阿爾伯特·愛因斯坦曾說過,可能只有兩件事是無限的:宇宙和人類的愚蠢。而且,他承認,他對宇宙並不確定。
當我們聽到這句話時,我們會輕笑。或者至少我們會微笑。我們不會感到冒犯。原因是“愛因斯坦”這個名字讓人聯想到一位和藹可親、慈祥的長者形象。我們看到這位善良、頭髮蓬亂的科學天才,他的標誌性肖像——騎著腳踏車、吐著舌頭、用他那雙銳利的眼睛盯著我們——深深地印在我們的集體文化記憶中。愛因斯坦已經成為純粹和強大的智力探索的象徵。
愛因斯坦在1905年科學界一舉成名,那一年被譽為他的奇蹟年。在瑞士伯爾尼專利局每週工作六天,每天八小時的同時,他利用業餘時間撰寫了四篇論文,改變了物理學的程序。在那年三月,他提出光,長期以來被描述為波,實際上是由粒子組成的,這些粒子被稱為光子,這一觀察結果開啟了量子力學。兩個月後的五月,愛因斯坦的計算為原子假說提供了可測試的預測,後來透過實驗證實,確鑿地證明了物質是由原子構成的。六月,他完成了狹義相對論,揭示了空間和時間的行為方式出人意料,這是任何人都沒有預料到的——簡而言之,距離、速度和持續時間都是相對的,取決於觀察者。最後,在1905年9月,愛因斯坦推匯出了狹義相對論的一個推論,一個將成為世界上最著名的方程:E = mc2。
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科學通常是漸進的。很少有貢獻能發出科學警報,預示著一場根本性的變革即將來臨。但在這裡,一個人在一年內敲響了四次警鐘,這是一種驚人的創造性洞察力的迸發。幾乎立刻,科學界就能感覺到愛因斯坦工作的反響正在動搖對現實的基石理解。然而,對於更廣泛的公眾來說,愛因斯坦尚未成為愛因斯坦。
這種情況將在1919年11月6日改變。
在狹義相對論中,愛因斯坦確定沒有任何東西可以比光速更快地傳播。這為與牛頓引力理論的對抗奠定了基礎,在牛頓引力理論中,引力在空間中瞬時施加影響。在這種迫在眉睫的矛盾的驅動下,愛因斯坦大膽地試圖改寫牛頓引力數百年來的規則,這是一項令他最熱心的支持者也認為是不切實際的任務。德國科學界的領袖人物馬克斯·普朗克語重心長地說:“作為一位老朋友,我必須勸你不要這樣做……你不會成功的,即使你成功了,也不會有人相信你。”愛因斯坦從不屈服於權威,他堅持不懈地繼續前進。而且持續了將近十年。
最終,在1915年,愛因斯坦宣佈了他的廣義相對論,該理論以一個驚人的新思想對引力進行了深刻的重新定義:空間和時間中的扭曲和彎曲。廣義相對論認為,不是地球抓住你手中滑落的茶杯並將其拉到地板上不幸地摔碎,而是地球使周圍環境凹陷,導致茶杯沿著時空滑槽滑落,將其引導到地板上。愛因斯坦宣稱,引力印刻在宇宙的幾何結構中。
自愛因斯坦提出該理論以來的100年裡,物理學家和歷史學家已經拼湊出一個連貫的,儘管很複雜的故事,講述了它的起源[參見沃爾特·艾薩克森的“愛因斯坦如何在戰爭、離婚和競爭中重新發明現實”]。在我自己的一些通俗讀物中,我很高興地回顧了愛因斯坦的攀登過程,從優雅的技巧到pieds en canard,再到他最終的頂峰。然而,審視他的過程遠非使愛因斯坦的創造性飛躍變得神秘,反而只會為這一提議驚人的新穎性和壓倒一切的美麗增添光彩。
1919年11月6日,在愛因斯坦完成廣義相對論四年後,世界各地的報紙都大肆宣揚剛剛釋出的天文測量結果,這些結果證實,天空中恆星的位置與牛頓定律的預期略有不同,正如愛因斯坦所預測的那樣。這些結果勝利地證實了愛因斯坦的理論,並使他一夜之間成為偶像。他成為了推翻牛頓的人,並且在這個過程中,帶領我們人類向自然的永恆真理邁進了一大步。
更重要的是,愛因斯坦成為了絕佳的新聞素材。當他在聚光燈下眯著眼睛,口頭上表達對孤獨的渴望時,他知道如何引起世界對他神秘而重大的領域的興趣。他會丟擲巧妙的俏皮話(“我是一個好戰的和平主義者”),並興高采烈地扮演著天才中的天才的公眾角色。在城市之光的首映式上,當紅地毯上的相機閃爍時,查理·卓別林對著愛因斯坦耳語了一些類似這樣的話,“人們為我鼓掌是因為每個人都理解我,而他們為你鼓掌是因為沒有人理解你。”這是一個愛因斯坦很適合扮演的角色。而更廣泛的公眾,厭倦了第一次世界大戰,全心全意地擁抱了他。
當愛因斯坦在社會上游刃有餘時,他對相對論的看法,至少是廣泛報道的版本,似乎與其他文化變革產生了共鳴。詹姆斯·喬伊斯和T·S·艾略特正在分裂句子。巴勃羅·畢加索和馬塞爾·杜尚正在劈開畫布。阿諾德·勳伯格和伊戈爾·斯特拉文斯基正在打破音階。愛因斯坦正在將空間和時間從過時的現實模型中解放出來。
有些人更進一步,將愛因斯坦描繪成20世紀前衛運動的中心靈感來源,是科學的源泉,它迫使人們重新思考文化。相信自然的真理掀起了一場浪潮,席捲了根深蒂固的文化中陳舊的殘餘物,這很浪漫。但我從未見過令人信服的證據表明這些變革與愛因斯坦的科學有關。對相對論的廣泛誤解——它消除了客觀真理——是文化領域中許多不合理的援引愛因斯坦理論的原因。奇怪的是,愛因斯坦本人有著傳統的品味:他喜歡巴赫和莫扎特勝過現代作曲家,並拒絕了新的包豪斯傢俱的禮物,而選擇了他已經擁有的磨損嚴重的傳統裝飾。
公平地說,許多革命性的思想在20世紀初湧現,它們肯定相互交織在一起。正如可以肯定的是,愛因斯坦是打破長期以來的假設如何能揭示令人歎為觀止的新景象的一個主要例子。
一個世紀後,愛因斯坦揭示的景象仍然充滿活力和肥沃。廣義相對論在20世紀20年代催生了現代宇宙學,即研究整個宇宙的起源和演化。俄羅斯數學家亞歷山大·弗裡德曼和比利時物理學家兼牧師喬治·勒梅特各自獨立地使用愛因斯坦的方程證明空間應該正在膨脹。愛因斯坦反對這一結論,甚至透過插入臭名昭著的“宇宙學常數”來修改方程,以確保宇宙是靜態的。但是後來的埃德溫·哈勃的觀測表明,遙遠的星系都在飛速遠離,這說服了愛因斯坦回到他最初的方程,並接受空間正在伸展。今天宇宙的膨脹意味著過去宇宙更小,這意味著宇宙起源於一個原始小點的膨脹,勒梅特稱之為“原始原子”。大爆炸理論由此誕生。
自那以後的幾十年裡,大爆炸理論得到了極大的發展(今天最廣泛接受的版本是暴脹理論),並且透過各種改進,經受住了各種觀測測試。其中一項觀測,獲得了2011年諾貝爾物理學獎,揭示了在過去的七十億年裡,空間不僅一直在膨脹,而且膨脹速度還在加快。最好的解釋是什麼?大爆炸理論,加上愛因斯坦很久以前拋棄的宇宙學常數的一個版本。教訓是什麼?如果你等待足夠長的時間,即使是愛因斯坦的一些錯誤想法也會被證明是正確的[參見勞倫斯·M·克勞斯的“愛因斯坦哪裡錯了”]。
廣義相對論更早的見解起源於德國天文學家卡爾·史瓦西在第一次世界大戰期間在俄國前線服役時進行的一項分析。史瓦西在計算炮彈軌跡的間隙,推匯出了愛因斯坦方程的第一個精確解,給出了一個精確的描述,描述了像太陽這樣的球形物體產生的扭曲時空。作為副產品,史瓦西的結果揭示了一些奇特的東西。將任何物體壓縮到足夠小的尺寸——例如,太陽,壓縮到三英里寬——由此產生的時空扭曲將非常嚴重,以至於任何過於靠近的東西,包括光本身,都會被困住。用現代語言來說,史瓦西揭示了黑洞的可能性。
當時,黑洞似乎遙不可及,是一種數學上的怪異現象,許多人認為它與現實無關。但是,是觀測,而不是期望,決定了什麼是正確的,天文資料現在已經證實,黑洞是真實存在的,而且數量眾多。它們離我們太遠,目前無法進行直接探索,但作為理論實驗室,黑洞是不可或缺的。從斯蒂芬·霍金在1970年代的有影響力的計算開始,物理學家們越來越相信,黑洞的極端性質使其成為推動廣義相對論向前發展,尤其是將其與量子力學融合的理想試驗場[參見迪米特里奧斯·普薩爾蒂斯和謝潑德·S·多爾曼的“黑洞測試”]。事實上,當今最受熱議的問題之一是量子過程可能如何影響我們對黑洞外邊緣——其事件視界——以及黑洞內部性質的理解。
這一切都只是想說明,廣義相對論一百週年遠非對歷史興趣的回顧。愛因斯坦的廣義相對論緊密地編織在當今前沿研究的掛毯中。
那麼,愛因斯坦是如何做到的呢?他是如何做出如此多具有持久重要性的貢獻的呢?雖然我們可以否認愛因斯坦是立體主義或無調性音樂的來源,但他確實是我們想象某人可以在自己內心的私密空間中,努力思考並揭示宇宙真理的原因。愛因斯坦作為一名科學家是社交的,但他重大的突破都是孤獨的靈光乍現時刻。這些洞察力的出現是因為他的大腦具有不尋常的結構嗎?因為他具有不墨守成規的視角嗎?因為他具有堅持不懈和毫不妥協的專注能力嗎?也許是。是的。很可能。當然,現實是,沒有人知道。我們可以講述某人可能產生這個或那個想法的原因的故事,但底線是,思想和洞察力受到太多無法分析的影響因素的影響。
避免誇張,我們能說的最好的就是,愛因斯坦在正確的時刻擁有了正確的大腦,從而破解了一系列深刻的物理學難題。那真是一個偉大的時刻。他在發現廣義相對論之後的幾十年裡所做的許多但相對適度的貢獻表明,他帶給物理學的特定智力聯絡的時機已經過去。
鑑於他所取得的一切成就,以及他所產生的持續遺產,人們不禁要問另一個推測性的問題:還會出現另一個愛因斯坦嗎?如果指的是另一個將有力地推動科學進步的超級天才,那麼答案肯定是肯定的。在愛因斯坦去世後的半個世紀裡,確實出現過這樣的科學家。但如果指的是一個世界將會關注的超級天才,不是因為在體育或娛樂方面的成就,而是作為一個人類頭腦能夠取得成就的激動人心的榜樣,那麼,這個問題就關係到我們——關係到我們作為一個文明將珍視什麼。
