第八章 愛因斯坦的宇宙
隨著19世紀(jì)漸漸遠(yuǎn)去，科學(xué)家們可以滿意地回想，他們已經(jīng)解開物理學(xué)的大部分謎團(tuán) 。
我們略舉數(shù)例：電學(xué)、磁學(xué)、氣體學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、動(dòng)力學(xué)及統(tǒng)計(jì)力學(xué)，都已經(jīng)在他們的面前俯首稱臣。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了x射線、陰極射線、電子和放射現(xiàn)象，發(fā)明了計(jì)量單位歐姆、瓦特、開爾文、焦耳、安培和小小的爾格。
凡是能被振蕩的，能被加速的，能被干擾的，能被蒸餾的，能被化合的，能被稱質(zhì)量的，或能被變成氣體的，他們都做到了；在此過程中，他們提出了一大堆普遍定律。這些定律非常重要，非常神氣，直到今天我們還往往以大寫來書寫："光的電磁場理論"、"里氏互比定律"、"查理氣體定律"、"體積結(jié)合定律"、"第零定律"、"原子價(jià)概念"、"質(zhì)量作用定律"等等，多得數(shù)也數(shù)不清。整個(gè)世界丁丁當(dāng)當(dāng)、喀嚓喀嚓地回響著他們發(fā)明創(chuàng)造出來的機(jī)器和儀器的聲音。許多聰明人認(rèn)為，科學(xué)家們已經(jīng)沒有多少事可干了。
1875年，德國基爾有一位名叫馬克斯·普朗克的年輕人猶豫不決，不知道這輩子究竟是該從事數(shù)學(xué)還是該從事物理學(xué)。人們由衷地勸他不要選擇物理學(xué)，因?yàn)槲锢韺W(xué)的重大問題都已得到解決。他們斬釘截鐵地告訴他，下個(gè)世紀(jì)將是個(gè)鞏固和提高的世紀(jì)，不是個(gè)革命的世紀(jì)。普朗克不聽，他鉆研理論物理學(xué)，潛心投入了熱力學(xué)的核心問題——熵的研究工作。
在一個(gè)雄心勃勃的年輕人看來，研究這個(gè)問題似乎很有前途。1891年，他做出了成果，卻吃驚地發(fā)現(xiàn)，關(guān)于熵的這項(xiàng)重要工作實(shí)際上已經(jīng)有人做過。他是耶魯大學(xué)一位離群索居的學(xué)者，名叫j.威拉德·吉布斯。
吉布斯是個(gè)很杰出的人物，但大多數(shù)人也許沒有聽說過。他行為檢束，很少拋頭露面。
除了去歐洲搞了三年研究以外，他的一輩子差不多都是在一個(gè)三個(gè)街區(qū)的范圍之內(nèi)度過的：一邊是他的家，一邊是耶魯大學(xué)在康涅狄格州紐黑文的校園。在耶魯大學(xué)的最初十年里，他連工資都懶得去領(lǐng)。（他有另外的收入。）從1871年起，他成為該大學(xué)的一名教授，直到1903年去世。在此期間，每學(xué)期選他的課的學(xué)生平均只有一名。他寫的東西晦澀難懂，經(jīng)常使用自己發(fā)明的符號(hào)，許多人覺得簡直是天書。但是，在那些神秘的公式深處，隱藏著最英明、最深刻的見解。
1875-1878年期間，吉布斯寫出了一系列論文，編成了《論多相物質(zhì)的平衡》的集子。
該書出色地闡述了近乎一切熱力學(xué)原理——用威廉·h.庫珀的話來說，包括"氣體、混合物、平面、固體、相移化學(xué)反應(yīng)、電化電池、沉淀以及滲透"。歸根結(jié)底，吉布斯想要表明，熱力學(xué)不僅適用于蒸汽機(jī)這樣的龐大而又嘈雜的范圍里的熱量和能量，而且在化學(xué)反應(yīng)的原子層面上也同樣存在，而且影響很大。吉布斯的《平衡》一直被稱為"熱力學(xué)原理"，但出于無法猜測(cè)的原因，吉布斯情愿將這些具有劃時(shí)代意義的見解發(fā)表在《康涅狄格州藝術(shù)與科學(xué)院學(xué)報(bào)》上，那是一份即使在康涅狄格州也毫無名氣的雜志。這就是為什么普朗克直到很晚的時(shí)候才聽說他的名字的原因。
普朗克沒有泄氣——哎呀，也許稍稍有點(diǎn)膽怯，開始把注意力轉(zhuǎn)向別的問題。1這方面的事，我們等一會(huì)兒再說，先稍稍地（而又恰當(dāng)?shù)兀Q個(gè)方向，前往俄亥俄州的克利夫蘭，去一家當(dāng)時(shí)被稱為凱斯實(shí)用科學(xué)學(xué)校的機(jī)構(gòu)。19世紀(jì)80年代，那里有一位剛到中年的物理學(xué)家，名叫阿爾伯特·邁克爾遜。他在他的朋友化學(xué)家愛德華·莫雷的協(xié)助之下，進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。那些試驗(yàn)得出了很有意思而又令人吃驚的結(jié)果，將對(duì)以后的許多事情產(chǎn)生重大的影響。
邁克爾遜和莫雷所做的——實(shí)際上是在無意之中所做的——破壞了長期以來人們對(duì)一種所謂光以太的東西的信念。那是一種穩(wěn)定、看不見、沒有重量、沒有摩擦力、不幸又完全是想像出來的媒質(zhì)。據(jù)認(rèn)為，這種媒質(zhì)充滿宇宙。以太是笛卡兒假設(shè)的，牛頓加以接受，之后差不多人人都對(duì)它懷有崇敬之情，在19世紀(jì)物理學(xué)中占有絕對(duì)的中心地位，用來解釋為什么光能夠在空蕩蕩的太空里傳播。它在19世紀(jì)初尤其必不可少，因?yàn)楣夂碗姶旁谶@時(shí)候被看成是波，也就是說某種振動(dòng)。振動(dòng)必須在什么東西里面才能發(fā)生，因此，就需要一種以太，并長期認(rèn)為存在一種以太。直到1909年，偉大的英國物理學(xué)家j.j.湯姆森仍堅(jiān)持說："以太不是哪位愛好思索的哲學(xué)家的憑空想像，它對(duì)我們來說就像我們呼吸的空氣那樣不可缺少。"——他說這番話4年多以后，就無可爭議地確定以太并不存在?？偠灾?，人們確實(shí)離不開以太。
如果你需要說明19世紀(jì)的美國是個(gè)機(jī)會(huì)之鄉(xiāng)的理念，那么你很難再找到像阿爾伯特·邁克爾遜這樣的例子。他1852年生于德國和波蘭邊境地區(qū)的一個(gè)貧苦的猶太商人家庭，小時(shí)候隨家人來到美國，在加利福尼亞州一個(gè)淘金熱地區(qū)的礦工村里長大。他的父親在那里做干貨生意。家里太窮，他上不起大學(xué)，便來到首都華盛頓，在白宮的正門口游來晃去，希望能在尤利塞斯·s.格蘭特每天出來散步時(shí)碰上這位總統(tǒng)。（那顯然是個(gè)比較樸實(shí)的年代。）在這樣散步的過程中，邁克爾遜深深博得了總統(tǒng)的歡心，格蘭特竟然答應(yīng)免費(fèi)送他去美國海軍學(xué)院學(xué)習(xí) 。就是在那里，邁克爾遜攻讀了物理學(xué)。
10年以后，邁克爾遜已經(jīng)是克利夫蘭凱斯學(xué)校的一名教授，開始有興趣測(cè)量一種名叫以太漂移的東西——運(yùn)動(dòng)物體穿越空間所產(chǎn)生的一種頂頭風(fēng)。牛頓物理學(xué)的預(yù)言之一是，在觀察者看來，光在穿越以太過程中的速度是不一樣的，取決于觀察者是朝著還是逆著光源的方向移動(dòng)。但誰也想不出對(duì)此進(jìn)行測(cè)量的方法。邁克爾遜突然想到，地球有半年時(shí)間是朝著太陽的方向運(yùn)動(dòng)，有半年時(shí)間是逆著太陽的方向運(yùn)動(dòng)的。他認(rèn)為，只要在相對(duì)的季節(jié)里進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量，把兩者之間光的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行比較，就能找到答案。
邁克爾遜說服電話的發(fā)明者、剛剛發(fā)了財(cái)?shù)膩啔v山大·格雷厄姆·貝爾提供資金，制造了一臺(tái)邁克爾遜自己設(shè)計(jì)的巧妙而靈敏的儀器，名叫干涉儀，用來非常精確地測(cè)定光的速度。接著，在和藹而又神秘的莫雷的協(xié)助下，邁克爾遜進(jìn)行了幾年的精心測(cè)量。這是一件非常細(xì)致而又很花力氣的活兒，邁克爾遜的精神一下子完全垮了，工作不得不中斷了一段時(shí)間。
但是，到1887年，他們有了結(jié)果。而且，這個(gè)結(jié)果完全出乎這兩位科學(xué)家的意料。
加州理工大學(xué)天體物理學(xué)家基普·s.索恩寫道："結(jié)果證明，光的速度在各個(gè)方向、各個(gè)季節(jié)都是一樣的。"這是200年來——實(shí)際上恰好是200年——出現(xiàn)的第一個(gè)跡象，說明牛頓定律也許不是在任何時(shí)候、任何地方都適用的。用威廉·h.克羅珀的話來說，邁克爾遜-莫雷結(jié)果成為"很可能是物理學(xué)史上最負(fù)面的結(jié)果"。為此，邁克爾遜獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——從而成為獲此殊榮的第一位美國人——但要過20年之后。與此同時(shí)，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)像一股霉味那樣令人不快地浮動(dòng)在科學(xué)家的腦海深處。
令人注目的是，盡管他有了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)20世紀(jì)來到的時(shí)候，邁克爾遜覺得自己和別人一樣，認(rèn)為科學(xué)工作快要走到盡頭——用一位作者在《自然》雜志上的話來說："只要添上幾個(gè)角樓和尖頂，在房頂上刻幾處浮雕就夠了。"
當(dāng)然，實(shí)際上，世界即將進(jìn)入一個(gè)科學(xué)的世紀(jì)。到時(shí)候，誰都會(huì)懂得一點(diǎn)，誰都不會(huì)什么都懂?？茖W(xué)家快要發(fā)現(xiàn)自己在粒子和反粒子的汪洋大海里漂浮，東西瞬間存在，瞬間消失，使毫微秒時(shí)間也顯得十分緩慢，平平常常，一切都是那么古怪?？茖W(xué)正從宏觀物理學(xué)向微觀物理學(xué)轉(zhuǎn)變。前者，物體看得見，摸得著，量得出；后者，事情倏忽發(fā)生，快得不可思議，完全超出了想像的范圍。我們快要進(jìn)入一個(gè)量子時(shí)代，而推動(dòng)其大門的第一人就是那位迄今為止一直很倒霉的馬克斯·普朗克。
1900年，普朗克42歲，已是柏林大學(xué)的理論物理學(xué)家。他揭示了一種新的"量子理論"
，該理論認(rèn)為，能量不是一種流水般連續(xù)的，而是一包包地傳送的東西，他稱其為量子。這確實(shí)是一種新奇的概念，而且是一種很好的概念。從短期來說，它能為邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)之謎提供一種解釋，因?yàn)樗砻鞴庠瓉聿灰欢ㄊ且环N波動(dòng)。從長遠(yuǎn)來說，它將為整個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)奠定基礎(chǔ)。無論如何，它是第一個(gè)跡象，表明世界快要發(fā)生變化。
但是，劃時(shí)代意義的事件——一個(gè)新時(shí)代的黎明——要到1905年才發(fā)生。當(dāng)時(shí)，德國的物理學(xué)雜志《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了一系列論文，作者是一位年輕的瑞士職員。他沒有上過大學(xué)，沒有用過實(shí)驗(yàn)室，通常跑的也只是伯爾尼國家專利局的小小圖書館。他是專利局的三級(jí)技術(shù)審查員。（他申請(qǐng)?zhí)嵘秊槎?jí)審查員，但遭到了拒絕。）
他的名字叫阿爾伯特·愛因斯坦。在那個(gè)重要的一年，他向《物理學(xué)年鑒》遞交 了五篇論文，用c.p.斯諾的話來說，其中三篇"稱得上是物理學(xué)史上最偉大的作品"——一篇使用普朗克剛剛提出的量子理論審視光電效應(yīng)，一篇論述懸浮小粒子的狀況（即現(xiàn)在所謂的布朗運(yùn)動(dòng)），一篇概述了狹義相對(duì)論。
第一篇解釋了光的性質(zhì)（還促使許多事情成為可能，其中包括電視），為作者贏得了一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。第二篇提供了證據(jù)，證明原子確實(shí)存在——令人吃驚的是，這個(gè)事實(shí)過去一直存在一些爭議。第三篇完全改變了世界。
愛因斯坦1879年生于德國南部的烏爾姆，但在慕尼黑長大。他的早年生活幾乎難以說明他將來會(huì)成為大人物。大家都知道，他到三歲才學(xué)會(huì)說話。19世紀(jì)90年代，他父親的電器生意破產(chǎn)，舉家遷往米蘭，但這時(shí)候已經(jīng)十來歲的阿爾伯特去了瑞士繼續(xù)他的學(xué)業(yè)——雖然他一開始就沒有通過大學(xué)入學(xué)考試。1896年，他放棄了德國籍，以免被征入伍，進(jìn)入了蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，攻讀旨在培養(yǎng)中學(xué)教師的四年制課程。他是一名聰明而又不突出的學(xué)生。
1900年，他從學(xué)校畢業(yè)，沒過幾個(gè)月就開始把論文投給《物理學(xué)年鑒》。他的第一篇論文論述（在那么多可寫的東西中偏偏論述）吸管里流體的物理學(xué)，與普朗克的量子理論發(fā)表在同一期上。從1902年到1904年，他寫出了一系列關(guān)于統(tǒng)計(jì)力學(xué)的論文，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多產(chǎn)的j.威拉德·吉布斯1901年在康涅狄格州已經(jīng)悄悄地發(fā)表了同樣的作品：《統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本原理》。
阿爾伯特曾愛上一位同學(xué)，一位名叫米勒娃·瑪麗奇的匈牙利姑娘。1901年，他們沒有結(jié)婚就生了個(gè)孩子，一個(gè)女兒。他們很謹(jǐn)慎，把孩子給了人家。愛因斯坦從沒有見過自己的孩子。兩年以后，他和瑪麗奇結(jié)了婚。在此期間，愛因斯坦接受了瑞士專利局的一個(gè)職位，在那里待了隨后的7年。他很喜歡這份工作：它很有挑戰(zhàn)性，能使他的腦子忙個(gè)不停，但又不至于轉(zhuǎn)移他對(duì)物理學(xué)的注意力。就是在這種背景下，他于1905年創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。
《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，無論是在表達(dá)方式還是在內(nèi)容上，都是發(fā)表過的最優(yōu)秀的科學(xué)論文之一。它沒有腳注，也沒有引語，幾乎不用數(shù)學(xué)，沒有提及影響過該論文或在該論文之前的任何作品，只是對(duì)一個(gè)人的幫助致以謝意。他是專利局的一名同事，名叫米歇爾·貝索。c.p.斯諾寫道，愛因斯坦好像"全憑思索，獨(dú)自一人，沒有聽取別人的意見就得出了結(jié)論。在很大程度上，情況就是這樣"。
他著名的等式e=mc2在這篇論文中沒有出現(xiàn)，但出現(xiàn)在幾個(gè)月以后的一篇短小的補(bǔ)充里。你可以回憶一下學(xué)校里學(xué)過的東西，等式中的e代表能量，m代表質(zhì)量，c2代表光速的平方。
用最簡單的話來說，這個(gè)等式的意思是：質(zhì)量和能量是等價(jià)的。它們是同一東西的兩種形式：能量是獲釋的質(zhì)量；質(zhì)量是等待獲釋的能量。由于c2（光速的平方）是個(gè)大得不得了的數(shù)字，這個(gè)等式意味著，每個(gè)物體里都包含著極其大量——真正極其大量——的能量。1你或許覺得自己不大健壯，但是，如果你是個(gè)普通個(gè)子的成人 ，你那不起眼的軀體里包含著不少于7×1018焦耳的潛能——爆炸的威力足足抵得上30顆氫彈，要是你知道怎么釋放它，而且確實(shí)愿意這么做的話。每種物體內(nèi)部都蘊(yùn)藏著這樣的能量。我們只是不大善于把它釋放出來而已。連一顆鈾彈——我們迄今為止制造出的能量最大的家伙——釋放出的能量還不足它可以釋放出的能量的1％，要是我們更聰明點(diǎn)的話。
其中，愛因斯坦的理論解釋了放射作用是怎么發(fā)生的：一塊鈾怎么源源不斷地釋放出強(qiáng)輻射能量，而又不像冰塊那樣融化。（只要把質(zhì)量極其有效地轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，這是辦得到的：e=mc2。）該理論解釋了恒星為什么可以燃燒幾十億年而又不把燃料用盡。（同上。）愛因斯坦用一個(gè)簡單的公式，一下子使地質(zhì)學(xué)家和天文學(xué)家的視界開闊了幾十億年。該理論尤其表明，光速是不變的，最快的，什么速度也超不過它。因此，這使我們一下子弄清了宇宙性質(zhì)的核心。而且，該理論還解決了光以太的問題，說明它并不存在。愛因斯坦的宇宙不需要以太。
物理學(xué)家一般不大重視瑞士專利局職員發(fā)表的東西，因此盡管提供的信息又多又有用，愛因斯坦的論文并沒有引起多少注意。由于剛剛解開宇宙中幾個(gè)最難解開的謎團(tuán) ，愛因斯坦申請(qǐng)大學(xué)講師的職位，但是遭到拒絕，接著又申請(qǐng)中學(xué)教師的職位，再次遭到拒絕。于是，他重新干起三級(jí)審查員的活兒——不過，他當(dāng)然沒有停止思索。他離大功告成還遠(yuǎn)著呢。
有一次，詩人保羅·瓦萊里問愛因斯坦，他是不是隨身帶著個(gè)筆記本記錄自己的思想，愛因斯坦稍稍而又著實(shí)吃驚地看了他一眼。"哦，那是沒有必要的，"他回答說，"我極少帶個(gè)筆記本。"我無須指出，要是他真的帶個(gè)本子的話，倒是很有好處的。愛因斯坦的下一個(gè)點(diǎn)子，是一切點(diǎn)子中最偉大的點(diǎn)子——布爾斯、莫茨和韋弗在他們很有創(chuàng)見的原子科學(xué)史中說，這確實(shí)是最最偉大的點(diǎn)子。"作為一個(gè)腦子的獨(dú)創(chuàng)，"他們寫道，"這無疑是人類最高的智力成就。"這個(gè)評(píng)價(jià)當(dāng)然很高。
1907年，反正有時(shí)候書上是這么寫的，有個(gè)工人從房頂上掉了下來，愛因斯坦就開始考慮引力的問題。天哪，像許多動(dòng)人的故事一樣，這個(gè)故事的真實(shí)性似乎存在問題。據(jù)愛因斯坦自己說，他想到引力問題的時(shí)候，當(dāng)時(shí)只是坐在椅子上。
實(shí)際上，愛因斯坦想到的更像是開始為引力問題找個(gè)答案。他從一開頭就清楚地認(rèn)識(shí)到，狹義相對(duì)論里缺少一樣?xùn)|西，那就是引力。狹義相對(duì)論之所以"狹義"，是因?yàn)樗芯康耐耆窃跓o障礙的狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的東西。但是，要是一個(gè)運(yùn)動(dòng)中的東西——尤其是光——遇到了比如引力這樣的障礙會(huì)怎么樣？在此后10年的大部分時(shí)間里，他一直在思索這個(gè)問題，最后于1917年初發(fā)表了題為《關(guān)于廣義相對(duì)論的宇宙學(xué)思考》的論文。當(dāng)然，1905年的狹義相對(duì)論是一項(xiàng)深刻而又重要的成就。但是，正如c.p.斯諾有一次指出的，要是愛因斯坦沒有想到，別人也會(huì)想到，很可能在5年之內(nèi)。這是一件在等著要發(fā)生的事。但是，那個(gè)廣義相對(duì)論完全是另一回事。"沒有它，"斯諾在1979年寫道，"我們今天有可能還在等待那個(gè)理論。"
愛因斯坦常手拿煙斗，和藹可親，不愛露面，一頭亂發(fā)，真是個(gè)非凡人物。這樣的人物不可能永遠(yuǎn)默默無聞。1919年，戰(zhàn)爭結(jié)束了，世界突然發(fā)現(xiàn)了他。幾乎同時(shí)，他的相對(duì)論以普通人無法搞懂出了名?！都~約時(shí)報(bào)》決定寫一篇報(bào)道——由于永遠(yuǎn)令人想不通的原因——派了該報(bào)一個(gè)名叫亨利·克勞奇的高爾夫運(yùn)動(dòng)記者去負(fù)責(zé)這次采訪，結(jié)果正如戴維·博丹尼斯在他出色的《e=mc2》一書中指出的，根本不解決問題。
這次采訪令克勞奇力不從心，他差不多把什么都搞錯(cuò)了。他的報(bào)道里有許多令人難忘的錯(cuò)誤，其中之一，他斷言，愛因斯坦找了個(gè)膽子很大的出版商，敢于出版一本全世界只有12個(gè)人看得懂的書。當(dāng)然，根本不存在這樣的書，根本不存在這樣的出版商，也根本不存在這么狹小的學(xué)術(shù)界，但這種看法已深入了人心。過不多久，在人們的想像中，搞得懂相對(duì)論的人數(shù)又少了許多——應(yīng)當(dāng)指出，科學(xué)界對(duì)這種神話沒有去加以澄清。
有一位記者問英國天文學(xué)家阿瑟·愛丁頓，他是不是真的就是世界上僅有的三個(gè)能理解愛因斯坦的相對(duì)論的人之一。愛丁頓認(rèn)真地想了片刻，然后回答說："我正在想誰是第三個(gè)人呢。"實(shí)際上，相對(duì)論的問題并不在于它涉及許多微分方程、洛倫茲變換和其他復(fù)雜的數(shù)學(xué)（雖然它確實(shí)涉及——有的方面連愛因斯坦也需要?jiǎng)e人幫忙），而是在于它不是憑直覺所能完全搞懂的。
實(shí)質(zhì)上，相對(duì)論的內(nèi)容是：空間和時(shí)間不是絕對(duì)的，而是既相對(duì)于觀察者，又相對(duì)于被觀察者；一個(gè)人移動(dòng)得越快，這種效果就越明顯。我們永遠(yuǎn)也無法將自己加速到光的速度；相對(duì)于旁觀者而言，我們?cè)绞桥Γㄒ虼宋覀冏叩迷娇欤?，我們的模樣就越?huì)失真。
幾乎同時(shí)，從事科學(xué)普及的人想要設(shè)法使廣大群眾弄懂這些概念。數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家羅素寫的《相對(duì)論abc》就是一次比較成功的嘗試——至少在商業(yè)上可以這么說。羅素在這本書里使用了至今已經(jīng)多次使用過的比喻。他讓讀者想像一列90米長的火車在以光速的60％行駛。對(duì)于立在站臺(tái)上望著它駛過的人來說，那列火車看上去會(huì)只有70余米長，車上的一切都會(huì)同樣縮小。要是我們聽得見車上的人在說話，他們的聲音聽上去會(huì)含糊不清，十分緩慢，猶如唱片放得太慢，他們的行動(dòng)看上去也會(huì)變得很笨拙。連車上的鐘也會(huì)似乎只在以平常速度的五分之四走動(dòng)。
然而——問題就在這里——車上的人并不覺得自己變了形。在他們看來，車上的一切似乎都很正常。倒是立在站臺(tái)上的我們古怪地變小了，動(dòng)作變慢了。你看，這一切都和你與移動(dòng)物體的相對(duì)位置有關(guān)系。
實(shí)際上，你每次移動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生這樣的效果。乘飛機(jī)越過美國，你會(huì)用大約一百億億分之一秒踏出飛機(jī)，比在你后面離開飛機(jī)的人要年輕一些。即使從屋子的這頭走到那頭的時(shí)候，你自己所經(jīng)歷的時(shí)間和空間也會(huì)稍有改變。據(jù)計(jì)算，一個(gè)以每小時(shí)160公里的速度拋出去的棒球，在抵達(dá)本壘板的過程中會(huì)獲得0.000000000002克物質(zhì)。因此，相對(duì)論的作用是具體的，可以測(cè)定的。問題在于，這種變化太小，我們毫無察覺。但是，對(duì)于宇宙中別的東西來說——光、引力、宇宙本身——這些就都是舉足輕重的大事了。
因此，如果說相對(duì)論的概念好像有點(diǎn)兒怪，那只是因?yàn)槲覀冊(cè)谡５纳钪袥]有經(jīng)歷這類相互作用。不過，又不得不求助于博尼丹斯，我們大家都經(jīng)常遇到其他種類的相對(duì)論——比如聲音。要是你在公園里，有人在演奏難聽的音樂，你知道，要是你走得遠(yuǎn)一點(diǎn)，音樂好像就會(huì)輕一點(diǎn)。當(dāng)然，那并不是因?yàn)橐魳氛娴妮p了點(diǎn)，而只是因?yàn)槟銓?duì)于音樂的位置發(fā)生了變化。對(duì)于體積很小的或行動(dòng)緩慢的，因此無法有同樣經(jīng)歷的東西來說——比如蝸牛——也許難以置信，一個(gè)喇叭似乎同時(shí)能對(duì)兩個(gè)聽眾放出兩種音量的音樂。
在"廣義相對(duì)論"的眾多概念中，最具挑戰(zhàn)性的，最直覺不到的，在于時(shí)間是空間的組成部分這個(gè)概念。我們本能地把時(shí)間看做是永恒的，絕對(duì)的，不可改變的，相信什么也干擾不了它的堅(jiān)定步伐。事實(shí)上，愛因斯坦認(rèn)為，時(shí)間是可以更改的，不斷變化的。時(shí)間甚至還有形狀。一份時(shí)間與三份空間結(jié)合在一起——用斯蒂芬·霍金的話來說是"無法解脫地交 織在一起"——不可思議地形成一份"時(shí)空"。
通常，時(shí)空是這樣解釋的：請(qǐng)你想像一樣平坦而又柔韌的東西——比如一塊地毯或一塊伸直的橡皮墊子——上面放個(gè)又重又圓的物體，比如鐵球。鐵球的重量使得下面的底墊稍稍伸展和下陷。這大致類似于太陽這樣的龐然大物（鐵球）對(duì)于時(shí)空（底墊）的作用：鐵球使底墊伸展、彎曲、翹起?，F(xiàn)在，要是你讓一個(gè)較小的球從底墊上滾過去，它試圖做直線運(yùn)動(dòng)，就像牛頓運(yùn)動(dòng)定律要求的那樣。然而，當(dāng)它接近大球以及底墊下陷部分的時(shí)候，它就滾向低處，不可避免地被大球吸了過去。這就是引力——時(shí)空彎曲的一種產(chǎn)物。
凡有質(zhì)量的物體在宇宙的底墊上都能造成一個(gè)小小的凹坑。因此，正如丹尼斯·奧弗比說的，宇宙是個(gè)"最終的下陷底墊"。從這個(gè)觀點(diǎn)來看，引力與其說是一種東西，不如說是一種結(jié)果——用物理學(xué)家米奇奧·卡庫的話來說："不是一種力，而是時(shí)空彎曲的一件副產(chǎn)品。"卡庫接著又說："在某種意義上，引力并不存在；使行星和恒星運(yùn)動(dòng)的是空間和時(shí)間的變形。"
當(dāng)然，以下陷的底墊來作比喻，只能幫助我們理解到這種程度，因?yàn)闆]有包含時(shí)間的作用。話雖這么說，其實(shí)我們的大腦也只能想像到這個(gè)地步。若要想像空間和時(shí)間以3∶1的比例像線織成一塊格子地墊那樣織成一份時(shí)空，這幾乎是不可能的。無論如何，我想我們會(huì)一致認(rèn)為，對(duì)于一位凝視著瑞士首都專利局窗外的年輕人來說，這確實(shí)是個(gè)了不起的見解。
愛因斯坦的廣義相對(duì)論提出了許多見解。其中，他認(rèn)為，宇宙心總是或者膨脹或者收縮的。但是，愛因斯坦不是一位宇宙學(xué)家，他接受了流行的看法，即宇宙是固定的，永恒的。
多少出于本能，他在自己的等式里加進(jìn)了他所謂的宇宙常數(shù)。他把它作為一種數(shù)學(xué)暫停鍵，武斷地以此來抵消引力的作用?？茖W(xué)史書總是原諒愛因斯坦的這個(gè)失誤，但這其實(shí)是科學(xué)上一件很可怕的事。他把它稱之為"我一生中所犯的最大錯(cuò)誤"。
說來也巧，大約就在愛因斯坦為自己的理論添上一個(gè)常數(shù)的時(shí)候，在亞利桑那州的洛厄爾天文臺(tái)，有一位天文學(xué)家在記錄遠(yuǎn)方恒星的光譜圖上的讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)恒星好像在離我們遠(yuǎn)去。該天文學(xué)家有個(gè)來自星系的動(dòng)聽名字：維斯托·斯萊弗（他其實(shí)是印第安納州人）。原來，宇宙不是靜止的。斯萊弗發(fā)現(xiàn)，這些恒星明確顯示出一種多普勒頻移的跡象——跟賽車場上飛馳而過的汽車發(fā)出的那種連貫而又特有的"嚓——嗖"的聲音屬于同一機(jī)制。1這種現(xiàn)象也適用于光；就不停遠(yuǎn)去的星系而言，它被稱之為紅移（因?yàn)殡x我們遠(yuǎn)去的光是向光譜的紅端移動(dòng)的，而朝我們射來的光是向藍(lán)端移動(dòng)的）。
斯萊弗第一個(gè)注意到光的這種作用，意識(shí)到這對(duì)將來理解宇宙的運(yùn)動(dòng)十分重要。不幸的是，誰也沒有太多注意他。你會(huì)記得，珀西瓦爾·洛厄爾在這里潛心研究過火星上的運(yùn)河，因此洛厄爾天文臺(tái)是個(gè)比較獨(dú)特的地方。到了20世紀(jì)的前10年，它在任何意義上都成了研究天文的前哨陣地。斯萊弗不知道愛因斯坦的相對(duì)論，世界也同樣不知道斯萊弗，因此，他的發(fā)現(xiàn)沒有影響。
榮譽(yù)反而屬于一個(gè)非常自負(fù)的大人物，他的名字叫埃德溫 ·哈勃。哈勃1889年生于歐扎克高原邊緣的一個(gè)密蘇里州小鎮(zhèn)，比愛因斯坦小10歲；他在那里及芝加哥郊區(qū)伊利諾伊的惠頓長大。他的父親是一名成功的保險(xiǎn)公司經(jīng)理，因此家里的生活總是很優(yōu)裕。埃德溫 還天生有個(gè)好的身體。他是個(gè)有實(shí)力、有天賦的運(yùn)動(dòng)員，魅力十足，時(shí)髦瀟灑，相貌堂堂——用威廉·h.克羅珀的話來說，"英俊到了不適當(dāng)?shù)某潭?；用另一位崇拜者的話來說，"美得像美神阿多尼斯"。用他自己的話來說，他生活中還經(jīng)常干一些見義勇為的事——搶救落水的人；領(lǐng)著嚇壞了的人穿越法國戰(zhàn)場，把他們帶到安全的地方；在表演賽中幾下子就把世界冠軍級(jí)的拳擊手打倒在地，弄得他們不勝難堪。這一切都好得簡直令人難以置信，但都是真的。盡管才華出眾，但哈勃也是個(gè)頑固不化的說謊大王。
這就很不尋常了，因?yàn)楣纳钪袕男【统錆M真正的奇特之處，有時(shí)候簡直令人難以置信地出類拔萃。僅在1906年的一次中學(xué)田徑運(yùn)動(dòng)會(huì)上，他就贏得了撐桿跳高、鉛球、鐵餅、鏈球、立定跳高、助跑跳高的冠軍，還是接力賽跑獲勝隊(duì)的成員——那就是說，他在一次運(yùn)動(dòng)會(huì)上獲得了7個(gè)第一名。同年，他創(chuàng)造了伊利諾伊州跳高記錄。
作為一名學(xué)者，他也是出色得不得了，不費(fèi)吹灰之力就考上芝加哥大學(xué)，攻讀物理學(xué)和天文學(xué)（說來也巧，系主任就是阿爾伯特·邁克爾遜）。他在那里被選為牛津大學(xué)的首批羅茲獎(jiǎng)學(xué)金獲得者之一。3年的英國生活顯然沖昏了他的頭腦。1913年他返回惠頓的時(shí)候，披著長披風(fēng)，銜著煙斗，說起話來怪腔怪調(diào)，滔滔不絕——不大像英國人，而又有點(diǎn)像英國人——這種模樣他竟保留終生。他后來聲稱，他在20世紀(jì)20年代的大部分時(shí)間里一直在肯塔基州當(dāng)律師，但實(shí)際上他在印第安納州新奧爾巴尼當(dāng)中學(xué)教師和籃球教練，后來才獲得博士學(xué)位，并在陸軍待了很短時(shí)間。（他是在簽訂停戰(zhàn)協(xié)定前一個(gè)星期抵達(dá)法國的，幾乎肯定沒有聽到過憤怒的槍炮聲。）
1919年，他已經(jīng)30歲。他遷到加利福尼亞州，在洛杉磯附近的威爾遜山天文臺(tái)找了個(gè)職位。非常出人意料的是，他很快成為20世紀(jì)最杰出的天文學(xué)家。
讓我們稍停片刻，先來考慮一下當(dāng)時(shí)人們對(duì)宇宙的了解是如何少得可憐，這是值得的。
今天的天文學(xué)家認(rèn)為，在可見的宇宙里也許有1400億個(gè)星系。這是個(gè)巨大的數(shù)字，比你聽了這話認(rèn)為的還要巨大得多。假如把一個(gè)星系比做一粒凍豆子，這些豆子就可以塞滿一個(gè)大禮堂——比如，老波士頓花園或皇家艾伯特大廳。（有一位名叫布魯斯·格雷戈里的天體物理學(xué)家還真的計(jì)算過。）1919年，當(dāng)哈勃第一次把腦袋伸向望遠(yuǎn)鏡的時(shí)候，我們已知的星系數(shù)只有一個(gè)：銀河系。其他的一切要么被認(rèn)為是銀河系的組成部分，要么被認(rèn)為是遠(yuǎn)方天際眾多氣體中的一團(tuán) 氣體。哈勃很快證明這種看法是極其錯(cuò)誤的。
在之后的10年里，哈勃著手研究有關(guān)宇宙的兩個(gè)最基本的問題：宇宙已經(jīng)存在多久？宇宙的范圍有多大？為了回答這兩個(gè)問題，首先必須知道兩件事——某類星系離我們有多遠(yuǎn)，它們?cè)谝远嗫斓乃俣冗h(yuǎn)離我們而去（即現(xiàn)在所謂的退行速度）。紅移能使我們知道星系后退的速度，但不能使我們知道它們離得有多遠(yuǎn)。為此，你需要有所謂的"標(biāo)準(zhǔn)燭光"——即準(zhǔn)確測(cè)得的某個(gè)恒星的亮度，作為測(cè)算其他恒星的亮度（并由此計(jì)算其相對(duì)距離）的基準(zhǔn)。
哈勃的好運(yùn)氣來了。此前不久，有一位名叫亨利埃塔·斯旺·萊維特的才女想出了一種找到這類恒星的方法。萊維特在哈佛大學(xué)學(xué)院天文臺(tái)擔(dān)任當(dāng)時(shí)所謂的計(jì)算員。計(jì)算員終生研究恒星的照片并進(jìn)行計(jì)算——計(jì)算員由此得名。計(jì)算員不過是個(gè)干苦活的代名詞。但是，在那個(gè)年代，無論在哈佛大學(xué)，還是在任何地方，這是婦女離天文學(xué)最近的地方。這種制度雖然不大公平，但也有某個(gè)意想不到的好處：這意味著半數(shù)最聰明的腦子會(huì)投入本來不大會(huì)有人來動(dòng)腦子的工作，確保婦女最終能覺察到男同事們往往會(huì)疏忽的宇宙之細(xì)微結(jié)構(gòu)。
有一位名叫安妮·江 普·坎農(nóng)的哈佛大學(xué)計(jì)算員利用她熟悉恒星的有利條件，發(fā)明了一種恒星分類系統(tǒng)。這種系統(tǒng)如此實(shí)用，直到今天還在使用。萊維特的貢獻(xiàn)更加意義深遠(yuǎn)。她注意到，有一種名叫造父變星（以仙王星座命名，第一顆造父變星就是在那里發(fā)現(xiàn)的）的恒星在有節(jié)奏地搏動(dòng)——一種星體的"心跳"。造父變星是極少見的，但至少其中之一是我們大多數(shù)人所熟悉的。北極星就是一顆造父變星。
我們現(xiàn)在知道，造父變星之所以搏動(dòng)，是因?yàn)椤锰煳膶W(xué)家的行話來說——它們已經(jīng)走過"主序階段"，變成了紅巨星。紅巨星的化學(xué)過程有點(diǎn)兒難懂，已經(jīng)超出了本書的宗旨（它要求了解很多東西，其中之一就是單離子化的氦原子的性質(zhì)）。但是，簡而言之，在燃燒剩余的燃料的過程中，它們產(chǎn)生了一種很有節(jié)奏、不停地一亮一暗的現(xiàn)象。萊維特的天才在于，她發(fā)現(xiàn)，通過比較造父變星在天空中不同角度的大小，就可以計(jì)算出它們之間的相對(duì)位置。它們可以被作為標(biāo)準(zhǔn)燭光——這個(gè)名稱也是她創(chuàng)造的，現(xiàn)在依然廣泛使用。用這種方法得到的只是相對(duì)距離，不是絕對(duì)距離。但是，即使這樣，這也是第一次有人想出了一個(gè)計(jì)算浩瀚宇宙的實(shí)用方法。
（為了合理評(píng)價(jià)這些深邃的見解，也許值得注意的是，當(dāng)萊維特和坎農(nóng)在根據(jù)照片上遠(yuǎn)方星星的模糊影子推定宇宙的基本特性的時(shí)候，哈佛大學(xué)的天文學(xué)家威廉·h.皮克林——他當(dāng)然能從一流的天文望遠(yuǎn)鏡里想觀察多少次就觀察多少次——卻在建立自己的理論，認(rèn)為月球上的黑影是由大群大群的、隨著季節(jié)遷徙的昆蟲形成的。）
哈勃把萊維特測(cè)量宇宙的標(biāo)準(zhǔn)和維斯托·斯萊弗的紅移結(jié)合起來，開始以煥然一新的目光有選擇地測(cè)量空間的點(diǎn)。1923年，他證明，仙女座里一團(tuán) 代號(hào)為m31的薄霧狀的東西根本不是氣云，而是一大堆光華奪目的恒星，其本身就是一個(gè)星系，直徑有1萬光年，離我們至少有90萬光年之遠(yuǎn)。宇宙比任何人想像的還要大——大得多。1924年，哈勃寫出了一篇具有劃時(shí)代意義的論文，題目為《旋渦星云里的造父變星》（"星云"源自拉丁語，意為"云"，哈勃喜歡用這個(gè)詞來指星系），證明宇宙不僅僅有銀河系，還有大量獨(dú)立的星系——"孤島宇宙"——其中許多比銀河系要大，要遠(yuǎn)得多。
僅僅這一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)就足以使哈勃名揚(yáng)天下，但是，他接著把注意力轉(zhuǎn)向另一個(gè)問題，想要計(jì)算宇宙到底大了多少，于是有了一個(gè)更加令人矚目的發(fā)現(xiàn)。哈勃開始測(cè)量遠(yuǎn)方星系的光譜——斯萊弗已經(jīng)在亞利桑那州開始做的那項(xiàng)工作。他利用威爾遜山天文臺(tái)那臺(tái)新的254厘米天文望遠(yuǎn)鏡，加上一些聰明的推斷，到20世紀(jì)30年代初已經(jīng)得出結(jié)論：天空中的所有星系（除我們自己的星系以外）都在離我們遠(yuǎn)去。而且，它們的速率和距離完全成正比：星系距離我們?cè)竭h(yuǎn)，退行速率越快。
這的確是令人吃驚的。宇宙在擴(kuò)大，速度很快，而且朝著各個(gè)方向。你無須有多么豐富的想像力就能從這點(diǎn)往后推測(cè)，發(fā)現(xiàn)它必定是從哪個(gè)中心點(diǎn)出發(fā)的。宇宙遠(yuǎn)不是穩(wěn)定的，固定的，永恒的，就像大家總是以為的那樣，而是有個(gè)起點(diǎn)。因此，它或許也有個(gè)終點(diǎn)。
正如斯蒂芬·霍金指出的，奇怪的是以前誰也沒有想到要解釋宇宙。一個(gè)靜止的宇宙會(huì)自行坍縮，這一點(diǎn)牛頓以及之后的每個(gè)有頭腦的天文學(xué)家都應(yīng)當(dāng)明白。還有一個(gè)問題：要是恒星在一個(gè)靜止的宇宙里不停燃燒，就會(huì)使整個(gè)宇宙酷熱難當(dāng)——對(duì)于我們這樣的生物來說當(dāng)然是太熱了。一個(gè)不斷膨脹的宇宙一下子把這個(gè)問題基本解決了。
哈勃擅長觀察，不大擅長動(dòng)腦子，因此沒有充分認(rèn)識(shí)到自己的發(fā)現(xiàn)的重大意義。在一定程度上，那是因?yàn)樗杀夭恢缾垡蛩固沟膹V義相對(duì)論。這是很有意思的，因?yàn)橐环矫鎼垡蛩固购退睦碚撛谶@時(shí)候已經(jīng)世界聞名，另一方面，1929年，阿爾伯特·邁克爾遜——這時(shí)候已經(jīng)進(jìn)入暮年，但仍是世界上最敏銳、最受人尊敬的科學(xué)家之一——接受了威爾遜山天文臺(tái)的一個(gè)職位，用他可靠的干涉儀來測(cè)量光的速度，至少可以肯定已經(jīng)向哈勃提到過，愛因斯坦的理論適用于他的發(fā)現(xiàn)。
無論如何，哈勃沒有抓住機(jī)會(huì)在理論上有所收獲，而是把機(jī)會(huì)留給了一位名叫喬治·勒梅特的比利時(shí)教士學(xué)者（他獲得過麻省理工學(xué)院的博士學(xué)位）。勒梅特把實(shí)踐和理論結(jié)合起來，創(chuàng)造了自己的"煙火理論"。該理論認(rèn)為，宇宙一開始是個(gè)幾何點(diǎn)，一個(gè)"原始的原子"；它突然五彩繽紛地爆發(fā)，此后一直向四面八方散開。這種看法極好地預(yù)示了現(xiàn)代的大爆炸理論，但要比那種理論早得多。因此，除了在這里三言兩語提他一下以外，勒梅特幾乎沒有取得別的進(jìn)展。世界還需要幾十年時(shí)間，還要等彭齊亞斯和威爾遜在新澤西州咝咝作響的天線上無意中發(fā)現(xiàn)宇宙背景輻射，大爆炸才會(huì)從一種有趣的想法變成一種固定的理論。
無論是哈勃還是愛因斯坦，哪條大新聞里都不會(huì)提及多少。然而，盡管當(dāng)時(shí)他們誰也想不到，他們已經(jīng)作出自己所能作出的貢獻(xiàn)。
1936年，哈勃寫出了一本廣受歡迎的書，名叫《星云王國》。他在這本書里以得意的筆調(diào)闡述了自己的重要成就，并終于表明他知道愛因斯坦的理論——反正在某種程度上：在大約200頁的篇幅中，他用了4頁來談?wù)撨@種理論。
1953年，哈勃心臟病發(fā)作去世。然而，還有最后一件小小的怪事在等待著他。出于秘而不宣的原因，他的妻子拒絕舉行葬禮，而且再也沒有說明她怎么處理了他的遺體。半個(gè)世紀(jì)以后，該世紀(jì)最偉大的天文學(xué)家的去向仍然無人知道。若要表示紀(jì)念，你非得遙望天空，遙望1990年美國發(fā)射的、以他的名字命名的哈勃天文望遠(yuǎn)鏡。
