第2章
大师登场

这则故事几经流传，都蒙上几分传奇色彩了——爱因斯坦在一些自传式记录中曾回忆到少年时的奇思妙想：与光同步而行的话，将会看到什么样的情景呢？会不会看到冻结成冰状的电磁能呢？他曾回忆16岁时的想法：“看来不会发生这样的事。”这些想法就像一粒种子一样，在爱因斯坦的思维中生根发芽，最终把牛顿的绝对时空观念挤了出去。相对论并不是从对牛顿力学缺陷的思考中产生的，而是从电磁力和光学方面的考虑中得来的。

有史以来的大部分时间里，人们一直认为光是一种能够即时传播的东西。从某种意义上说，它总是“无处不在”。在这个前提下，一颗距离我们很远的恒星发出的光，一经产生就立刻传到我们的眼睛里了。然而，到了17世纪，开始有人怀疑光的传播速度是不是一个有限值——就像声音一样——只不过这个值要远大于声速而已。伽利略是直接验证这个假设的第一人。他与两名助手一起进行了这个实验。第一个人站在一座小山上，罩住一盏灯，给1000米远外另一座小山上的伙伴打信号。第二个人一看到闪光就发回一个灯光信号。伽利略不断增加实验小山之间的距离，希望能检测到的两道闪光之间一个不断增长的延迟，进而测定光速。当然，由于实验精度太低，伽利略没有检测到什么延迟。毕竟，人类的反应太慢了。我们的太阳系跨度很大，倒可以提供一个好得多的实验台。

在17世纪70年代——即牛顿生活的年代——丹麦数学家兼天文学家奥尔·罗默仔细研究了木星的四颗最大卫星的运行，特别是最里面的一颗——伊奥。而且，他还仔细记录了每次伊奥运行到木星后面而产生食的时间。通过这些记录，他注意到两次接连发生的食（大约每42小时发生一次）之间的时间间隔并不是一样的，而是随地球与木星间距离的变化而有规律地变化着的。当地球绕太阳运转到逐渐远离木星的阶段时，伊奥之食出现得越来越晚。这是因为给人类眼睛带来食的信息的光线，要走过一个更远的路程。当地球运行到距木星最远的那一点时，罗默记下的时间延迟已经达到22分钟了（更精确的数字为16.5分钟）。其实以前已经有人注意到这个现象了，但只有罗默聪明地认识到，延迟时间正是从伊奥反射回来的光线走过额外路段所需要的时间，而这个额外路段就等于地球绕日轨道的直径。用地球绕日轨道直径（3亿千米）除以延迟时间，罗默就给出了一个不太精确的光速值：22.5万千米每秒。这个值确实很大，但罗默总算证实了光速是一个有限值。而现在我们已知的光速值为30万千米每秒。

到了19世纪，物理学家们对光的本质已经有了一个很深入的理解。就在这个世纪，科学家们证实了光具有波的特性。而且在这个世纪初期，物理学家们就已经认识到光必须通过一定的介质来传播了。

那些著名的物理学家，没有谁认可光线在不存在输运介质的情况下，就可以从一物体传至另一物体这个观点。声波通过空气传播，水波通过水传播；如果有波存在，就一定有物质在振动。充满整个宇宙的这种传播媒介被称作“光以太”。这种神圣的以太是由古希腊人提出的，它遍布整个宇宙。想象中的以太有着十分奇特的性质：一方面要具有足够的硬度，这样光才能以极高的速度在其中穿行；另一方面还要允许地球、行星和恒星等天体毫无阻碍地运行于其中。这个矛盾困惑了理论物理学家们整整1个世纪，科技文献里也满是试图揭示以太何以同时具有坚硬性和非物质性的论文。弥漫于整个宇宙中的以太还提供了一个静止的参考系。可以说，以太就像一片汪洋大海。每当一串波动经过时，海水就做上下运动。这串波只传递能量，却并不能将海水向前推动半步。当时人们认为以太就是这样的。以太就是牛顿的绝对静止参考系的实物形态。

与此同时，对电和磁的本质的探索也在进行。人们最先意识到这两种自然现象之间的联系是1820年的事。起因是一位丹麦物理学家汉斯·克利斯汀·奥斯特发现了电流可以使罗盘针发生偏转的现象；也就是说，一根通电导线有着磁铁一样的功能。切断电流后，磁力消失。等后来英国人迈克尔·法拉第注意到了相反的效应，即运动的磁体可以产生电流时，才最终完善了两者之间的联系。法拉第出生于一个贫苦家庭，没受过正规的数学教育，是一位自学成才的科学家。或许，他的数学缺陷反而成了他的长处。这样，他就能凭借高度的直觉，想象出这样一幅画面：磁体被力场包围着，看不见的力线影响着场中物体的运动。当你把铁屑撒在磁铁周围，铁屑的自动排列图案就形象地说明了这种场。同样，法拉第觉得电场也是用这种玩魔术般的手来操纵电荷的。

当时有很多人，无论是专职科学家还是业余科学家，都被法拉第的实验给吸引住了。苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就是其中一位。相貌英俊但体质欠佳的麦克斯韦，24岁就当上了自然哲学教授。10年后，他完成了著名的《电磁通论》一书，这是19世纪物理学的一大成就。在这部书中，他运用数学语言来说明了法拉第的力场。其中最根本的4个偏微分方程十分简洁优美，有些物理专业的学生甚至把它们印在T恤衫上，来告诉世人电和磁这两种看似毫不相关的力，其实不过是同一枚硬币的两个面而已，不能单独存在。正是麦克斯韦，把两者统一成了电磁力。

除此之外，麦克斯韦方程还告诉我们振荡电流——电荷的高速振动——将会产生携带有电磁能量的波，向四周传播开去。他甚至还计算出了这种波的传播速度，这个速度与一定的电性质与磁性质的比率相关，且刚好与光速相等。这是否像部分人们认为的那样，纯粹是一种巧合呢？麦克斯韦大胆地回答说：“不！”他断定光自身也是一种携带着电磁能量的波，一种从光源向四面八方传播的波动。

这种波可能有很多种类。波长（一波峰到相邻波峰间的距离）约为1厘米的1/20000的可见光，不过是其中的一小部分。这种携带着电磁能量的波，其波长长于或短于可见光波长都是有可能的。德国物理学家海因里希·赫兹于1888年证明了这个事实。在一个充满着火花发生器和振荡器的嗡嗡声的实验室里，赫兹第一次人工产生了电磁波。它们的波长都是76厘米，并以光速穿越实验室，飞驰而去。这个实验第一次证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言。

1879年，年仅48岁的麦克斯韦就因腹腔癌去世了。倘若再多活9年，他就能看到赫兹的实验了。临终时麦克斯韦还在思索着困扰了当时的物理学家们将近1个世纪的问题：地球在以太中的运动。假设地球是在静止的以太中运动的，在这个前提下，麦克斯韦设想了一个光学实验来检测“以太风”，毕竟地球绕太阳运转的速度高达10万千米每小时呢。就像空气吹过高速行驶的敞篷车里的乘客一样，以太风也将吹过地球表面。受麦克斯韦的启发，一位名为艾尔伯特·A.迈克尔逊的美国海军军官在德国读物理博士后期间，于1881年建立了一套特制的实验装置来检测以太风。这套他自己发明的装置，有着很多错综复杂的反射镜和棱镜，它允许一束铅笔粗细的光线在其中穿插往来，从而测定光速。这就是大名鼎鼎的迈克尔逊干涉仪。然而，他并没有找到以太风的任何蛛丝马迹。实验室外柏林的交通有时候会干扰到该装置，影响实验精度。于是，他于1887年又重新做了一遍这个实验。此时，他已经是位于俄亥俄州克利夫兰市的凯斯应用科学学院的一名教授了。这个实验是与附近凯斯西储大学的一名化学家埃德华·莫雷一起完成的。这次，他们利用一套大大改进了的干涉仪，让一束光沿着地球运转的方向“迎着以太风”传播，另一束光垂直于这个方向传播。迈克尔逊曾经向女儿桃乐茜解释过这个实验的原理，我们也来听听：“两束光就像两名游泳运动员一样，彼此比赛。一个逆流而上并再顺流而下，而另一个却在静止的水中游一个来回，但两人游过的总距离是相等的。”按照预先设想，沿以太风方向传播的那束光将会运动得稍慢一些。

迈克尔逊和莫雷的实验装置位于一个地下实验室内，安装在一块大石板上。石板漂浮在水银池里来减弱震动干扰。但是，即使采用了这些防干扰措施，两人仍没有测得这两束光线的速度有什么不同，无论光束方向如何。这套装置精度很高，哪怕以太风的速度只有一两千米每秒，也能检测出来。而地球的运转速度是这个值的10多倍，迈克尔逊觉得应该轻易就能检测出来。然而，令他倍感沮丧的是，事实并非如此。1907年，迈克尔逊荣获诺贝尔奖，成了科学界第一个获诺贝尔奖的美国人。这枚奖章是为了表彰他在推动精密光学仪器的发展上所做出的贡献，而这些贡献很多都是在对以太徒劳的苦苦追寻中做出的。

除迈克尔逊外，还有不少人在寻找以太，但无一例外都失败了。（就连爱因斯坦在学生时代也曾试图自己建造一套装置来检测地球相对于以太的运动，但被一位持怀疑态度的老师给制止了。）这种结果迫使物理学家们提出新的理论，来解释为何探测不倒预想中的“以太风”。爱尔兰物理学家乔治·菲茨杰拉德和丹麦物理学家亨德里克·洛仑兹先后提出，在以太中运动的物体会沿运动方向收缩，即物体自身会被压缩。在运动的过程中，物质的维数也会发生某种变化。这样一来，迈克尔逊没有观测到光速变化这件事就可以得到解释了——光速变化被这种压缩效应给抵消了。最后，著名的法国数学家亨利·庞家莱站了出来，抱怨说这种理论过于繁琐。他曾于1904年预言说需要一个“相对性理论”。之后不久，这种理论就应运而生了。

历史学家们关于爱因斯坦是否曾经受过迈克尔逊—莫雷实验的影响的争论还在继续着。尽管相对论可以很好地解释为什么迈克尔逊和雷莫没有检测到以太，但在发表于1905年的那篇著名的相对论论文中，爱因斯坦只约略提了一下他们的实验，而且还是间接提到的。他着重强调的是自己在电磁方面的一些困惑。考虑这样两个情景：一根磁棒穿越一个固定的金属线圈运动，和一个金属线圈套住一根静止的磁棒运动。这是两种截然不同的情况。麦克斯韦方程应该对每种情况都分别成立，不同之处在于线圈静止磁棒运动，还是磁棒静止线圈运动。但这两种情况有着一个共同的结果：有电流产生。“为什么会这样呢？”爱因斯坦问道。从不同的角度看这件事，描述也就不同，然而观察到的结果——线圈中出现电流——却是相同的。实验中不能分辨哪个物体——线圈还是磁棒——是真正在绝对静止空间中运动的。这就是永恒静止参考系的缺陷之所在。

牛顿力学和麦克斯韦方程都是他们的时代里程碑式的理论，都有过十分精准的预言。然而，困扰爱因斯坦的问题是，这两套物理理论定义时间和空间的规则并不相同。爱因斯坦的妙招就是去寻找一个最简单的假设，来让这两套理论协调起来。或许您会感到惊讶，他的解决办法并不需要物理学上的巨大进步。爱因斯坦于1905年发表的那篇历史性论文，其优雅之处在于简洁。他所有的猜想都有着19世纪物理学的基础，其中一个最具创造性的假设就是一个全新的时空观念。随着这一转变，所有的问题都迎刃而解了。

爱因斯坦的经典形象，长期以来都是一个令人尊敬的、貌似卓别林的长者，穿着松松垮垮的毛线衫，还戴有一头骇人的假发头饰。但是，在相对论发展期间，即个人科学事业的高峰期，年轻的爱因斯坦也曾是一位风度翩翩的青年，棕色的眼睛清澈见底，一头卷发波浪起伏，嘴唇也透露出一种美感，还有在小提琴上的造诣，都很引人注目，特别是备受女性的青睐。曾有一位旧识把风度翩翩的爱因斯坦比作年轻时的贝多芬，充满了活力与欢乐。然而，也正像那位伟大的作曲家一样，20世纪最著名的科学家也有他灰暗的一面。他性格孤僻（尽管有过两次婚姻），有时候言辞尖酸刻薄，还以自我为中心；他在能够帮助身边的人时却仍对他们的问题漠不关心。爱因斯坦出生于1879年，也就是麦克斯韦去世的那一年。他的家庭是一个信奉犹太教的家庭，2个世纪来已经很好地融入了德国南部的文化。他的父亲经营着一家在当时属高科技产业的电气公司，有盈有亏。爱因斯坦很早就表现出一种自学的强烈愿望了。直到3岁能说出完整的句子时，他才肯开口说话。在伴随着妹妹玛雅的成长过程中，小阿尔伯特喜欢猜谜、造玩具建筑物、摆弄磁铁，更重要的是喜欢做几何题目，这对日后的工作来说十分重要。他很讨厌德国那套只注重机械式学习的教育模式，而且不肯俯就。他最终在高中被开除了，原因是与一位老师发生了冲撞，这还不过是诸多原因中的一个。幸运的是，他还可以进入瑞士苏黎世的一所大学——联邦技术大学学习，尽管他从没有受到过任何一位教授的器重，甚至还有一位教授骂他是“懒狗”。结果他在毕业后没有获得任何学术职位，只能依靠临时教学或辅导学生来维持生计。直到1902年，他才找到一份固定的工作，供职于地处伯尔尼的瑞士专利局。但是，自始至终他都不忘拜读物理大师们的著作。他更喜欢自学，从小时候起就有着这方面的天赋和热情。

20世纪初，物理学走到了一个十字路口，X射线、原子、放射性以及电子都刚刚被发现。这个时代让一个叛逆者在物理学的全新领域里大放异彩。这个家伙大学时成绩平平，看起来在学术上没有任何前途，却又对自己的能力深信不疑——他就是爱因斯坦。甚至在学生时代，爱因斯坦就对挑战当时的权威们毫不畏惧。他确信当时把牛顿力学和电磁学联系起来的主流理论——电动力学，并不“与事实相符……可以将它用更简单的形式表述出来”。事实证明，他那份专利审查员的工作帮了他不少忙。他常常欣然地提到这份政府部门工作：“我大部分的奇思妙想都是在这座暗无天日的修道院里想出的。”在那里，不受学校的任务和压力的干扰，爱因斯坦可以自由自在地思考。到了1905年，26岁的爱因斯坦在著名的德国期刊《物理年鉴》上发表了一系列论文，就像一株休眠的植物突然间鲜花怒放一样。这些论文中的任何一篇都足以赢得诺贝尔奖。首先，受刚刚出现的量子力学的启发，爱因斯坦提出了光是由粒子组成的，这就是后来人们所熟知的光子（他因此而获得了诺贝尔物理学奖）。其次，他还解释了微小颗粒们的奇妙舞蹈——布朗运动，是受周围原子的碰撞所致。这个解释还推动了当时的科学界相信原子确实存在。再者，他还投了一篇题为《论动体的电动力学》的论文，阐述了他的狭义相对论（事实上，这篇论文作为博士论文却没有通过，原因是猜测的成分过多）。

爱因斯坦得出的数学公式，大多都与已经在用的洛仑兹和庞家莱的公式相同，但两者却有着本质上的区别。与前人不同的是，爱因斯坦重新定义了时间。多年后他回忆说这个理论“在整整7年里一直都是他生命的全部”。狭义相对论主张任何（无论力学的还是电磁学的）物理规律，在静止参照系和以恒定速度运动的参照系里都是相同的。爱因斯坦这是在说，一个在速度为100千米每小时的火车上抛出的小球，与一个在操场上抛出的小球的运动方式是一样的。可是，如果这是正确的，那就意味着光速在不同的参照系里也是相同的，无论是在火车上还是操场上。因为如果物理规律是相同的，在各个参照系里测到的光速也应该是一样的。爱因斯坦在他1905年的论文里写道：“（我们将）引进另外一条假设，即光在真空中总是以一个恒定的速度c运动，这个速度与光源的运动状态无关。”

因为相对论效应在低速时很微弱，难以察觉，现在我们就拿高速情况做一下比较吧。假设有一艘宇宙飞船以29.8万千米每秒的恒定速度离地球而去——这个速度仅仅稍低于光速。常识会告诉你宇航员差不多都能追上经过他身边的光束了，正像爱因斯坦年轻时想象的那样。但事实根本就不是这个样子的。飞船上的宇航员测量擦身而过的光束的速度时，仍会得到30万千米每秒这个值，和地球上的测量值别无二致。这种情形看似古怪，事实上却不。光速保持不变，但其他的测量却都要进行调整。这看起来有点自相矛盾，其出路在于：时间不是绝对的，而是相对的。“速度”的含义（千米每小时，或米每秒）里已经暗含着保持时间不变了，但是宇航员和地球上的我们所用的时间标准不同。这就是爱因斯坦的高明之处，他认识到了牛顿的普适时钟只不过是一个赝品而已。

既然没有任何东西能比光跑得还快，那么两个分别位于不同参照系里的观察者并不能真正校准时间。有限的光速让他们无法把时钟调整到同步。爱因斯坦还注意到，两个相距一定距离且在做相对运动的观察者，不能就宇宙中某件事发生的时间达成一致。因此，仅仅通过观察，地球上的我们和宇航员并不能就测量结果达成一致。质量、长度以及时间都是可变的，取决于所在的参照系。从地球上看飞驰而去的飞船上的时钟，你会发现飞船上时间的流逝要远比地球上的慢。你还会发现，飞船在它运动的方向上变短了。而飞船上的人们并不会感觉到他们自己有什么变化，也不会觉得时钟变慢了。不过回望地球家园，他们也会看到变扁了的地球和变慢了的时钟，跟我们看他们时的感觉一样。彼此的测量都有着同样的偏差。当两位观察者以恒定的速度相向或相对运动时，空间都会收缩，时间也都会减慢 。不过，洛仑兹和菲茨杰拉德认为绝对空间有一个真正的收缩，而爱因斯坦却告诉我们这不过是测量上的一种偏差。时间和空间在不同的参考系里会有所不同，地球人和宇航员唯一能统一起来的是光在真空中的速度 ，这是一个普适常数。

绝对时间退出了历史舞台，绝对空间也没有存在的必要了。我们直觉里的太阳系安然沉睡，飞船在静止空间里飞驰的图像已被证明是错误的。也有可能是宇航员处于静止状态，而地球却在飞奔。“引入‘光以太’将被证明是多余的，”爱因斯坦在他的论文中继续写道，“因为本文论述的观点并不需要一个特殊的‘绝对静止空间’……”现在，物理学家们不再理会那套包含神秘以太的复杂理论了。宇宙中根本不存在贴有“绝对静止空间”标签的参考系。否则，这种参考系中的任何物体的运动速度都有可能达到光速。这就解释了为什么迈克尔逊和莫雷没有探测到以太风了，静止的以太一直以来都是一个虚构的角色。

其实，没必要引进一个高速飞船来解释相对论效应。这种效应在我们的地球上就能够探测到。外层空间飞驰而来的宇宙射线在穿越大气层时会产生μ子 ，即重电子。它们会以接近于光速的速度射向地面。但是μ子的寿命很短，只有百万分之一秒左右，不足以让它们到达地面。但实验证明，地面上确实能捕捉到这种μ子。根据相对论，在我们看来，μ子自身参照系的时间流逝速度会变慢；这样一来，它们的寿命就得到了延长，也就能够到达地球表面了。而在μ子自己看来，它们的寿命还是那么短，只不过从大气层顶部到地球表面的距离变短了，使得它们能够顺利地到达地球表面。

万物都是相对的，包括质量。当物体以接近于光速的速度相对于我们运动时，我们测得的它的质量将会有明显的增加。这就是任何物体的速度都无法超过光速的原因。以光速运动的物体质量会趋于无穷大，将没有任何力能够加速它，因为阻力也会变得无穷大。爱因斯坦后来也注意到光自身也有质量了。由于光还具有能量，爱因斯坦就用一个普适公式把两者联系了起来。他的计算结果是：E=mc 2 ，其中的c如前所述，表示光速。

那位曾经骂爱因斯坦是“懒狗”的教授，数学家赫尔曼·闵可夫斯基，看清了物理学的发展势头，进一步深化了爱因斯坦的理论。（他曾这样向一位同事评论过爱因斯坦的成就：“真没有想到他能做到这一步。”）精通数学的闵可夫斯基，相信自己能给狭义相对论建立起一个几何模型来。他告诉我们爱因斯坦本质上是把时间当作了第四维度，这样时间和空间就结合成了一个被称为时空的实体。有了时间这一新加的维度，我们就可以跟踪一个事件的整个历史了。你可以把时空看成一系列连在一起的快照，这些快照追踪的是空间里每秒、每分、每小时的变化。只是现在这些快照都彼此衔接着，成了一个牢不可破的整体。但就维度这个性质来说，时间和空间毫无差别。在1908年的一次著名演讲中，闵可夫斯基这样说道：“从今往后，单个的时间和单个的空间，都注定要退出物理学舞台了；只有两者的联合体，才能作为一个独立的实体而继续存在。”

6年前，闵可夫斯基从苏黎世来到哥廷根做了一名教授。尽管他在数论等纯数学领域做出过突出贡献，但他之所以闻名于世，主要还是因为重新解释了狭义相对论。对他来说，数学家们已经建好了狭义相对论的数学框架这个事实，一眼就能看出。他曾说：“从某种意义上来说，物理学家们必须独自努力穿越这片阴暗的丛林，重塑这些概念。而附近就是数学家们早就开辟出来的阳光大道，直通向前。”以他的数学眼光来看，狭义相对论并不复杂，不过是把物理世界看成一个四维黎曼流形而已。说得更明白些，闵可夫斯基聪明地认识到，尽管在不同参照系的观察者看来同一事件发生的时间或地点可能不同，但他们观测到的时间和空间的联合体是相同的。从某一点看，观察者会测量到两事件之间的一个空间距离和一个时间差；换一个参照系，另一个观察者可能会测量到一个更远的空间距离和一个更短的时间差，但他们测量到的时空间距是相同的。测量的基本量不再是空间自己或时间自己了，而是四个维度——高度、长度、宽度和时间——的联合体。爱因斯坦不吃这一套。第一次接触到闵可夫斯基的理论时，他就声称这些抽象的数学公式是“老一套”“一种多余的知识”。

人们常常这样描绘爱因斯坦首次提出相对论时的情景：外行们厉声反对，而科学家们却热烈欢迎。但对于当时的科学家们，特别是沉浸在19世纪经典物理中的科学家们来说，这无疑是心理上的一次震撼。当然，最初验证相对论效应的机会十分稀少。只有等到数十年过去了，科技有了很大的发展之后，观察相对论效应才成为常事。但是，仍然有人在审美上无法接受狭义相对论。普林斯顿大学的一位物理学教授，威廉·麦基，于1911年在美国物理学会的一次致辞中就曾说道：“现在放弃以太，是物理学发展过程中的一次巨大而严重的倒退。……用四维空间来描述这个世界，我并不满意，因为我要想接受这个第四维度空间，还得费上一定脑筋。……一种切实可行的解决方案，必须让所有人，包括普通大众和专业人士都能理解。以前的物理理论都这么简明易懂。但是我们能贸然相信，相对论引进的新时空观有这么简明易懂，或者以后会这样吗？一种理论，只有用最基本的力、空间和时间等概念来表述，才可能是简明易懂的，才能为整个人类所理解。”

一些批评者要求以直接的亲身体验作为真理的评判标准，而不仅仅是数学公式。但是，他们坚信我们的地球家园是唯一的体验舞台，这是一种目光短浅的表现。正如英国天文学家亚瑟·爱丁顿在一次演讲中所说：“由于我们人类的活动一直都局限于地面上，所以我们的自然观都带有地面偏见的枷锁，但哥白尼已经发动了解放这种观念的革命。而推进这次革命的重任，就落在了爱因斯坦的肩膀上。”在哥白尼之前，中世纪的学者们庄重地指出，我们的地球不可能在运动或旋转。否则，地球上所有的东西都会在运动中被撕碎——云朵会被抛向九霄云外；而抛向旋转的地面的物体也不可能击中目标，因为在物体下落的过程中，高速旋转的地球已经把目标转到一边去了。中世纪思想家们的思维中不存在惯性——物体倾向于保持原运动状态的特性——的概念。（一个下落的物体，会随地球的旋转而旋转，所以下落时会与地面上的目标在水平方向保持同步。）而后来哥白尼把太阳放在了宇宙的中心，并让地球运动了起来。他教会了我们如何在新证据的基础上，反思我们的直觉。爱因斯坦也正在做同样的事。

狭义相对论在科学发展史上画了一道分界线。一边是我们过去的科学史，那时候的物理理论都可以从本质上向外行解释得清清楚楚。只需要伸手比划两下，或者借助于一个机械模型，就可以把一个物理概念向大众解释清楚了。更重要的是，这样的解释并不会与人们的常识发生冲突。但是，1905年之后，一切都改变了。根据狭义相对论，世界并不是我们看到的这个普通而单调的样子。简单的机械模型再也不能解释我们的宇宙了。

我们一直被蒙蔽着是有其原因的：我们生活在一个十分特殊的世界里。温度很低（例如，与恒星相比）；速度太低，远不能进行曲速推进 ；而且万有引力也很弱——这是一个相对论效应十分微弱的世界。难怪相对论对我们来说十分奇怪。但是，正如一些物理学家所说，我们并不能自由地调节时空的本质，来适应我们的偏见。我们已经完全习惯于雷声——一种声波——要比闪电来得晚了。这是常识。难以接受的是，光速是一个有限而恒定的值。光跑得太快了，它能在1秒钟之内绕地球8圈。所以地球上的事件看起来都是同时发生的。我们难以直接体验到这样的事实：两个相距一定距离的观察者，不能就同一事件发生的准确时间达成一致。而常识，如爱因斯坦所说的那样，“不过是储存在我们记忆和感觉中的一层层先入为主的观念而已，而且大部分是在18岁以前形成的”。

狭义相对论的确是狭义的。它只考虑了一种类型的运动，即匀速直线运动。后来爱因斯坦决定将他的理论推广到各种类型的运动中去：加速、减速、转向等。但是，如他自己所说，狭义相对论与广义相对论的发展相比，不过是“小孩子的玩意”而已。广义相对论涵盖了所有其他动力学情况，特别是引力场中的运动。在1907年的一篇评论文章中，他尝试着将引力直接加入到狭义相对论中去，但事实告诉他这并不是一件轻而易举的事。

在之后的几年里，爱因斯坦声名鹊起。当于1909年收到苏黎世大学发来的第一份邀请函时，他终于得以离开瑞士专利局了。2年后，他去了位于布拉格的德国大学。1年后重又回到了位于苏黎士的母校——联邦技术大学做教授。在那儿，学生时代的他曾经是那么的平凡。1914年，他又前往柏林大学做全职教授，并被聘为普鲁士科学院院士，世人对他的推崇达到了顶峰。接下来几年的教学生涯中，他发起了一场学术争论，历经了一次失败的婚姻和第一次世界大战。他在为相对论取代牛顿的引力理论而努力拼搏着。

他首先意识到的是，被加速时所感受到的力和处于引力场中所感受到的力是相同的。用物理术语来说就是，引力和加速度是“等效的”。被地球引力向下拉和在加速的汽车里被向后拉，没有什么区别。为了得到这个结论，爱因斯坦考虑了外空间里一间没有窗户的房间被突然向上加速的情形。这时候，房间里的任何人都会感觉到双脚对地板施加了一个压力。事实上，由于没有窗户来提供验证，你不能确定自己是不是在太空中。从体重你会感觉到，自己只不过是在地面上的一个房间里安安静静地待着的。地球可以用它的引力场把你固定在房间里，而那间神奇的太空电梯也是一个与之等效的系统。从物理定律出发，能预测出加速电梯里和地球引力场中的物体具有完全相同的运动特性。爱因斯坦认为，这个事实充分说明了在某些行为上，引力和加速度是同一事物。

爱因斯坦为了解释他的问题而做的这些想象实验，会引出许多有趣的知识来。在那部向上加速的太空电梯里抛出一个小球，你会发现小球的运动轨迹会向下偏转。一束光也会有这样的轨迹。但是，由于加速度和引力有着同样的效果，爱因斯坦认识到光线也会受到引力的影响，在经过太阳这样的大质量天体时，会因受到吸引力作用而弯曲。

1911年，还在布拉格的爱因斯坦受他强烈的物理直觉的驱使，开始认真地钻研这个问题。就是在这时候，他才开始确认时钟在引力场中会变慢（这种效应还从没有物理学家想到过）。他也开始意识到自己最终的问题可能是“非欧几里得的”了，并慢慢开始意识到引力可能会造成时空的弯曲了。最终他接受了闵可夫斯基对狭义相对论的数学处理以及由此产生的时空这个“老一套”的四维黎曼流形。如果没有闵可夫斯基早期的贡献将会怎么样呢？爱因斯坦曾懊悔地说：“广义相对论可能还在摇篮里待着呢。”闵可夫斯基没能听到这句话，他已经于1909年因阑尾炎去世了，年仅44岁。

1912年8月回到苏黎世后，爱因斯坦迫不及待要把自己新的设想表达成合适的数学形式。由于缺乏非欧几何知识，爱因斯坦约上大学时的密友，数学家马塞尔·格罗斯曼，来帮他处理这套复杂的新数学。格罗斯曼告诉他说，他的理论最好用黎曼几何表示出来。当时，黎曼几何已经由其他的几何学家们给深化和拓展了。1913年春天，他俩合作发表了一篇论文，文中囊括了广义相对论的所有基本要素。科学史专家约翰·诺顿这样写道：“爱因斯坦和格罗斯曼距……终极理论只有一步之遥了。”但是他们却在自己的创造面前退缩了，确信自己理论的基础是错误的，以至于方程在最简单的情况下也无法回归到牛顿的引力方程。牛顿定律也许是不完备的，但并不是错误的。在引力很弱或速度很低的情况下，它们还是成立的。由于他们的理论在这些简单情况下无法简化成牛顿定律，爱因斯坦和格罗斯曼怀疑自己做出了错误的选择，于是从前线撤退了。有了这样的误解，加之又觉得自己的理论还不是完全普适的，他们最终与成功失之交臂。为了让方程成立，他们仍然需要一个特殊参考系，这就意味着他们还没有得到一个“普适” 的理论。到了1914年4月，爱因斯坦从苏黎世来到柏林，与格罗斯曼的合作结束了。爱因斯坦决定自己干，继续检验和修正他的结论，只不过现在多了从格罗斯曼那儿学来的数学知识的帮助。

到了1915年秋天，爱因斯坦越来越失落了。他当前的理论，居然不能与水星的一个运动细节 精确符合。爱因斯坦当时的预测结果是，水星绕太阳的运转与原来的理论计算相比，每世纪会有18秒弧度的偏移量。而实际观测值为45秒弧度（现在的观测值为43秒弧度）。从最早开始考虑广义相对论的那一天起，爱因斯坦就深知一个关于引力的全新理论，必须能够解释这些异常现象才行。

距离太阳仅仅5800万千米的水星，在太阳系平面上缓缓地绕太阳旋转着。我们可以把水星的运行轨道想象成一个被拉长了的圆环，圆环上距离太阳最近的点——即我们常说的行星近日点——是不断前进着的。对于水星来说，近日点每个世纪约前进574秒弧度 。这种进动主要归因于水星与其他行星间的相互作用，是它们引力的合力改变了水星的轨道。但它们只能导致531秒的进动，还剩下43秒无法解释，这成了一个困扰天文学家数十年的难题。在已知的太阳系组成成分下，牛顿定律无法解释这种差异。这就促使一些人怀疑金星是否比原想的要重一些，或者水星有着一个小卫星什么的。最盛行的说法是，还存在一个以古罗马火神“伍尔坎”的名字命名的行星，它比水星更靠近太阳，产生了额外的引力。甚至还有一些报道说发现了伍尔坎，但都不可靠。

后来，爱因斯坦注意到与格罗斯曼联手进行的推导中，有一步存在着错误。这个发现促使他回过头来，重新考虑原先的方法。他开始修正原来的方程了，并在这个过程中意识到了早期的误解所在。有了这些进展，他开始觉得在弱引力场的情况下，自己的方程可以回归到牛顿方程了。1915年11月，他取得了重大成果。这个月的每一个星期四，他都就自己最新的进展在普鲁士科学院做一次报告。在第二次报告后不久，他就取得了重大突破。就在那一周，他终于能够正确地计算出水星的轨道了。后来他常常提到，自己在看到结果时心脏狂跳不已，“一连几天，我都狂喜不已”。这是广义相对论第一次与实际相符合。赢得了这场战役，广义相对论就在现实世界有了一块根据地。另外，爱因斯坦的新公式还预言星光在经过太阳时，偏折的幅度是他早先计算结果的2倍（也是用牛顿理论计算出来的结果的2倍）。重大胜利是在当月25号到来的，那天他呈交了题为《引力的场方程》的结论性论文。在这场他一生中最为重要的一次演讲中，他对自己的理论做了最后一次修改。他的理论再也不需要一个特殊的参考系了，终于成了真正的广义相对论。爱因斯坦在给自己的同伴，物理学家阿诺德·索莫菲的一封信中提到，自己刚刚经历了“一生中最兴奋最紧张的一段时间，也是最有价值的一段时间”。

爱因斯坦从他最新的宇宙框架中发现了引力的本源。用简单的张量算符来代替一堆复杂的方程后，广义相对论就向我们展示了它的数学美：

方程的左边是描述引力场的时空几何量，右边表示的是质能 及其分布。等号在这两种实体之间建立了一种等价关系，两者密不可分：物质成了时空的发生器。结果，引力再也不是我们平时感觉到的那种力了。它不过是物质对时空弯曲的一种响应。表面上看起来受力的物体，不过是在沿着弯曲的时空路径行进而已。光的弯曲，也是它在弯曲的时空高速公路上奔驰的一种表现。水星由于距离太阳太近，它在时空的道路上前进时，会遇到一个更陡的“斜坡”，这就部分解释了它的进动现象。

时空和质能是宇宙的阴阳两面，相互依存，不可分割。引力最根本的成因可以这样解释：它是时空图形的外在表现。爱因斯坦让黎曼的猜测变为了现实，但他根本就不曾受到过黎曼那含糊不清而又有先见之明的度量场的影响（黎曼从没有想到过名为“时空”的这一不可或缺的要素）。不过他从黎曼的数学成就中受益颇多倒是真的。爱因斯坦告诉我们，空间不应该被看作一片巨大的空洞，而应该是某种无限大的弹簧垫。

这样的弹簧垫可以有多种变形：可以被拉伸，也可以被压缩；可以伸直，也可以弯曲；甚至有时候还会呈锯齿状。我们时常把时空想象成二维弹簧垫，只不过是为了便于把时空概念形象化而已。但是，真正的弯曲，理所当然是发生在四维时空里的。所以，像太阳这样的大质量天体，实际上正端坐在四维时空的弹簧垫上，并压出了一个很深的凹陷来。而行星们之所以围绕着太阳旋转，并不像牛顿和我们想象的那样是因为它们被什么无形的力线牵扯着，而是因为它们完全陷在太阳压出的凹陷里了。物体的质量越大，凹陷就越深。比如说地球，并不是在用什么无形的拖链来牵着卫星绕自己旋转的，而是卫星自己在沿着直线——在它的当地参考系看来——前进。

假如在古时候有两个探险家，他们都认为大地是平坦的，并分别从赤道上不同的地点不偏不倚地向北走。但是他们将会听到彼此相距越来越近。于是他们可能觉得有什么神秘的力量在把他们推到一起去。而一位高空中的旅行者却明白事实的真相：很显然，地球的表面是弯曲的，他们不过是在沿着圆形轮廓线前进。同样，卫星也是在四维时空中被地球压出的凹陷面上，沿着最直的路径前进。只要天体继续存在，那么它在时空中压出的凹陷，将是我们宇宙永远的风景。我们所想象的引力——两物体被彼此拉近的趋向——只不过是这种凹陷的结果。牛顿的空箱子突然消失得无影无踪，空间不再只是空旷的竞技场了。爱因斯坦告诉我们，他带给物理学的新物理量——时空，才是我们宇宙每时每刻都无处不在的玩家。多年之后，回忆起这些成就时，爱因斯坦应该会写下这句话：“请原谅我，牛顿。” 9W5JfdU4dV6P3vA9e5cfpaIpHYH26haz0eFgS2ZOgNCY/7UkuY5nDHLeWHLM5SXD