愛因斯坦世紀：愛因斯坦超越了科學

愛因斯坦曾經說過，世上只有兩樣東西可能是無止境的：宇宙，以及人類的愚蠢。同時他坦承，對於前者，他還不那麼確定。

我們聽到這話也許會哈哈大笑，或至少會心一笑。我們並不會感到被侮辱，因為「愛因斯坦」這個名字會讓我們想到一個熱心、慈祥的智者。我們腦海中會浮現出一個和藹可親而頭髮凌亂的天才，他的那些標誌性的形象——騎著自行車、伸著舌頭或是用深邃的目光注視著我們，已經銘刻在了我們的集體文化記憶中。愛因斯坦已象徵了探索智慧的純真與力量。

愛因斯坦於1905年在科學界成名。這一年也被稱為他的奇蹟年。當時他在伯爾尼的瑞士專利局，每周工作6天，每天工作8小時。他用閑暇時間寫出了改變了整個物理學發展進程的4篇論文。那年3月，他提出，一直被認為是波的光其實是由被稱為光子的粒子構成。這一視角隨後敲開了量子力學之門。兩個月之後，愛因斯坦的計算為原子假說提供了可被實驗檢驗的預言。而這一預言隨後也被實驗證實，從而揭示了物質確由原子構成。同年6月他完成了狹義相對論，揭示了時間與空間令人驚訝的行為。簡而言之，距離、速度與時長都會因觀測者不同而改變。9月，愛因斯坦從狹義相對論推導出了世界最著名的公式 ： E=mc2（能量等於質量乘以光速平方），為這一年畫上了完美的句號。

科學通常是循序漸進的。本質性突變即將到來的警鐘很少在科學界被敲響。然而他一個人在一年內將這一警鐘先後敲響了4次，令人震驚的創造性見解接踵而來。科學屆幾乎立刻感覺到愛因斯坦的工作讓人們對真理的認知有了根本的變化。然而對於普通大眾而言，愛因斯坦當時還並未被知曉。

1919年11月6日，這一切都發生了改變。在狹義相對論中，愛因斯坦提出，沒有任何物質的運動速度可以超過光速。這與牛頓的引力論產生了衝突——引力可以於瞬間穿越空間作用於其他物體。愛因斯坦被這一隱約存在的矛盾驅使，開始大膽地探索改寫有數百年歷史的牛頓引力理論。這一工作實在有些嚇人，讓他那些熱心的支持者也覺得不切實際。德國科學泰斗馬克斯?普朗克（Max Planck）感嘆：「作為你的老朋友，我必須勸誡你不要這麼做……你不會成功。即使你成功了也不會有人相信你。」愛因斯坦絕不屈服於權威，他奮力前進，不懈努力，一干就是近十年。

最終於1915年，愛因斯坦對外宣布了他的廣義相對論。這一理論為重塑引力提出了驚人的觀點：時空彎曲。茶杯從手中滑落並非由於地球將其無情地扯向地面，廣義相對論認為，行星使其周圍的環境產生凹陷，導致茶杯順著時空的滑道被引導至地面。愛因斯坦宣稱，引力被刻畫於宇宙幾何之中。

愛因斯坦提出這個理論的一百年周年之際，物理學家與歷史學家整理出了一個複雜卻又連貫的故事來講述它的誕生過程（參見本期文章《廣義相對論背後的故事》）。在我自己的一些科普文章中，我也很樂意追溯愛因斯坦的攀登過程，從一個優雅的策略到蹣跚前行，再到最終攀上高峰。這不但沒有破壞愛因斯坦那創造性飛躍的神秘性，反而通過追尋他的腳步使他令人驚嘆的創新與無比優美的理論更加大放異彩。

1919年11月6日（愛因斯坦完成廣義相對論的4年後），全世界的報刊都報道了一次天文觀測的結果。此次觀測發現，天空中恆星所在的位置與牛頓定律導出的結論存在細微差別，而恰與愛因斯坦的預言相符。這一結果成功地證明了愛因斯坦的理論，並使他一夜成名。他成為了推翻牛頓定律的人，還讓我們人類向自然界的永恆真理又邁進了一大步。

此外，他還是個偉大的榜樣，儘管他不希望被人關注，並反覆重申渴望獨處，但卻非常懂得如何吸引公眾了解他那神秘而又極其重要的發現。他常妙語連珠（例如「我是一個好鬥的和平主義者」）並很樂意扮演一個充滿困惑的天才中的天才的角色。在《城市之光》的首映式上，紅毯上的照相機不停地閃爍，查理?卓別林（Charlie Chaplin）輕聲對愛因斯坦說：「人們因為懂我而為我喝彩，然而他們卻因無法理解你而為你喝彩。」這就是愛因斯坦在大眾心中的形象。剛剛擺脫一戰的疲憊人民真心實意地崇拜著他。

儘管愛因斯坦本人漸漸離開了大眾視線，人們眼中的相對論卻與文化中的其他巨變產生著共鳴。在人們心中，詹姆斯?喬伊斯（James Joyce）與T?S?艾略特（T。 S。 Eliot）打破了語言，巴勃羅?畢加索（Pablo Picasso）與馬塞爾?杜尚（Marcel Duchamp）劈開了畫布，阿諾德?勛伯格（Arnold Schoenberg）與伊戈爾?斯特拉文斯基（Igor Stravinsky）敲碎了音階，而愛因斯坦將時間和空間從過時的模型中釋放出來。

更有甚者，有些人將愛因斯坦刻畫為20世紀先鋒運動的核心靈感，推動文化反思所必要的科學源泉。儘管這種認為自然真理激起的波浪可以拂去舊文化之塵埃的觀點十分浪漫，我卻從未考證到令人信服的證據能將這些文化巨變與愛因斯坦的科學發現緊密聯繫起來。一種廣泛流傳的對相對論的誤解——它消除了客觀真相——導致人們錯誤地將其與文化領域相關聯。有趣的是，愛因斯坦本人的品味卻十分傳統。相比現代作曲家他更熱衷於巴赫與莫扎特。同時他寧可保留已被磨損的傳統裝飾也不願接受別人送他的新傢具。

公平地說，20世紀早期湧現出了許多革命性的思想，它們的確也曾互相混合。而愛因斯坦也確實是其中的典型代表，向人們展示了打破長期傳統思維方式可以開闢激動人心的新天地。

一個世紀過去了，愛因斯坦開闢出的土地至今依舊肥沃且充滿生機。廣義相對論於20世紀20年代又衍生出了研究整個宇宙起源及演化的現代宇宙學。俄國數學家亞歷山大?弗里德曼（Aleksandr Friedmann）與比利時物理學家兼牧師喬治?勒梅特（Georges Lamaitre）各自獨立運用愛因斯坦方程推導出宇宙空間正在膨脹。愛因斯坦對這一結論表示反對，甚至通過引入「宇宙學常數」來改寫自己的方程以確保存在一個穩定的宇宙。然而之後埃德溫?哈勃（Edwin Hubble）的觀測表明，遠處的星系的確正在遠離我們而去。而愛因斯坦也最終被說服，承認宇宙正在膨脹並改回了他最初的方程。今天正在膨脹的宇宙說明曾經的宇宙比現在小，進而暗示著整個宇宙由一個被勒梅特稱為「初始原子」（primeval atom）的原始微粒膨脹而來。於是便誕生了大爆炸理論。

在接下來的數十年，大爆炸理論通過不斷被改進得到了充分的發展（當今被最廣泛接受的版本是暴脹理論），並通過了眾多的觀測檢驗。其中一個實驗揭示了在過去70億年中宇宙不但在膨脹，而且還在加速膨脹。這一觀測獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。至於如何解釋這一觀測結果，我們又要重新啟用那很久之前被愛因斯坦丟棄的宇宙學常數來擴展已有的大爆炸理論。我們從中獲得了什麼啟示？如果我們等待足夠長的時間，即使那些愛因斯坦的錯誤觀點也會被發現是正確的（參見本期文章《愛因斯坦的四大錯誤》）。

德國天文學家卡爾?史瓦西（Karl Schwarzschild）更早就從廣義相對論中得到了啟發。他當時在一戰中位於俄國前線上，在計算炮彈軌道的休息間隙首次推導出了愛因斯坦方程的精確解，並對球狀天體（例如太陽）產生的扭曲時空做出了精確的描述。作為副產品，史瓦西的結果還揭示了一個奇特的現象。如果我們將天體壓縮到足夠小的空間——例如將太陽壓縮到三英里的範圍內——時空將會被極度扭曲以至於凡是靠近它的物體都會被它俘獲，即使光也不例外。用現在的話來說，史瓦西揭示了黑洞存在的可能性。

在當時，黑洞似乎遙不可及。在大多數人眼中，它只是一個數學上的奇特解而與現實世界並無關係。然而，孰對孰錯最終並不是由人們的經驗決定，而是由實驗觀測來揭示。當今天文數據表明黑洞不僅存在，而且大量地存在。儘管它們非常遙遠，不便於直接探索，但卻是物理學家不可或缺的理論實驗室。自20世紀70年代斯蒂芬?霍金（Stephen Hawking）影響力巨大的計算開始，物理學家越來越相信黑洞的極端環境使它成為進一步發展廣義相對論的理想場所，尤其是使它與量子力學相融合（參見本期文章《靠近黑洞，驗證廣義相對論》）。的確，當今最熱門的爭論之一便是量子過程如何影響我們對黑洞最外層邊緣（視界）和其內部結構的認知。

總而言之，紀念廣義相對論一百周年絕非僅僅在回顧歷史。愛因斯坦的廣義相對論已融入了當今最前沿的研究中。那麼愛因斯坦是如何做到的？他究竟如何做出了具有如此深遠影響的貢獻？儘管愛因斯坦並沒有發明立體主義或無調性音樂，但他使我們相信，一個人可以利用自己的智慧，通過努力思索揭開宇宙真理。儘管愛因斯坦作為科學家與大眾廣泛交往，然而他的重大突破都來源於他獨處時的瞬間靈感。那些見解的出現難道是來源於他大腦的獨特結構？還是來自他從不墨守成規的思考方式？亦或是來源於他專註於某事的那份執著與不屈？

也許，紀念廣義相對論的一百周年絕非僅僅在回顧歷史。愛因斯坦的廣義相對論已融入到了當今最前沿的研究中。大概，可能……當然，事實上無人知曉。我們可以編出許多故事講述某人如何獲得了這樣那樣的想法，然而問題的關鍵在於，任何思想和見解的形成都會受到很多因素的影響，多到無法具體分析。

拋開浮誇的描寫，最好的解釋便是愛因斯坦用最佳的思路在最佳的時刻解決了一系列物理難題。至於何為最佳的時刻，愛因斯坦在發現廣義相對論之後數十年中數量繁多但相對平凡的貢獻說明，他的智慧中針對物理的特定靈感已經過去。他的偉大成就以及他留下的豐富遺產，促使我們提出另一個推測性的問題：是否存在另一個愛因斯坦？如果我們僅僅在尋求一個能有力推動科學進步的天才，那麼答案自然是肯定的。在愛因斯坦之後的半個世紀中的確又出現過許多偉大的科學家。

然而，如果我們想再次遇到一個能讓整個世界關注的天才，並且這種關注並非源於體育或娛樂上的成就，而是來自對人類智慧力量的讚歎，那這真的是一個值得思考的問題——到了何種程度才會讓我們整個人類文明都視他為珍寶。（本文譯者 曹杉杉，杜克大學物理學博士，現在勞倫斯國家實驗室從事高能核物理方面的研究。）