霍金與相對論

相對論是什麼？

相對論如何起作用？

相對論為何正在改變一切？

世界在世的最偉大物理學家，《時間簡史》作者斯蒂芬·霍金撰寫了這篇通俗易懂的入門文章。

（一）到19世紀即將結束時，科學家們認為，他們已接近於完整地描述宇宙。他們設想，空中處處充滿一種被稱為以太的連續介質。光線和無線電信號在這種以太中波動，就像聲音在空氣中受壓波動一樣。完成這種理論所需的只是仔細地測量以太的靈活屬性；一旦測量確定了這種屬性，其他一切東西就會變得明朗起來。

然而，與認為以太無所不在的觀點不相符合的事實很快就開始出現。你可能期待光以一種固定的速度穿越以太。因此，如果你朝與光相同的方向移動，你可能期待光的速度將顯得較慢，而如果你朝與光相反的方向移動，光的速度將顯得較快。然而，一系列實驗未能發現速度由於穿越以太的運動而產生差異的任何證據。

最仔細和最準確的這種實驗是由邁克耳森（a.michelson）和莫雷（e.morley）於1887年在俄亥俄州克利夫蘭的凱斯研究所進行的。他們比較了彼此成直角的兩束光線的速度。他們推論，由於地球根據其軸線轉動，並圍繞太陽軌道運行，地球將在以太中運動，這兩束光的速度應該有所不同。但是，邁克耳森和莫雷發現，這兩束光這間既沒有每日的差別，也沒有每年的差別。不管你如何移動，光似乎始終按照相對你來說相同的速度傳播。

邁克耳孫－莫雷實驗

愛爾蘭物理學家斐茲傑惹（g.fitsgerald）和荷蘭物理學家洛倫茲(h.lorenz)首先提出，在以太中運動的物體會收縮，時鐘會變慢。這種收縮和變慢是在每個人測得光速是相同的情況下發生的，無論他們相對於以太是如何運動的--斐茲傑惹和洛倫茲認為以太是一種實際存在的物質。

但是，正是瑞士伯爾尼專利局一個名叫阿爾伯特·愛因斯坦的年輕辦事員證實以太是不存在的，並一勞永逸地解決了光速問題。1905年6月，他寫了3篇將確立他是世界主要科學家之一的論文之一--並在此過程中開始了兩次改變我們對時間、空間和現實的理解和概念**。

在1905年的那篇論文中，愛因斯坦指出，因為你不可能測出你是否在以太中移動，有關以太的全部概念是多餘的。愛因斯坦假設，對所有自由移動的觀察者來說，科學法則應該顯得是相同的，尤其是所有觀察者應該測得相同的光速，無論他們如何移動--這種假設是愛因斯坦的研究的出發點。

這要求放棄一個概念，這個概念認為，存在一種所有時鐘都能測量的被稱為時間的普遍數量。相反，每個人可能都具有其自己的個人時間。如果兩個人彼此相對是靜止的，他們的時鐘將變得一致，如果他們正在移動，他們的時間就是不一致的。這一點已被大量實驗證實，包括在一項實驗中，一台極其精確的時鐘被人帶著圍繞世界飛行，接著與一台靜止不動的時鐘進行比較。如果你希望活得更長久，你可以不停地向東飛行，這樣飛機的速度就能增加地球的旋轉速度。然而，你能獲得的時間幾乎只夠在飛機上吃飯。

愛因斯坦假設，對所有正在運動的觀察者來說，自然法則應該顯得是相同的。這種假設乃是相對論的基礎--之所以稱之為相對論是因為它暗示，只有相對運動是重要的。相對論的妙處和簡明性對許多科學家和哲學家來說是令人信服的。但是，仍有許多人反對相對論。愛因斯坦推翻了19世紀科學的兩個"絕對"：由以太代表的"絕對靜止"以及所有時鐘都能測量的"絕對時間"或者"普遍時間"。人們問道，這是否意味著不存在絕對的道德標準，一切事物都是相對的？

這種擔憂在20世紀20年代和30年代始終存在。當愛因斯坦於1921年被授予諾貝爾獎時，受表彰的是同樣在1905年完成的重要成果--但按照愛因斯坦的標準，卻是較為不重要的。沒有提到相對論--相對論被認為太引起爭議。現在我每周仍收到兩三封信，告訴我愛因斯坦錯了。然而，相對論現在已得到科學界的徹底承認，它的預言已在無數應用中得到證實。

（二）相對論的一個非常重要的結果是質量與能量之間的關係。愛因斯坦假設，光速對每個人來說應該顯得是相同的，這意味著沒有什麼能移動得比光更快。事實上，隨著能量被用於使一顆粒子或者一艘宇宙飛船加速，這種對象的質量就會增加，使它更難於增加任何速度。使這顆粒子的速度增加到與光速一樣是不可能的，因為這需要無窮的能量，愛因斯坦的著名方程式e=mc2 總結了質量和能量的這種等效--這或許是在街頭得到承認的唯一物理學方程式。

這個定律的後果之一是，如果一個鈾原子的核裂變（分裂）成兩個全部質量略小的核，就能釋放巨大的能量。1939年，隨著第二次世界大戰的臨近，一群認識到這一點的含義的科學家說服愛因斯坦克服其和平主義猶豫，給羅斯福總統寫了一封信，敦促美國開始實行一項核研究計劃。這導致曼哈頓計劃以及1945年在廣島上空爆炸的原子彈的問世。一些人把原子彈歸咎於愛因斯坦，因為他發現了質量與能量之間的關係。但是，這就像因為造成飛機墜毀的引力而責備牛頓。愛因斯坦沒有參與曼哈頓計劃，並且對摧毀廣島的核爆炸感到震驚。

雖然相對論非常符合支配電學和磁學的定律，但它不符合牛頓的萬有引力定律。牛頓的定律說，如果你改變某個空間區域的物質分布，你就會立即感覺到宇宙中別處的引力場的變化。這不僅意味著你能以高於光速（這是相對論認為不可能的）的速度發送信號，而且需要"絕對時間"或者"普遍時間"的存在--主張個人時間或者相對時間的相對論已經徹底批駁了"絕對時間"或者"普遍時間"的存在。

1907年，當愛因斯坦仍在伯爾尼專利局任職時，他已意識到這種困難，但直到他於1911年在布拉格的德意志大學任職後，他才開始認真思考這個問題。他認識到，加速度與引力場之間存在密切關係。某個坐在封閉箱子內的人不可能說出，他是靜止地坐在地球的引力場內，還是受到自由空間內一枚火箭的加速（這是在電視連續劇《星際爭霸戰》的時代之前，愛因斯坦考慮的是電梯內而不是宇宙飛船內的人，但在電梯內，在災難發生之前，你不可能自由地加速或者下降很遠）。

如果地球是平的，有人可能說，蘋果掉在牛頓頭上是因為地心引力，或者說牛頓的腦袋碰到了蘋果，因為他和地球表面受到向上的加速。然而，這種加速與引力之間的等效對圓形的地球來說似乎不起作用；地球另一面的人們勢必受到相反方向的加速，但仍能保持與我們的固定距離。

1912年，當愛因斯坦回到蘇黎世後，他突然靈機一動。他認識到，如果在現實的幾何學中存在某種平等交換，引力與加速之間的等效就可能起作用。如果空時--愛因斯坦發明的一種存在，包括熟悉的空間三維和第四維時間--是彎曲的，而不像曾經設想的那樣是平坦的，那會怎麼樣？他設想，質量和能量可能以某種有待確定的方式使空時變得扭曲。諸如蘋果或者行星等物體可能努力以直線方式穿越時空，但因為時空是彎曲的，它們的移動路線可能因為引力場而顯得彎曲。

在他的朋友格羅斯曼（m.grossmann）幫助下，愛因斯坦研究了有關彎曲的空間和表面的理論。這個理論是黎曼（b.riemann）作為抽象數學的一部分提出的，黎曼無論如何想不到，它將與現實世界有關。1913年，愛因斯坦和格羅斯曼合寫了一篇論文，在這篇論文中提出一種見解：我們所認為的引力只是空時是彎曲的這個事實的表現。然而，由於愛因斯坦的錯誤（他完全具有人的本性，容易犯錯誤），他們未能發現把空時的彎曲與空時中的質量和能量聯繫在一起的方程式。

（三）愛因斯坦在柏林繼續研究這個問題，未受國內事件的打擾，基本上也未受戰爭的影響，直到他於1915年11月終於發現適當的方程式。1915年夏季，愛因斯坦在訪問格丁根大學期間，與數學家希爾伯特（d.hilbert）討論了自己的想法，而希爾伯特已早於愛因斯坦幾天獨立發現了同樣的方程式。然而，正如希爾伯特所承認的，新理論應歸功於愛因斯坦。把引力與時空的彎曲聯繫在一起正是他的主意。這種科學的討論和交流即使在戰時也能不受干擾地進行，這是對這個時期德國的文明狀態的一種讚揚。

有關彎曲的空時的新理論被稱為廣義相對論，以區別於最初的不包括引力的理論，這種最初的理論現在以狹義相對論著稱。廣義相對論在1919年以一種驚人的方式得到證實，當時英國前往西非的一支遠征隊在日食期間觀察到，在太陽附近星星的位置出現輕微的偏轉。正如愛因斯坦曾預言的，這些星星發出的光在經過太陽時是彎曲的。這直接證明了空間和時間是彎曲的。這是歐幾里得在公元前300年左右寫下其《幾何原本》以來，我們對自己所生活的場所的認識的最大變化。

愛因斯坦的廣義相對論使空間和時間從發生事件的消極後台變成了宇宙動力的積极參与者。這導致一個到20世紀末仍處於物理學最前沿的重大問題。宇宙充滿物質，而物質使空時彎曲，物體因此互相吸引。愛因斯坦發現，他的方程式並不具有一種描述在時間上是不變的宇宙的解決辦法。他沒有放棄他和其他大多數人所相信的靜態和永恆的宇宙，而是通過增添所謂的宇宙項修改了這些方程式，宇宙項以另外的方式使空時彎曲，因此物體彼此分開。宇宙項的排斥影響能抵消物質的吸引影響，並使宇宙永久存在。這一證明是理論物理學所錯過的重大機會之一。如果愛因斯坦堅守其最初的方程式，他可能預言，宇宙必定不是在擴大，就是在收縮。事實上，存在一個依賴時間的宇宙的可能性沒有得到認真對待，直到20年代有人在威爾遜山用口徑100英寸的望遠鏡得出觀察數據。這種觀察數據表明，其他星系離我們越遠，遠離的速度就越快。換句話說，宇宙正在不斷擴大。愛因斯坦後來稱宇宙項是他平生所犯的最大錯誤。

廣義相對論徹底改變了有關宇宙起源和命運的討論。一個靜止的宇宙可能永遠存在，或者可能在過去的某個時候以其目前的形式得到創造。另一方面，如果各星系今天正在不斷分開，它們在過去必定彼此更接近。在大約150億年前，它們可能彼此重疊，而它們的密度可能是無限的。根據廣義相對論，宇宙大爆炸是宇宙和時間本身的開始。因此，愛因斯坦或許應該被評為一個更長時期的最偉大人物，而不僅僅是過去100年的最偉大人物。

廣義相對論還預言，時間在黑洞內部將停止。黑洞是空時的一些極其彎曲以致光不能漏出的區域。但是，時間的開始和結束都是廣義相對論方程不能自圓其說之處。因此，廣義相對論不能預測應該從宇宙大爆炸中出現什麼。一些人認為，這表明上帝具有按其希望的任何方式創造宇宙的自由。其他人（包括我本人）覺得，宇宙的開始應該受控制其他所有事情的相同法則的支配。我們已朝著這個目標獲得一些進展，但我們尚未完全理解宇宙的起源。

（四）廣義相對論在宇宙大爆炸上失敗的原因在於，宇宙大爆炸與量子理論不相符合。量子理論是20世紀初期另一次偉大的概念**。向量子理論邁出第一步是在1900年發生的，當時在柏林工作的普朗克(m.planck)發現，如果光只能以某種尺寸的小包裝的形式出現，燒得通紅的物體所輻射的光就能得到解釋--這種形式的光被稱為量子。這就像輻射光與食糖一樣被包裝了起來；你不可能在超市購買任意數量散裝的食糖，你只能購買每袋1磅的食糖。1905年，當愛因斯坦仍在伯爾尼專利局工作時，他寫了一些開拓性論文。他在其中一篇論文中證明，普朗克的量子假設能夠解釋所謂的光電效應--當光落到某些金屬上時這些金屬發出電子的方式。這是現代光探測器和電視攝像機的基礎，而愛因斯坦正是因為這項成果被授予1921年諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦繼續致力於探索量子概念直到20年代，但受到海森伯（w.heisenberg）在哥本哈根、迪拉克（p.dirac）在劍橋和薛定諤(e.schrodinger)在蘇黎世的工作的嚴重干擾，他們提出了一種被稱為量子力學的對現實的新描繪。微小粒子不再具有明確的位置和速度。相反，你越是準確地確定粒子的位置，你就越是可能不那麼準確地確定其速度，反之亦然。

愛因斯坦對基本定律中這種隨機而不可預測的成分感到震驚，始終沒有完全接受量子力學。他的看法表現在他的"上帝不玩骰子"的名言中。然而，其他大多數科學家承認了新的量子定律的有效性，因為量子定律表明與觀察數據非常一致，也因為量子定律看來能解釋各種以前未能解釋的現象。量子定律是化學、分子生物學和電子學的現代發展的基礎，這種發展在過去半個世紀里改變了世界。

1933年，納粹黨人在德國上台執政，愛因斯坦離開德國，並放棄了德國國籍。他在紐約州普林斯頓的高級研究所度過了生命的最後22年。納粹黨人發起一場反對"猶太科學"的運動，而許多德國科學家都是猶太人（他們的大批離去是德國未能造出原子彈的部分原因所在）。愛因斯坦和相對論是這場運動的主要目標。當愛因斯坦被告知出版了《百名作者批駁愛因斯坦》一書時，他答道，為何需要100人？如果我錯了，有一人批駁我已經足夠。

第二次世界大戰後，他敦促同盟國建立一個世界政府，以控制原子彈。1952年，他接到擔任新的以色列國家總統職務的建議，但拒絕了。他曾寫道："政治是暫時的，而……方程是永恆的。"廣義相對論的方程式是他最好的墓志銘和紀念碑。只要宇宙存在，它們就應該存在。

在過去100年里，世界發生的變化大於歷史上其他任何世紀。原因不是政治的，也不是經濟的，而是技術的--直接來自基礎科學的進步的技術。顯然，沒有一個科學家能比《時代》周刊的"世紀偉人"--阿爾伯特·愛因斯坦更好地代表這種進步。