馮八飛

戰(zhàn)火下的廣義相對論

馮八飛

馮八飛，對外經(jīng)貿(mào)大學(xué)外語學(xué)院德語系教授、北京外國語大學(xué)博士、柏林洪堡大學(xué)博士后、洪堡大學(xué)語言與語言學(xué)系博導(dǎo)、德國語言研究院國際科學(xué)家委員會委員、中國認(rèn)知語言學(xué)會常務(wù)理事，曾出版《沉浮萊茵河》《永遠(yuǎn)的白玫瑰》《大師的小樣》等作品。

1914年4月愛因斯坦到柏林，6月2日在普魯士科學(xué)院發(fā)表院士就職演說，話音未落，8月1日第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，德國絕大部分知識精英立刻投入狂熱支持德國的“愛國”熱潮之中，愛因斯坦卻冒天下之大不韙加入反戰(zhàn)聯(lián)盟“新祖國”。德國皇后御醫(yī)尼可萊隨德皇東征西討，血淋淋的死亡讓他變成堅(jiān)定的反戰(zhàn)主義者，他說：“現(xiàn)在我才真正認(rèn)清戰(zhàn)爭。這些過去的惡魔對我們這些新時代的人擁有怎樣可怕的威權(quán)??！今天我憎恨戰(zhàn)爭——至少憎恨20世紀(jì)的戰(zhàn)爭！”他起草了《致歐洲人宣言》,愛因斯坦毫不猶豫簽下名字，頓時遭到廣大“愛國”科學(xué)家的瘋狂圍攻。愛因斯坦曾這樣描述自己的處境：“我現(xiàn)在德國被稱為德國科學(xué)家，在英國被視為猶太人。如果我的科學(xué)理論被推翻，情況肯定大變：我在德國會被視為猶太人，而在英國被稱為德國科學(xué)家?！边@時狹義相對論漸為人知，愛因斯坦已是學(xué)術(shù)明星，但他堅(jiān)定主張和平主義卻讓德國右派恨得眼中滴血，因此愛因斯坦在柏林期間心情非常不好，與馬蜜娃的離婚爭執(zhí)更是雪上加霜。1915年12月愛因斯坦致信貝索說相對論研究進(jìn)展讓他“很滿意”，但人卻“疲憊不堪”。

廣義相對論純粹是戰(zhàn)爭下的蛋。他在1916年寫了10篇論文，包括廣義相對論、自發(fā)和誘致發(fā)射理論、引力波理論、能量動量守恒定律和愛因斯坦—德哈斯效應(yīng)，這年12月還完成了第一本相對論科普手冊《論狹義與廣義相對論》。這個手冊號稱“科普”，其實(shí)等閑物理學(xué)家都看不懂。這是他正式?jīng)Q定將1905奇跡年的相對論定名“狹義相對論”，而1915—1916年之間成型的理論定名“廣義相對論”。還是在這一年，出版社邀請愛因斯坦寫本相對論專著，結(jié)果他光是整理發(fā)表過的文章就花了兩年。文集剛整理完，第一次世界大戰(zhàn)開打，出版擱淺。戰(zhàn)后出版社請他修訂，愛因斯坦卻已紅得再沒時間修訂。直到81年之后（1995），這本書才正式出版。此即四卷本《愛因斯坦論文集》，相對論權(quán)威著作。

然而，世界大戰(zhàn)與離婚都無法阻止愛因斯坦成為人類有史以來最偉大物理學(xué)大師。1915—1917年，在與馬蜜娃分居之后，在人類第一次全球大規(guī)模屠殺同類的腥風(fēng)血雨之中，在德國科學(xué)家充滿“愛國”熱情的歇斯底里的圍剿之下，愛因斯坦在1915年11月完成廣義相對論研究，并將研究結(jié)果分為四次學(xué)術(shù)報(bào)告在11月4、11、18和25日向普魯士科學(xué)院宣讀。因此，按知識產(chǎn)權(quán)分，廣義相對論確實(shí)要算職務(wù)發(fā)明。德國人宣布愛因斯坦是德國人，從科學(xué)產(chǎn)權(quán)角度來看，不能說完全沒道理。

愛因斯坦在第一篇報(bào)告提出滿足守恒定律的普遍協(xié)變引力場方程，在第三篇報(bào)告中根據(jù)這個方程算出外太空星光掠過太陽表面發(fā)生的偏轉(zhuǎn)將是1.7弧秒，同時推算出水星近日點(diǎn)每100年進(jìn)動43秒，完美解決困擾天文學(xué)家60多年的“水星進(jìn)動”難題。在第四篇報(bào)告《引力的場方程》中，愛因斯坦放棄對變換群的不必要限制，建立真正普遍協(xié)變的引力場方程，宣告廣義相對論作為邏輯結(jié)構(gòu)正式落成。

1916年3月20日，愛因斯坦的53頁論文《廣義相對論基礎(chǔ)》發(fā)表于《物理學(xué)刊》，其基礎(chǔ)是愛因斯坦1913年與數(shù)學(xué)家格羅斯曼共同署名的論文《廣義相對論綱要和引力論》。在那篇論文中愛因斯坦負(fù)責(zé)物理部分，格羅斯曼則負(fù)責(zé)將其歸納為數(shù)學(xué)方程式。

這本專著標(biāo)志著廣義相對論的誕生。

對于廣義相對論愛因斯坦非常自信，他公開說根本沒必要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這個理論，但他預(yù)言，如果在日全食時做實(shí)驗(yàn)，一定會成功。

廣義相對論被譽(yù)為人類歷史上單個科學(xué)家所取得的最偉大的科學(xué)成就。

講愛因斯坦實(shí)在躲不過相對論，在下就以業(yè)余愛因斯坦愛好者的身份來講下在下理解的極簡版科普相對論。在下并非物理學(xué)家，說錯了不負(fù)刑事責(zé)任啊。

什么叫物理學(xué)？物理學(xué)聽起來很高深。漢語中什么東西加個“學(xué)”就不得了，其實(shí)“物理”就是“世界萬物到底是什么”，它是跟我們普通人關(guān)系最密切的科學(xué)，因?yàn)槊總€人都會問“太陽是什么”“地球是什么”“人為什么會死”。

物理學(xué)發(fā)源于亞里士多德，他的主要著作之一就是《物理學(xué)》。從科普意義上看，物理學(xué)中探索最大物體——宇宙的理論是相對論；而探索最小物體——原子、電子和微電子的理論是量子理論。愛因斯坦是相對論之父，也算量子理論教父，雖然他本人根本不承認(rèn)量子理論。

最機(jī)智的相對論科普版來自愛因斯坦本人。他晚年與青年學(xué)生談話時說：“如果你和一個美女一起坐了兩小時，你會認(rèn)為僅僅是一分鐘；如果你在通紅的火爐上坐了一分鐘，你會認(rèn)為已經(jīng)過了兩小時。這就是相對論?！?/p>

相對論的偉大并不僅僅在于它說明了美女和火爐與你的屁股的關(guān)系，而是超越了此前人類歷史上最偉大的科學(xué)理論：牛頓力學(xué)。從科學(xué)上說，愛因斯坦的偉大就在于超越了牛頓。21世紀(jì)來臨，英國雜志《物理世界》推出千禧年特刊，由100名物理學(xué)家投票選出有史以來十位最偉大的物理學(xué)家，愛因斯坦力壓牛頓名列榜首。

那么，哪個是牛頓？

艾薩克·牛頓（Isaac Newton，1642—1727）是繼古希臘圣哲亞里士多德之后物理學(xué)世界第一大師。

前面說過，物理學(xué)起源于亞里士多德。

如果一個10公斤的鉛球和一個1公斤的鉛球同時掉下來，哪個先落地？

像我這樣的科普愛好者想都不會想就會說10公斤的鉛球先落地。

亞里士多德也這樣說。他這句話人類信了1900年。

其實(shí)不確。

17世紀(jì)初出了個欺師滅祖的伽利略（Galileo Galilei，1564—1642），這個愣頭青不識好歹地從比薩斜塔上同時扔下大小倆鐵球，兩者同時落地，大家才發(fā)現(xiàn)亞里士多德說得不對。此事蓋棺論定要等到1971年8月2日。那天，阿波羅15號飛船宇航員斯科特在全球電視觀眾注視之下在月球上同時拋下一把錘子和一根羽毛，兩者同時落到月球表面，伽利略在佛羅倫薩圣十字教堂墳?zāi)怪胁沤K于大笑瞑目：想當(dāng)年他因支持哥白尼的“日心說”遭宗教審判庭嚴(yán)厲審判，差點(diǎn)兒像布魯諾一樣被燒死，只好收回自己的話才撿回一條小命。1632年他出版《關(guān)于兩個主要世界系統(tǒng)——托勒密與哥白尼系統(tǒng)——的對話》，居然被以書治罪遭軟禁，339年之后方沉冤得雪。

伽利略1642年去世，同年，他的轉(zhuǎn)世靈童牛頓出生。

按金庸說法，轉(zhuǎn)世靈童功力都比前世更高。牛頓證明金庸是對的。牛頓與歌德的著名情人夏露笛同樣生于圣誕節(jié)，屬于全世界人民幫他過生日的那類幸運(yùn)兒。他被公認(rèn)為英國最偉大的科學(xué)家，身兼物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家等一堆家，是近代力學(xué)開山祖師，提出著名的萬有引力定律和牛頓運(yùn)動三定律，后者被譽(yù)為人類歷史上最偉大的十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。他的萬有引力定律總結(jié)成公式就是，其中m和m是兩個物體12的質(zhì)量，r 為兩物體之間的距離。

看官須知，公元1500年時地球上大部分人的生活仍然與公元前1500年的人差不多，然而，這之后的500年，人類的飲食、衣著、工作、藝術(shù)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、哲學(xué)等等翻天覆地，人類陷入一場偉大革命之中，至今尚未結(jié)束。這革命幾乎都?xì)w功于科學(xué)，而揭竿而起發(fā)動這場科學(xué)革命的，是牛頓。牛頓之前歐洲知識界長期是神學(xué)天下，當(dāng)時歐洲人咸認(rèn)為人類對世界的一切認(rèn)識都來自上帝，亞當(dāng)和夏娃被逐出伊甸園，就是因?yàn)樗麄z結(jié)伙偷吃智慧之樹上的蘋果后不依靠上帝就可以認(rèn)識世界，嚴(yán)重得罪上帝老倌兒，所以他倆的后代——就是俺們——就有了“原罪”，即俺們生下來就是罪犯。幾百年后傳言牛頓被同一棵樹上掉下來的蘋果擊中腦袋，于是就有了萬有引力定律。

牛頓力學(xué)代表作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（1687，康熙二十五年）是在好友、天文學(xué)家哈雷（后來有個老來騷擾地球的大尾巴彗星就以這個人命名）的再三堅(jiān)持下才勉強(qiáng)拿去付印，結(jié)果一炮而紅，被譽(yù)為科學(xué)史上最偉大的十大著作之一。在這本“用最精確數(shù)學(xué)術(shù)語重塑世界”的書中，最基本的觀念就是“絕對空間和絕對時間”，即：在絕對空間中，空間和時間都固定不動。這個話現(xiàn)在說起來稀松平常，當(dāng)時卻是個超級原子彈：此前歐洲人深信天上地下的一切都是上帝老倌兒替咱們安排好的，當(dāng)然也包括空間和時間，怎么會“絕對”？“絕對”的意思就是它們跟上帝沒關(guān)系。

想當(dāng)官，殺人放火受招安。歐洲也這樣。牛頓發(fā)動幾乎否定上帝的科學(xué)暴動，一舉成名，27歲（1669）即被聘為劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)教授，三年后再發(fā)明反射式天文望遠(yuǎn)鏡，46歲時作為大學(xué)代表當(dāng)選國會議員，從此離開科學(xué)。牛頓為研究物理終生未婚，但其理由卻十分搞笑，有他的親筆為證：“保持貞潔的良方并非與不潔念頭作斗爭，而是以職業(yè)、閱讀、冥想或其他方式來躲避不潔的念頭”。

所以，牛頓搞物理的本意并非反上帝。他本意是為了保持自己的貞潔。

牛頓擔(dān)任英國皇家學(xué)會主席長達(dá)24年，不僅是英國科學(xué)界一霸，而且被視為全世界活著的最偉大的人。當(dāng)時世界科學(xué)水平的代表是英國皇家學(xué)會，而這個學(xué)會全體成員畢恭畢敬屏息吞聲地傾聽牛頓每一句模糊不清的話；他不點(diǎn)頭，任何人不能當(dāng)選皇家學(xué)會會員。牛頓62歲被安妮女王封為爵士，1727年3月20日去世后下葬英國名人封神榜西敏寺，墓志銘直接就是萬年馬屁，居然號召大家：“讓人類歡呼如此偉人曾經(jīng)光臨塵世”。他去世前的名言“如果我比別人看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟稀备胺Q史上被讀書人嚼得最爛的一塊饃。

出生晚牛頓45年、素以狂放不羈著稱的英國詩人蒲伯（1688—1744）只表揚(yáng)過一個科學(xué)家，就是牛頓：“自然界和自然規(guī)律都隱藏在黑暗之中，上帝說，讓牛頓出生吧！于是一切都是光明！”

哪個是牛頓？

牛頓，就是上帝之下、人類之上的那個半人半神。這個半人半神創(chuàng)造的力學(xué)，最著名的論斷就是“絕對時間和絕對空間”。

可這個說法有明顯毛?。骸敖^對”就是不依賴于任何事物都獨(dú)立存在?？扇绻鼈兏魏问挛锒紱]關(guān)系，那我們怎能知道世界上存在時間和空間呢？這問題牛頓答不上來，最后只好推到上帝身上。他說絕對時間和絕對空間是上帝創(chuàng)造的。后來康德說絕對時間和絕對空間是先驗(yàn)的，即時間和空間先于人類經(jīng)驗(yàn)而存在，因此我們根本不能懷疑它們是否存在。

因?yàn)榻^對空間和絕對時間這個毛病太明顯，所以批牛頓的人絡(luò)繹不絕。德國哲學(xué)家萊布尼茨批了一回，沒批倒，19世紀(jì)奧地利的物理學(xué)家馬赫又批了一回，還是沒徹底批倒。愛因斯坦橫空出世之前，以“絕對時間和絕對空間”為金字招牌的牛頓力學(xué)經(jīng)兩百多年發(fā)展已臻完美，在解決地球上低速運(yùn)動中的物理問題時取得了無與倫比的輝煌成就，直到20世紀(jì)初，“絕對時間和絕對空間”在物理學(xué)界依舊神圣不可侵犯，當(dāng)時物理學(xué)家都認(rèn)為“后世物理學(xué)家可做的事情已經(jīng)不多了”！

牛頓之后可屈一指的物理學(xué)大師是麥克斯韋（1831—1879），他為電磁理論奠基，曾利用他發(fā)現(xiàn)的“麥克斯韋爾小妖假設(shè)”證明熵（entropy）可以減少，差點(diǎn)推翻熱力學(xué)第二定律。沒有麥克斯韋，就沒有我們的電視機(jī)、飛機(jī)和雷達(dá)。1879年11月麥克斯韋在英國劍橋去世，他去世前八個月，他的轉(zhuǎn)世靈童搶先出生于德國烏爾姆。

他就是愛因斯坦！

愛因斯坦對牛頓非常尊敬，他書房里長期掛著一幅牛頓畫像。第一次訪英時他首先到牛頓墓前獻(xiàn)花，然后才去皇家科學(xué)院作報(bào)告。1942年愛因斯坦應(yīng)邀為紀(jì)念牛頓誕生300周年撰文，他對牛頓的評價是：“只有把他的一生看作為永恒真理而斗爭的舞臺上一幕，我們才能理解他”。

評價可謂相當(dāng)不低。

因此，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)相對論并非要跟牛頓過不去。

但是，相對論卻處處跟牛頓的萬有引力過不去。

牛頓力學(xué)理論認(rèn)為時間與空間絕對不變；速度可以相加；星球之間依靠萬有引力互相吸引，所以不會彼此離開。可當(dāng)時已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明無論火車朝什么方向開，信號燈相對火車的速度都是一樣的；而邁克爾森實(shí)驗(yàn)則證明，無論順著還是逆著地球運(yùn)動，光速都一樣。

這個問題說起來聽不懂，舉個例子吧：你原地不動，詹姆斯朝你扔過一個籃球，你能看到籃球吧？可牛頓力學(xué)說速度必然相加，因此球出了詹姆斯手之后就有一個向你而來的球速，這時球反射到你眼中的速度就是光速+球速，比球未出手前要多出一個球速。如果真是這樣，我們根本看不見籃球賽，因?yàn)檠劬Φ倪\(yùn)動只能達(dá)到光速，永遠(yuǎn)跟不上加了一個球速的籃球。

廣義相對論正是源于對這個問題的追根究底：如果光速不變，時間和距離必須是變量，我們才能看NBA比賽。因此，時間和空間肯定不是固定不變的，也就是說，它們不是絕對的。愛因斯坦的結(jié)論是：時間、距離會因運(yùn)動快慢而變化。在一艘以每秒26萬公里飛行的飛船上，一米的尺子會縮成半米；地球上過了一小時，飛船上的鐘才走了五分鐘。因?yàn)槲覀冊觳怀龉馑亠w船，所以我們很難理解時間和空間的變化，但科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，高速運(yùn)動中時鐘確實(shí)會變慢，時空確實(shí)是變化的，只是因?yàn)榈厍蛏线\(yùn)動的速度太慢，所以我們感覺不到它們在變。

這個理論聽起來平淡無奇，實(shí)際上石破天驚，因?yàn)樗蚱屏伺ｎD的絕對時間和絕對空間，也就從側(cè)面否定了上帝的存在。

隨著廣義相對論的正式發(fā)表，一石激起千層浪，牛頓力學(xué)一統(tǒng)天下200多年的物理學(xué)界當(dāng)場崩潰，反對者搖頭感嘆愛因斯坦這個天才就此精神分裂，連很多愛因斯坦支持者也認(rèn)為他走得太遠(yuǎn)；零星的幾個支持者卻壯懷激烈，堅(jiān)信物理學(xué)的新時代已經(jīng)到來！

后來，物理學(xué)的新時代真的就到來了。

廣義相對論！

看官須知，1905年狹義相對論的出生仿佛如鯁在喉，不吐不快，全世界物理學(xué)家都沒日沒夜思之想之，為伊消得人憔悴，因?yàn)槠仗煜露济靼?，此劍不出物理學(xué)就得徹底歇菜，愛因斯坦捷足先登，不過證明他才思敏捷。愛因斯坦自己也說過，如果他沒發(fā)現(xiàn)狹義相對論，五年之內(nèi)必被他人發(fā)現(xiàn)。其實(shí)洛倫茲和法國大數(shù)學(xué)家彭加萊已無限接近發(fā)現(xiàn)狹義相對論，可洛倫茲不愿打爛牛頓力學(xué)，而彭加萊主要研究數(shù)學(xué)，因此這個成果最后落到愛因斯坦身上。

廣義相對論的出現(xiàn)完全不同。它像一個晴天霹靂，是在沒有任何先兆下橫空出世的，它是愛因斯坦天才最強(qiáng)有力的證據(jù)。可以說，沒有愛因斯坦，今天咱們也未必就能發(fā)現(xiàn)它。沒有任何實(shí)驗(yàn)上的矛盾，沒有任何實(shí)際需求，當(dāng)時地球上也無人意識到它的必要性。即使沒有廣義相對論，也不妨礙火箭發(fā)射、衛(wèi)星上天和計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。

但是，廣義相對論繼狹義相對論之后，又一次掀起了人類時空觀大革命。

這場大革命到底有多大？

翻開初中一年級幾何課本，扉頁里就有一條人所共知的平行公理：“在平面內(nèi)，過已知直線外一點(diǎn)，只有一條直線和已知直線平行?！?/p>

歐幾里德幾何第五公設(shè)。

公元前300年歐幾里德將它寫入《幾何原本》，它和其他幾個公理組成的歐幾里德幾何橫掃世界，隨之導(dǎo)出的大批定理成了人類根深蒂固的觀念：三角形內(nèi)角和等于180度，直角三角形斜邊長度的平方等于兩直角邊的平方（勾股定理），等等。后來笛卡兒在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立解析幾何，催生微積分。

歐幾里德幾何是人類創(chuàng)立千年完美數(shù)學(xué)大廈最重要的那塊基石。在人類文明中，從平常無奇的桌椅到氣勢恢弘的宮殿，從終將毀滅人類的原子彈到俯瞰人間的衛(wèi)星，無不閃爍著歐幾里德幾何直線的耀眼光彩。

1加1難道不等于2嗎？

結(jié)果18世紀(jì)末德國出了個“數(shù)學(xué)王子”高斯（1777—1855）。他是第一個懷疑歐幾里德幾何的數(shù)學(xué)家。他與俄羅斯的羅巴切夫斯基和匈牙利的波爾約分別獨(dú)立提出非歐幾何，經(jīng)艱苦論證，終創(chuàng)與歐氏幾何分庭抗禮的非歐幾何。

正是非歐幾何救了愛因斯坦。他提出廣義相對論之后非常猶豫，因?yàn)閺V義相對論得出的幾何結(jié)果實(shí)在太出乎意料了，連他自己也不大相信。幸虧格羅斯曼向愛因斯坦介紹了非歐幾何之后的黎曼幾何，這才讓愛因斯坦茅塞頓開。

格羅斯曼，是愛因斯坦一生的幸運(yùn)星。

看官須知，這黎曼也是德國人，他緊跟老師高斯徹頭徹尾跟歐幾里德唱反調(diào)，黎曼幾何最基本的原則就是：“在同一平面內(nèi)，任何兩條直線都有交點(diǎn)”。

黎曼根本不承認(rèn)平面內(nèi)存在平行線！

看官須知，如果讓愛因斯坦自己創(chuàng)造一套新幾何，縱使有格羅斯曼幫助，也勢必如挾泰山以超北海，在所不能。想當(dāng)年，高斯的高足黎曼為這套幾何可是耗盡了一生的心血。

黎曼幾何讓愛因斯坦明白，我們身在其中的這個空間并非簡單的長、寬、高三維空間，這個三維空間實(shí)際上還得加上時間，因此它是一個四維時空，它并非人類一直相信的那樣平直，而是一個彎曲空間。

說了半天，到底啥子是“彎曲空間”？

彎曲空間就是，如果你站在地球邊上向宇宙發(fā)出一束光，若干年后，如果地球還存在的話，你會發(fā)現(xiàn)光從你背后繞了回來。也許將來有個新麥哲倫船長駕駛我們今天無法想象的超光速宇宙飛船航行宇宙一圈從背后返回地球，那時我們才會真正相信我們的宇宙是圓的。

愛因斯坦是對的：宇宙空間遵循的是黎曼幾何，而不是歐幾里德幾何。當(dāng)你精確測量空間三點(diǎn)連成的三角形之內(nèi)角和，你會發(fā)現(xiàn)它大于180度。歐幾里德空間是平直的，而黎曼空間是彎曲的，它的彎曲程度取決于空間中物質(zhì)的分布，物質(zhì)密度越大的地方（比如有個太陽或者黑洞懸在那兒），引力就越大，相應(yīng)地，空間彎曲就越厲害。

兩點(diǎn)之間直線最短，這沒問題吧？

實(shí)際上，最短的是條曲線，即愛因斯坦提出的“世界線”。

啥子是世界線？

歐幾里德幾何中，兩點(diǎn)間最短的距離是直線。在地圖上的北京與紐約之間劃條最短的線，那條線就是直線。可你找個地球儀，再在北京與紐約之間畫條線，你會發(fā)現(xiàn)那是條曲線，因?yàn)榈厍蚴菆A的，它只在地圖上才是平的。在真正的地球上，北京與紐約之間最短的線不是直線，而是一條曲線，這段距離稱之為“度規(guī)”（metric）。

光線的傳播與此相同。在歐幾里德幾何中，光線在兩點(diǎn)之間永遠(yuǎn)走耗時最短的直線。但是，如果光線在引力影響下發(fā)生彎曲，就意味著此時兩點(diǎn)之間最短的距離是條曲線。

這條線，就是世界線。

我們都知道時間機(jī)器，就是那個我們坐上去可以飛回過去的科技怪物。世界線，即時間機(jī)器的理論基礎(chǔ)。

世界線涉及到等效原理。

啥子是等效原理？

想當(dāng)年還沒有狹義相對論，當(dāng)時物理學(xué)家研究加速運(yùn)動時把后腦勺都撓爛了，因?yàn)槲锢韺W(xué)家發(fā)現(xiàn)在一個作加速運(yùn)動的參照系里將會發(fā)生奇怪的“假想力”。舉個例子，當(dāng)你駕車逆時針繞圈行駛，達(dá)到一定速度后你會覺得自己被向外甩，這就是“離心力”。這個離心力就是典型的“假想力”。繞圈的車產(chǎn)生的離心力使車向與該車運(yùn)動方向相垂直的方向運(yùn)動，但車的慣性卻讓它繼續(xù)向前作直線運(yùn)動，這兩種力相互作用，因此車最終會繼續(xù)逆時針繞圈。離心力，即為這兩種力相互抵消相互作用的合力，并非自然界中真實(shí)存在的力。

1907年，德國物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者斯塔克約愛因斯坦給他任編輯的《輻射學(xué)年鑒》寫文章介紹狹義相對論，愛因斯坦想借這篇文章把引力也納入狹義相對論，結(jié)果，當(dāng)他“坐在伯爾尼專利局辦公桌前椅子上”思考這篇文章時，那個幸福的靈感突然降臨：一個人從屋頂摔下來時，他感覺不到自己的體重。

看官不信？不妨自己爬上18層樓頂摔下來一回試試。反正物理上這點(diǎn)已經(jīng)被驗(yàn)證了。

這就是等效原理。

其實(shí)伽利略在比薩斜塔扔鐵球時已經(jīng)接近等效原理，但他沒解釋為什么會這樣。愛因斯坦在寫給《輻射學(xué)年鑒》的狹義相對論論文《相對性原理及其結(jié)論》中第一次明確提出：在無限小的體積中，均勻的引力場可以代替加速運(yùn)動的參照系。此即愛因斯坦著名的“封閉箱”論點(diǎn)：在完全封閉的箱子中，觀察者無法確定他自己究竟是靜止呆在一個引力場中，還是處在沒有引力場卻在做加速運(yùn)動的空間中。此即慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量“等效”。

到底是啥子意思嘛？

意思就是：如果馮教授今天被22個女朋友集體甩了，憤而跳下162層高的迪拜塔自殺，跳下時扔出身上帶的222根兒每根兒重22公斤的金條，這些金條與馮教授同時下落。在落地摔得腦漿迸裂之前，如果馮教授倆眼兒只看著這些金條，他根本無法判斷自己和金條到底是在同時下落呢，還是跟金條一起在空中自由漂浮。

翻譯成愛因斯坦的話，就是：馮教授自由下落時看著金條的這個小參照系“等效于”沒有引力作用時的慣性（大）參照系（迪拜塔和地球）。

根據(jù)等效原理，愛因斯坦提出高速運(yùn)動會讓時間變慢。這意味著強(qiáng)大的引力場同樣會讓時間變慢。地球引力很小，因此在地球上的我們無法感受到時間變慢，但如果您一頭扎進(jìn)黑洞，而且到達(dá)“黑洞視界”時沒有被巨大的引力撕成億萬顆基本粒子，那么你就可以看見，在“黑洞視界”，時間停止不動了。

而我們知道，只有在運(yùn)動達(dá)到光速時，時間才會停止。

正是在這一點(diǎn)上，廣義相對論超過了狹義相對論。狹義相對論把相對性擴(kuò)展到時間與空間，即時間的快慢取決于運(yùn)動的速度；而廣義相對論再進(jìn)一步，把相對性擴(kuò)展到慣性系與非慣性系，于是，時間的快慢不僅取決于運(yùn)動速度，而且取決于物質(zhì)分布的密度。

因此，廣義相對論的引力定律不再是力的定律，而是時空幾何結(jié)構(gòu)，就是說，廣義相對論統(tǒng)一了幾何與物理，它用空間結(jié)構(gòu)的幾何性質(zhì)來描寫引力場。在這種空間幾何中，引力速度等于光速。

1964年，美國物理學(xué)家羅伯特·迪克利用高科技設(shè)備重演伽利略自由落體實(shí)驗(yàn)。他把同樣體積的兩坨輕鋁和一坨黃金放進(jìn)高靈敏扭秤，通過飛船送往太空，在太空中宇宙飛船的飛行與地球的引力相互抵消，因此沒有引力，然后讓扭秤朝向太陽落下。如果引力和慣性質(zhì)量不一樣，則輕鋁與黃金落向太陽時其速度將不同。結(jié)果，速度相同。迪克跟伽利略一樣，再次證實(shí)了愛因斯坦的偉大。

因此，我們的空間是“四維時空”，即我們?nèi)粘？匆姷奈矬w只是四維時空中那個“原物”在三維空間中的“投影”，因此，高速列車對站在月臺的人來說長度會縮短——因?yàn)槲覀兛吹降牟贿^是“投影”而已。“原物”在四維時空中旋轉(zhuǎn)，因此分到三維空間的那部分（即我們看得見的物體）少一些，分到“時間”那一維的部分多一些。實(shí)際上，“原物”只在四維時空中保持不變。

廣義相對論證明，我們之所以只能看見三維空間，是因?yàn)槿祟愃季S早已習(xí)慣三維空間，我們只想看見三維空間?？档略凇都兇饫硇耘小分姓f：“由于你精神上老戴著一副空間眼鏡，你一定永遠(yuǎn)看到一切東西都在空間中?！庇腥さ氖撬c愛因斯坦一樣希望建立世界政府，曾在《永久和平論》中倡導(dǎo)建立禁止戰(zhàn)爭的世界聯(lián)邦，認(rèn)為只有國際政府才能防止戰(zhàn)爭。

當(dāng)然，康德與愛因斯坦一樣沒能看到世界政府的成立。

我們可能也看不到。

正如愛因斯坦那位可愛的老師閔可夫斯基1908年在德國自然科學(xué)家學(xué)會第80屆年會上宣稱的那樣：“我們現(xiàn)在講的空間和時間，是在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這就是這個理論之所以有力的原因。它的意義是革命性的。從此以后，時間和空間退化為虛幻的影子，只有兩者的結(jié)合才能保持獨(dú)立的存在?！?/p>

在牛頓力學(xué)中，物體如無外力作用將作勻速直線運(yùn)動，在相對論中亦然，但在相對論中這條“直線”是四維時空中的直線，在三維空間中它表現(xiàn)為彎曲的“世界線”。

說了半天，愛因斯坦發(fā)明這一堆理論，到底是啥子意思？

愛因斯坦的意思是：萬有引力根本就不是力！

牛頓認(rèn)為太陽吸引地球，而地球吸引蘋果，最后蘋果掉下來砸到牛頓腦袋上。事實(shí)居然并非如此！無論地球還是蘋果，它們都不過是義無反顧地選擇了最近的路，而它們的路之所以是彎的，以致我們錯誤地認(rèn)為它們受到萬有引力的影響，僅僅是因?yàn)槿魏挝矬w的存在都會導(dǎo)致自己周圍的空間彎曲，重量巨大的物體（如黑洞或者星系）會使空間明顯彎曲。換句話說，如果我們這個空間什么東西都沒有，它就是平直的歐幾里德空間；它之所以是彎的，就是因?yàn)榇嬖诤诙?、銀河系、馮八飛教授這些東西。

舉個容易明白的例子：我們把床單繃在長方形框架上，然后放上一個橙子，它會凹陷下去，之后我們再放一個小石子，根本不用我們推動，石子就會自動滾向凹洞中的橙子。這并非因?yàn)槌茸拥摹叭f有引力”吸引了石子，而是橙子的重量在床單上壓出的那個坑讓石子義無反顧地選擇最短的路順著坑壁滾了下去。

地球繞太陽旋轉(zhuǎn)，蘋果落向牛頓的腦袋，同理。

最讓愛因斯坦苦惱的，不是廣義相對論發(fā)表后遭到世界物理學(xué)界的集體漠視，而是它被新聞界披露后，大批圈外人如哲學(xué)家、作家、藝術(shù)家激動萬分蜂擁而至，聽了愛因斯坦只言片語后回去大肆演繹他們自己的“相對論”。當(dāng)時最擁護(hù)愛因斯坦這個奇怪的學(xué)說的是中學(xué)生，因?yàn)閻垡蛩固棺C明牛頓不對。牛頓既然不對，那為什么還非得做幾何題？

廣義相對論誕生具體過程的唯一現(xiàn)場目擊者是愛因斯坦的第二任妻子羅愛莎。她曾向卓別林講述這個過程，后被卓別林記入自傳，原文如下：

博士像往常那樣穿著睡袍下樓吃早餐，可那天他什么都沒吃。我想一定出了什么大事兒，于是就問到底啥事兒讓他魂不守舍？

他回答說：“親愛的！我突然有了個巧妙的想法。”

喝完咖啡后他走過去彈鋼琴，幾次停下來在紙上記錄，然后重復(fù)說：“我有了個巧妙想法，非常奇妙的想法?！彼f：“這很困難，我仍需工作?！彼^續(xù)彈鋼琴，并在紙上寫來寫去。半小時后他上樓去書房，告訴我不要打擾他。他一直留在書房里兩個星期，每天我上樓把食物送給他，傍晚時他散一會兒步當(dāng)做運(yùn)動，回來繼續(xù)工作。

最后，他走下樓來，把兩張紙放在桌上，臉色蒼白說：“這是我的發(fā)現(xiàn)。”

這就是廣義相對論！

為什么說廣義相對論偉大？

因?yàn)閺V義相對論面對的是人類的兩個大問題。

第一個問題是引力。狹義相對論對力學(xué)、熱力學(xué)和電動力學(xué)物理規(guī)律的解釋都正確，卻無法圓滿解釋引力。牛頓的引力理論是超距的，他認(rèn)為兩個物體之間引力的傳遞是瞬間的，即傳遞速度無窮大，這與相對論關(guān)于場和光速恒定30萬公里的定律無法調(diào)和。

第二個問題是非慣性系。狹義相對論與牛頓力學(xué)以及其他物理學(xué)原理一樣只適用于慣性系。但事實(shí)上我們很難找到真正的“慣性系”。例如狹義相對論很難解釋“雙胞胎佯謬”。這個佯謬說的是：雙胞胎哥哥在宇宙飛船上以亞光速航行，根據(jù)相對論，高速運(yùn)動中時鐘變慢，等哥哥回來時弟弟已經(jīng)比哥哥老得多了，因?yàn)榈厍蛏弦堰^去了幾十年。這事兒很多人都知道?？珊芏嗳瞬恢赖氖?，按照相對性原理，飛船相對于地球高速運(yùn)動，實(shí)際上也等于地球相對于飛船高速運(yùn)動，因此，弟弟看哥哥變年輕了，哥哥看弟弟也應(yīng)該年輕了。因此他倆看上去應(yīng)當(dāng)一樣。

這問題簡直沒法兒回答。

為了找到答案，科學(xué)家把一個非常精確的原子鐘放在實(shí)驗(yàn)室，另一個由飛機(jī)載著在跑道上飛馳，然后比較兩個原子鐘的時間，令人驚訝的是，飛機(jī)上的原子鐘確實(shí)比實(shí)驗(yàn)室里的鐘慢了。

那么，狹義相對論錯了嗎？

沒錯。

這里的問題就出在慣性系。狹義相對論討論的運(yùn)動，其速度都是恒定的（即慣性系），而雙胞胎哥哥要回到地球，肯定不能永遠(yuǎn)是恒定速度，因?yàn)樗俗娘w船必須減速他才能降落到地球上（即非慣性系）?？瑟M義相對論并不討論減速運(yùn)動的事兒，因此狹義相對論無法解釋雙胞胎佯謬。

廣義相對論這么偉大，到底有啥用？

啥用都沒有。它既不能讓我們變得年輕漂亮，也不能讓我們大吃大喝同時減肥，更不能幫助我們找到又輕松掙得又多的工作。

廣義相對論不過就是告訴我們，我們的宇宙到底是什么樣。

夠不夠有用？

看官須知，直到1917年，最聰明的科學(xué)家包括偉大的牛頓，都認(rèn)為我們的銀河系就是整個宇宙，而且這個宇宙永遠(yuǎn)固定不變。

從人類文明一發(fā)源，人類最大的問題就是：為什么有這個世界？為什么月球不離開地球，地球也不離開太陽？

基督教說，這世界是上帝創(chuàng)造的。上帝規(guī)定月球與地球必須呆在一起。

牛頓說，是因?yàn)槿f有引力，所以地球永遠(yuǎn)都不離開地球。

愛因斯坦說，那是因?yàn)榭臻g彎曲。

牛頓說引力是聯(lián)系宇宙萬物的紐帶，引力將太陽和地球吊在空間中，并且自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)。

愛因斯坦說，其實(shí)宇宙根本沒什么萬有引力，那是我們?nèi)庋劭床灰姷目臻g彎曲造成的假象。

牛頓認(rèn)為宇宙空間是平直的。

愛因斯坦認(rèn)為宇宙空間像一張繃在方框上的床單，宇宙中質(zhì)量巨大的星系就像放在這張床單上的鉛球。鉛球在床單上壓出的坑，豎起來看就相當(dāng)于哈哈鏡，而光線通過這些哈哈鏡時會改變空間的鏡像，使我們產(chǎn)生宇宙廣闊無邊的幻覺。愛因斯坦預(yù)言，如果我們站的位置合適，我們可以看見一個遙遠(yuǎn)星體的數(shù)個幻像。

這就是天文學(xué)上著名的“引力透鏡”。

可我們透過引力透鏡看見遙遠(yuǎn)星體的情況并不常見，因?yàn)橛钪嫒绱诉|闊，而且地球、引力透鏡與我們觀測的星體必須正好三點(diǎn)一線，我們才能看見引力透鏡，而這種幾率微乎其微：地球觀測范圍以內(nèi)的星體，大概一百萬顆中間才有一顆能被引力透鏡放大。因此，從愛因斯坦提出這個理論至今，在銀河系里還沒發(fā)現(xiàn)過較大的引力透鏡。截至1990年，我們觀測到的引力透鏡，不過六例。

1979年，愛因斯坦提出這個理論半個多世紀(jì)之后，天文學(xué)家對遙遠(yuǎn)的類星體Q0597+561的觀察證實(shí)了引力透鏡。該星體前面有一個巨大的星系，這個星系的巨大質(zhì)量造成附近空間彎曲（就像床單凹陷的地方），Q0597+561發(fā)出的光經(jīng)過這種彎曲匯集形成另外一個跟它一模一樣的鏡像，而Q0597+561和這個鏡像就像雙胞胎一樣緊緊靠在一起，形成了宇宙中巨大的“海市蜃樓”。

空間居然真的彎曲！當(dāng)這一點(diǎn)被科學(xué)證實(shí)，我們才發(fā)現(xiàn)，牛頓只不過看見了自己鼻子尖，而愛因斯坦看見了萬里之外的大海。

那是如此開闊而精彩的大海！

空間可以彎曲，我們很難理解，因?yàn)槲覀冞@些生活在地球上的人實(shí)在感受不到空間是彎曲的。牛頓的萬有引力之所以容易理解，就是因?yàn)槿f有引力建立在人類日常生活經(jīng)驗(yàn)之上。牛頓不僅認(rèn)為太陽系是平的，他認(rèn)為宇宙也是平的，所以他帶領(lǐng)我們發(fā)現(xiàn)了三維世界，即萬物都有長、寬、高。牛頓提出的萬有引力是物理學(xué)的偉大革命，問題是一直到這場革命結(jié)束他都無法說明引力是怎么來的。以探索科學(xué)為己任的偉大科學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力從而否定了上帝，但這個偉大的科學(xué)暴動者最后卻不得不回到上帝溫暖的身邊：牛頓宣布引力來源于上帝。西方文明老祖宗亞里士多德認(rèn)為世界因?yàn)橛袀€“第一推動者”才開始轉(zhuǎn)動，基督教神學(xué)狂批亞里士多德，后來出了個意大利神父托馬斯·阿奎那（1224—1274），他宣布亞里士多德的“第一推動者”就是上帝（其實(shí)亞里士多德本人從未說過這句話），歐洲歷史上最為黑暗的政教合一中世紀(jì)隨這句話降落人世。

這個阿奎那是中世紀(jì)天主教最偉大的神學(xué)家之一，著作據(jù)說達(dá)1500萬字。

愛因斯坦超越牛頓。他根本否認(rèn)宇宙空間是平的，他認(rèn)為宇宙就像一幅放了無數(shù)棉花球和鉛球的床單，床單被這些球壓出深淺不一的坑。牛頓之所以認(rèn)為宇宙是平的，是因?yàn)樗豢吹搅藥缀鯄翰怀隹拥拿藁ㄇ颉厍?。想在宇宙空間中壓出明顯的坑來，需要巨大的重量（即質(zhì)量）。太陽這么大的星球也只能壓出幾個原子大小的坑來（即坑深只相當(dāng)于幾個原子的直徑），這樣的坑，我們地球人用現(xiàn)在最先進(jìn)的儀器也測不出來。

所以，要找到地球人也看得見的坑，必須放眼整個宇宙。

相對論的另一個功績，是發(fā)現(xiàn)黑洞。

1916年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論后不久，德國物理學(xué)家卡爾·施瓦西（1873—1916）就證明，如果把太陽壓縮成半徑三公里的球體，引力的強(qiáng)烈擠壓會使太陽密度無限增大，隨后產(chǎn)生災(zāi)難性崩塌，使太陽上的時空變得無限彎曲，在這樣的時空中，連光都不能逃出來！由于無法反射光，崩塌后的太陽與宇宙就被分割成兩個截然不同的區(qū)域，而那個分割的球面就是黑洞視界，即我們眼睛能看到的盡頭，超過這個盡頭，我們就看不見了。也就是說，如果這個黑洞是太陽，這時我們站在地球上就看不到太陽，卻能看見太陽前后的其他星球。

這就是黑洞！

按照以他命名的“施瓦西度規(guī)”，當(dāng)我們接近黑洞達(dá)到一定半徑之后，時空彎曲會變得無窮大，這時我們不再像是走緩坡，而是突然從懸崖邊上掉下去了——你走得太遠(yuǎn)了，已經(jīng)找不到回家的路。此即“施瓦西半徑”，即黑洞的半徑。任何東西包括光線進(jìn)入施瓦西半徑后將無法逃走，最后一定會被黑洞撕碎吞掉。

黑洞質(zhì)量巨大，最大黑洞的質(zhì)量據(jù)說超過太陽10億倍。看官須知，太陽相當(dāng)于130萬個地球！130萬乘10億。如果黑洞是地球，地球大概相當(dāng)于一粒芝麻。然后這粒芝麻上還有很多小人兒因?yàn)闆]當(dāng)上處長而郁郁一生。

有意思的是，當(dāng)時所有科學(xué)家，包括愛因斯坦本人和證實(shí)相對論的愛丁頓，全體斷然否認(rèn)存在黑洞。愛因斯坦宣布他可以證明沒有任何星體可以達(dá)到密度無限大。黑洞這個名稱，也是50年之后（1967）才由美國物理學(xué)家惠勒命名的。

嚴(yán)格說來，黑洞并非星球，它只是宇宙中的一塊兒地方，跟宇宙互不通連，黑洞視界將它們徹底分隔。黑洞視界以外光可以任意相互聯(lián)系，意思就是，我們可以看見所有東西，這就是我們的宇宙。黑洞視界以內(nèi)，光線不能自由傳播，而是向中心集聚，這就是黑洞。在黑洞內(nèi)部，物體向黑洞墜落的過程中潮汐力越來越大，在中心區(qū)域，其引力和起潮力都是無限大。因此，在黑洞中心，除了質(zhì)量、電荷和角動量以外，原子、分子等等都將分崩離析，根本不存在我們?nèi)祟愐阎娜魏巍拔矬w”。在黑洞中心，全部物質(zhì)被極為緊密地?cái)D壓成為一個體積無限趨近于零的幾何點(diǎn)，任何強(qiáng)大的力量都不可能把它們分開。

這就是“奇點(diǎn)”！

廣義相對論無法說明“奇點(diǎn)”，只有量子理論才能說明，于是令人啼笑皆非的情況出現(xiàn)了：廣義相對論發(fā)現(xiàn)了黑洞，卻在“奇點(diǎn)”失效，被迫讓位給量子理論，可廣義相對論的發(fā)現(xiàn)者愛因斯坦與量子理論的發(fā)現(xiàn)者玻爾，卻水火不相容！

廣義相對論的第三個功績是宇宙常數(shù)。

在愛因斯坦的天文學(xué)中，宇宙不是膨脹就是收縮。那宇宙如何在膨脹與收縮之間保持平衡呢？1917年，即創(chuàng)立廣義相對論的第二年，愛因斯坦發(fā)表論文《廣義相對論的宇宙學(xué)應(yīng)用》，用廣義相對論否定傳統(tǒng)物理定論“宇宙是無限的”。他把宇宙看做一個具有有限空間體積的自身閉合的連續(xù)區(qū)，推論宇宙在空間上“有限無邊”。

這是天文學(xué)史上最大膽的推測。從此，人類對宇宙的研究擺脫了閉著眼睛瞎猜，真正睜開眼進(jìn)入了現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域。

也是在這篇論文中，愛因斯坦提出宇宙在膨脹與收縮之間保持平衡的要素是因?yàn)椤坝钪娉?shù)”——一個與引力相反而且等量的斥力，它隨著天體之間距離的增大而增強(qiáng)，完全抵消引力，從而讓宇宙保持穩(wěn)定，否則引力就會導(dǎo)致宇宙崩潰。

這是啥子意思？

意思就是：愛因斯坦認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的。

可是，1922年俄裔美籍物理學(xué)家弗里德曼通過數(shù)學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)宇宙隨著時間在不斷膨脹。1927年，比利時天文學(xué)家、頂級橋牌大師喬治斯·勒梅特也計(jì)算出同樣的結(jié)果。愛因斯坦拒絕接受動態(tài)宇宙。他堅(jiān)信宇宙是靜態(tài)的，除了時間變化，其他一切都不會變。因此他尖銳地批評弗里德曼和勒梅特。

這時，哈勃閃亮登場了。1929年，現(xiàn)代天文學(xué)之父哈勃觀察宇宙深處星云的紅移現(xiàn)象后證實(shí)，所有星系都在高速離銀河系而去，而且，無論我們站在宇宙中哪個星系中，看到的情形也都一樣：別的星系也在高速逃離我們所站的這個星系。距離越遠(yuǎn)的星系，逃離的速度越大。

這又是啥子意思？

意思就是，整個宇宙正在不斷地膨脹。

即，宇宙是動態(tài)的。

哈勃說，如果星系1比星系2離地球遠(yuǎn)兩倍，則星系1逃離地球的速度也將是星系2的兩倍。此即“哈勃定律”。

哈勃得意洋洋地把自己的觀測結(jié)果拿給愛因斯坦看，愛因斯坦當(dāng)場啞口無言，不得不宣布放棄宇宙常數(shù)，承認(rèn)該理論“超驢”，并公開收回對弗里德曼的批評。愛因斯坦70歲生日時向好友索洛文表示：“我感到我的工作沒哪個概念絕對站得住，我不敢肯定我的道路確實(shí)正確。”業(yè)界一般認(rèn)為這句話很大程度上是針對宇宙常數(shù)而發(fā)的。

按照哈勃定律，如果我們將宇宙的膨脹反推，就意味著在非常非常遙遠(yuǎn)的過去，最早的宇宙是半徑為零的一個點(diǎn)。1948年，美國物理學(xué)家喬治·伽莫夫（1904—1968）和學(xué)生阿爾法根據(jù)哈勃定律共同提出宇宙大爆炸理論，認(rèn)為原始宇宙誕生于一次壯觀的大爆炸，立刻成為科學(xué)界主流意見。50年后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙不只在膨脹，而且這種膨脹還是加速度的，即所有星系逃離銀河系的速度都越來越快。

這是啥子意思？

意思是，一定有某種神秘的力量在暗中以加速膨脹的方式撕扯著宇宙的所有星系。這種力量，科學(xué)家稱之為“暗能量”。近年來，科學(xué)家通過觀測和計(jì)算證實(shí)暗能量不僅存在，而且還是宇宙的主流，約占宇宙總量的73%，此外“暗物質(zhì)”約占23%，而我們?nèi)搜勰芸匆姷挠钪嫖镔|(zhì)如地球月亮星星等，僅約占4%。

我們從小就知道，天上星，數(shù)不清。愛因斯坦告訴我們，數(shù)不清的滿天星只是宇宙的“一小撮”，宇宙的絕大部分我們知之甚少，或者干脆毫無所知。

夠不夠驚心動魄！

人類認(rèn)識的道路永遠(yuǎn)如此：我們對最重要的東西總是視而不見。我們知道得越多，就越發(fā)現(xiàn)自己實(shí)際上非常無知。被稱為雅典最博學(xué)的蘇格拉底說：我最大的知識，就是知道我是無知的。

暗能量的出現(xiàn)給愛因斯坦平了反，它證明愛因斯坦當(dāng)初提出的宇宙常數(shù)，起碼從思路上是正確的。宇宙常數(shù)以暗能量的面目滿血復(fù)活，它產(chǎn)生的洶涌澎湃的斥力令整個宇宙為之色變。暗能量和引力之間的戰(zhàn)爭自宇宙誕生起就從未停止。科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明現(xiàn)在暗能量的密度已大于物質(zhì)的密度，即斥力已經(jīng)戰(zhàn)勝引力，宇宙正在以前所未有的速度加速膨脹?？茖W(xué)家們預(yù)測，再過200億年，宇宙將迎來動蕩的末日，恐怖的暗能量終將把所有行星、恒星、星系一一撕碎，宇宙將只剩下沒有盡頭的寒冷和黑暗。

記不記得《菜根譚》下篇第12節(jié)說的那句話？“山河大地已屬微塵，而況塵中之塵；血肉身軀且歸泡影，而況影外之影。非上上智，無了了心?！?/p>

要想得通，當(dāng)沒當(dāng)上處長，真沒那么重要。

有天愛因斯坦在一個朋友家吃飯，邊吃邊和主人討論物理學(xué)，說著說著忽然來了靈感，拿起筆卻找不到紙，情急之下，他干脆把公式和靈感統(tǒng)統(tǒng)寫到了主人家雪白的新桌布上。

這是愛因斯坦一則經(jīng)常被人說起的幽默故事。我們把這則故事當(dāng)做愛因斯坦的幽默故事到處講，卻是源于一個誤會。這個誤會是，我們沒明白，當(dāng)愛因斯坦在桌布上寫公式時，他腦海中浮現(xiàn)的是宇宙的終極毀滅。跟黑洞、暗能量、200億年后的宇宙末日相比，一塊新桌布和主人痛心疾首的白眼，算哪把夜壺？

廣義相對論還有一個功績是發(fā)現(xiàn)了引力波。

愛因斯坦關(guān)于引力波的文章1916年提出廣義相對論之后發(fā)表于《普魯士科學(xué)院學(xué)報(bào)》。引力波理論進(jìn)一步完善了廣義相對論。

啥子是引力波？

質(zhì)量巨大的星系在宇宙中壓出深坑的同時還會形成“引力波”。任何被外力彎曲的物體在連續(xù)時間里都會形成“波”，比如風(fēng)吹西湖就會產(chǎn)生水波。這種在宇宙星系彎曲過程中形成的“波”，就是引力波。

引力波的傳播與光波和聲波不同，當(dāng)它穿過物體時，首先是將物體左右拉長，再擠壓回原來的形狀，然后再上下拉長，再擠壓回原來的形狀。如果引力波作用于一個圓形截面體，我們就能看到這個圓面上下左右地被不停拉長，其形狀將在圓和橢圓之間來回震蕩。這就是“四極震動波”。

引力波處處存在，聲波和光波不存在的地方它也存在。聲波和光波無法穿越墻壁，更不用說地球了，而引力波能以光速穿過真空。任何物體對引力波而言都是透明的，所以從太陽傳向地球的引力波可以輕而易舉地穿透地球。按愛因斯坦說法，引力波形成后就攜帶著能量和波源物體的密碼在宇宙中游蕩，永不消逝。

聲波和光波為人類打開了地球的奧秘之門，而引力波為人類打開了一扇了解宇宙的全新窗口。凡是有質(zhì)量的物體進(jìn)入加速運(yùn)動都會發(fā)射引力波：一個李娜發(fā)出的網(wǎng)球，一個散步的愛因斯坦，月亮圍繞地球運(yùn)動……不過，對人類來說，引力波實(shí)在太弱了，根本測不出來。像太陽這么大的星球發(fā)出的引力波，人類用現(xiàn)有儀器也無法測量。

因此，要測引力波，只能把目光投向宇宙中那些質(zhì)量巨大的恒星。天狼雙星產(chǎn)生的引力波功率可達(dá)1.1×1015瓦，其能量足以推動太陽那么大的恒星。不過，它們的引力波穿越遼闊的宇宙到達(dá)地球時僅剩下1.3×10—24瓦，微弱得只能震動一個原子，根本測不出來。

我們只好想別的辦法。

1974年底，美國射電天文學(xué)家胡爾斯及泰勒在宇宙深處發(fā)現(xiàn)了一顆名叫PSR1913＋16的射電脈沖星，它以每秒200轉(zhuǎn)的速度自轉(zhuǎn)，同時以不到八小時一圈的公轉(zhuǎn)繞其伴星旋轉(zhuǎn)。在這樣的“二人轉(zhuǎn)”中，其能量在它們自己激起的時空巨浪中逐漸損失，結(jié)果兩者越來越近，轉(zhuǎn)速越來越快，預(yù)計(jì)在距離剩下500公里時它們就會以亞光速撲向?qū)Ψ?，直到碰撞融合，成為黑洞。這個碰撞的慘烈程度是我們用人類語言無法描寫的。它相當(dāng)于宇宙中發(fā)生一場巨大的時空海嘯。我們常常津津樂道的什么“火星撞地球”在它們面前連個土鞭炮都不如。根據(jù)計(jì)算，這場宇宙大沖撞將于三億年后發(fā)生?？伤鼈冸x地球如此遙遠(yuǎn)，如果沖撞今天發(fā)生，以我們今天的科技，我們甚至聽不到它們合二為一時發(fā)出的歡叫。

胡爾斯與泰勒的觀測，證實(shí)引力波存在。

1976年美國宇航局實(shí)施“引力探測A計(jì)劃”，把一個原子鐘送入離地一萬公里的太空，該探測最后證實(shí)愛因斯坦的預(yù)言：重力會使時間放慢。

2004年4月20日，美國航天局實(shí)施“引力探測B計(jì)劃”，該計(jì)劃源于美國斯坦福大學(xué)三名科學(xué)家在1959年游泳聚會時的一場討論。在發(fā)射到太空的“引力探測器B型”衛(wèi)星中，依據(jù)四極震動波原理，用四個乒乓球大小的石英小球制成探測器，用它在距離地球635公里的衛(wèi)星中測定引力波。該項(xiàng)目現(xiàn)在還未結(jié)束。美國宇航局從1964年開始資助該項(xiàng)目，40多年來因技術(shù)、經(jīng)費(fèi)等問題多次下馬，又多次上馬，圍繞本項(xiàng)目共產(chǎn)生約100篇博士論文，成為1958年美國宇航局成立以來資助時間最長的項(xiàng)目，其現(xiàn)任首席科學(xué)家、斯坦福大學(xué)教授埃弗里特首次接觸該項(xiàng)目時僅28歲，如今已年過花甲。

如果我們對引力波的了解跟對聲波和音波一樣多，我們就可以看見地球內(nèi)部到底有什么、黑洞到底是什么，甚至有可能看見137億年前宇宙是不是真的發(fā)生過大爆炸。我們還可能找到外星生命。至今為止我們尋找外星生命都是通過電磁波和聲波，其實(shí)電磁波和聲波連墻壁都無法穿透，它們在宇宙中到底能走多遠(yuǎn)很值得懷疑。也許外星人早就用引力波跟我們聯(lián)系過了，只是我們的耳力如此不好，從來沒聽到過而已。

我們夜晚仰望太空，總覺得宇宙無限美麗寂靜，其實(shí)那是因?yàn)橛钪嬷袥]有空氣，聲波無法傳送，所以我們聽不到聲音。如果我們通過一個引力波喇叭來聽，宇宙將變得萬聲鼎沸，引力波能讓我們聽到宇宙所有的故事：耀眼的超新星爆炸不再是啞劇，它會借引力波傳來爆米花一樣的聲音；中子星碰撞和黑洞產(chǎn)生像一場《歡樂頌》大合唱；你甚至能聽見宇宙炸開但光子還沒跑出來之前那陣空前絕后的巨響。光波讓我們穿越空間看見遠(yuǎn)處的東西，而引力波則能讓我們聽見過去和現(xiàn)在。如果用引力波來發(fā)射信號，我們將不需要高高的電視塔和天上的通信衛(wèi)星，我們的手機(jī)將沒有盲區(qū)，而且永不掉線。

現(xiàn)在咱們老說“穿越”，其實(shí)那都是電影。引力波帶給我們的，才是真正無與倫比的時空穿越。

按照愛因斯坦的這個理論，創(chuàng)造宇宙的不是上帝，而是引力波。宇宙大爆炸后產(chǎn)生了一鍋能量與物質(zhì)完全均勻分布的高溫“夸克湯”，根本沒有太陽地球馮教授這些東西，正是與大爆炸同時產(chǎn)生的引力波攪動了“夸克湯”，讓物質(zhì)開始碰撞、旋轉(zhuǎn)、冷卻、凝聚，依次聚成原子、塵埃、恒星和星系，這才有的地球！

然后又過了多少萬年，才有的我們。

從光速不變原理的萌芽，到逐漸完成彎曲空間的宇宙構(gòu)想，最終認(rèn)識到波動時空這一宇宙本真，愛因斯坦思想的光輝歷程不但為人類構(gòu)建了一套前所未有的偉大相對論，也為人類發(fā)掘出了一座引力波的巨大寶藏。我們不能完全想象出引力波的神奇用途，但它帶給我們的每一種想象與期待，都無與倫比地迷人和壯觀。為人類展現(xiàn)引力波神話的愛因斯坦，無疑是最偉大的為人類盜取天火的現(xiàn)實(shí)版普羅米修斯。引力場的預(yù)言徹底改變了時空幾何學(xué)的游戲規(guī)則，它證實(shí)時間和空間是不可分割的四維整體，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)把牛頓力學(xué)拋在身后。

是的，我們的宇宙科學(xué)至今仍然不能超越愛因斯坦。也許永遠(yuǎn)都無法超越。因?yàn)?，宇宙很可能就是他說的這個樣子。

如果確實(shí)有宇宙大爆炸，那爆炸產(chǎn)生的那些輻射，我們今天還能不能觀測到呢？鮑伯·迪克，即做實(shí)驗(yàn)證實(shí)愛因斯坦等效原理的那個物理學(xué)家，他確信肯定還有大爆炸的輻射殘留在宇宙某個角落，于是他在普林斯頓實(shí)驗(yàn)室組建團(tuán)隊(duì)到處尋找這些輻射殘余。結(jié)果有天實(shí)驗(yàn)室的電話響了：貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家阿諾·阿蘭·彭澤斯和羅伯特·威爾遜來電請教。他們用自制射電望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙中幾厘米波長的信號時總測到嘈雜的噪音。他們以為這是因?yàn)橥h(yuǎn)鏡上落了鴿子屎，但清理鴿子屎后仍然有這些噪音。

為什么？

迪克聽完后捂上聽筒對學(xué)生說：“嗨，有人搶在咱們前面啦?！比缓笏嬖V彭澤斯和威爾遜，這些噪音可能來自大爆炸殘留的輻射。不久彭澤斯和威爾遜合寫的論文發(fā)表在頂級的《天文學(xué)雜志》上，該雜志隨后也發(fā)表了迪克和他的研究生皮布爾斯合寫的論文《宇宙黑體輻射》。彭澤斯和威爾遜因此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎。迪克啥都沒獲得。

這項(xiàng)由鴿子屎導(dǎo)致的發(fā)現(xiàn)不僅再次證明了廣義相對論，而且也間接證明了宇宙大爆炸理論。

廣義相對論亮劍，甚至贏得了科學(xué)死敵基督教的支持。在愛因斯坦之前，基督教基本上是反科學(xué)的，可盡管羅馬教廷燒死布魯諾、查禁哥白尼、監(jiān)禁伽利略，但科學(xué)仍然不可阻擋地深入人心，牛頓力學(xué)更是一記打在胃部的重拳，疼得基督教直不起腰來，基督教從此不再是全體歐洲人的信仰，神學(xué)家已經(jīng)不敢跟科學(xué)家論戰(zhàn)。

基督教雖然號稱要拯救全人類，但處理具體事務(wù)時跟普通政黨并無二致，也得遵循政治游戲規(guī)則，比如“敵人的敵人就是我們的朋友”。牛頓學(xué)說被相對論打倒，而廣義相對論宣布宇宙可能有限，基督教心情大愉快：宇宙有限，那宇宙之外不就是天堂么？所以，在愛因斯坦某次訪問英國的宴會上，坐在他旁邊的坎特伯雷大主教就恭恭敬敬地向愛因斯坦請教：“教授，聽說您的理論似乎提供了基督教的某種證據(jù)？”正遭德國科學(xué)界萬眾圍攻、急需同盟軍的愛因斯坦卻微笑著拒絕了基督教熱情洋溢的大手：“對不起，相對論純粹是科學(xué)問題，與基督教毫不相干?！?/p>

愛因斯坦拒絕與敵人的敵人聯(lián)手。他知道，那樣他會得到一個強(qiáng)大的盟友，卻會就此輸?shù)糇约骸?/p>

丘吉爾曾說，為了打敗希特勒，他可以跟魔鬼結(jié)盟。

愛因斯坦寧愿輸?shù)暨@場戰(zhàn)爭，也不愿跟基督教結(jié)盟。

因此，丘吉爾雖然也很偉大，但跟愛因斯坦確實(shí)沒法兒比。

真不是一個數(shù)量級。

1917年10月1日,德國即將戰(zhàn)敗，普朗克承諾的威廉大帝物理學(xué)院卻終于建成，愛因斯坦出任首任院長。這是那個業(yè)余的“奧林匹亞科學(xué)院”之后他第二次當(dāng)院長，這個職務(wù)是有薪水的，而且還很高。

一年后，1918年11月9日，隆冬降臨之際，德意志帝國投降，魏瑪共和國成立，第一次世界大屠殺結(jié)束。德意志民族舉國悲痛戰(zhàn)敗，而愛因斯坦等一小撮科學(xué)家高舉雙手歡迎。

第一次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)敗，證明愛因斯坦是對的，他當(dāng)初簽署的《致歐洲人宣言》是正確的。

愛因斯坦會因此獲得德國科學(xué)界的萬眾歡呼嗎？

我們下回再講。

（2013年12月2日十稿畢于北京天堂書房）

責(zé)任編輯 洪清波