还制定了年历， 绘制了星图，这些不过是为了实用或宗教，但一到希腊人手中，立时神威尽显，借助数学，他们的目 光更加敏锐，理解的事理更加深透，从那时便萌生了真正意义上的物理。 早期的数学是和某种神秘主义联系在一起的，这里要提到的是毕达哥拉斯，形式上的演绎推论便 是自他开始。他最是钟爱自然数，这是他从琴弦上发现的秘密，仅当弦长之比为为简单的自然数之比， 例如 2：1，3：4 等才能发出悦耳的声音，这大概是历史上最早用数学表述的物理定律了。 毕达哥拉斯甚至还想更进一步，不光琴弦是和谐的，宇宙的万物都应该符合这一至高准则，虽然 最终神秘主义将他推到科学的对立面上，但这种对自然界美的追寻已经为历代物理学家终极使命。 另一位大师名叫德谟克里特，是原子论的创始人。很难想象几千年前就有人敢断言我们这个世界 是由无数不可分割的，肉眼不可见的粒子组成。他把这些粒子命名为原子，一共有四种，干燥而重的 石原子，潮湿而重的水原子，冷而轻的气原子，热而易变的火原子，万物便是这些原子的组合，土壤 是水原子和石原子组成的，植物则是土壤中的水原子和石原子与阳光中的火原子结合成的。 这些观点以今天的眼光来看未免粗鄙可笑，但在当时的条件下有如此见解，也算是很了不起了， 何况这确实为后世的物理化学奠定了基础。从德谟克里特玄想中的原子论到道尔顿提出真正科学意义 上的分子论，却也足足过了两千年。 混沌之中物理学又向前迈进了几百年，一直到大哲学家亚里士多德手中才算真正开张了起来。亚20里士多德乃是一位兴趣极为广博的哲人，很多学科都是他给取的名字，包括生物学，哲学，逻辑学， 物理学也是他从希腊文 （意为自然）中推演而来的。 但只怕亚里士多德本人对物理学的最大贡献也就仅仅是给它取上了一个动听的名称而已，他采用 的一套说明物理的方法很是符合日常的经验， 譬如物体从来都是静止的， 除非你用力推它才开始运动， 这些浅陋的观点在今天即便是刚学物理的初中生也会直斥其非。然而他最大的错漏尚不在此，而是把 数学掘弃到物理学之外，这可能是所有幻想仅通过哲学的思辩便能通晓天下事理的思想家的通病。偏 偏这种错漏被人们一继承便是千年之久，传到后世的神学家手中时，所谓物理学已经被歪曲到惨不忍 睹的地步。 相形之下真正具有生命力倒是阿基米德的力学。阿基米德也是古希腊有数的大科学家，但他的成 名之路与亚里士多德颇有不同。亚里士多德除了自身知识渊博之外，还因他是亚历山大大帝的老师； 阿基米德则凭借保卫祖国的大军事工程师的身份而声名鹊起。 在他的时代，所谓学者都是一些行在天上，不食人间烟火的异人，象阿