深圳市民文化大讲堂（上、下册）

1905年3月，26岁的爱因斯坦给德国哈勒的《物理学刊》投稿5篇。

第一篇论文完成于1905年3月17日，标题是《关于光的产生和转化的一个启发性观点》（Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt），由《物理学刊》于1905年6月9日发表。

这是《物理学刊》至今为止发表过的最成功的文章，它把普朗克1900年提出的“量子”概念推广到光在空间的传播上，提出“光量子”（即光子）假说，第一次揭示了光的波粒二重性，而这正是量子力学的基础。论文中提出的光电效应成为众多现代技术的理论基础，包括我们今天普遍运用的激光。

这一设想于10年后由美国物理学家密立根（Robert Andrews Millikan，1868-1953）实验证实。1921年，爱因斯坦因“光电效应定律的发现”获得诺贝尔物理学奖。

第一篇论文发表前，爱因斯坦已于1905年4月30日写完第二篇论文《分子大小的新测定》（Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen）。7月，爱因斯坦将这篇17页的论文作为博士论文上交苏黎世大学。爱因斯坦此前曾向苏黎世理工学院提交过另一篇博士论文，惨遭退货。苏黎世大学虽然非常宽容，但再次退货，不是因为论文质量，而是因为17页篇幅作为博士论文实在是太短了。作为妥协，爱因斯坦又勉强加了几页废话，论文于7月底被接受。1905年8月15日爱因斯坦将这篇文章寄给《物理学刊》，并最终发表在该刊1906年第4期上。1906年1月15日，爱因斯坦凭这21页的论文在苏黎世大学获得博士学位。

爱因斯坦这篇论文发表于当时声誉最高的物理学杂志，至今为止，它是全世界物理学论文的被引用冠军。

1905年5月11日寄出的是第三篇文章，灵感来自他在5月与好友贝索（Michele Angelo Besso，1873-1955）一起喝茶时。它与第一篇文章一起让爱因斯坦成为统计物理学的奠基人。论文名叫《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》（Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen），它被公认是第二篇“对世界产生革命性影响”的论文。

20世纪初，科学界对原子是否存在还有争议，而爱因斯坦在这篇论文中创立了支配“布朗运动”的数学定律，证明了原子的存在。

什么是“布朗运动”？

19世纪初英国植物学家布朗（Robert Brown，1773-1858）在实验中将花粉洒在水里，然后用显微镜观察，发现花粉总是不断沿“之”字形在水中不规则运动，这种现象后来被称为布朗运动。在这篇论文中爱因斯坦通过观测分子运动的涨落所产生的悬浮粒子的无规则运动来测定分子的实际大小，证明原子确实存在，从而结束了半个多世纪科学界和哲学界关于原子是否存在的争论。

3年后法国物理学家佩兰以精密的实验证实了爱因斯坦的理论预测。这也是对现代统计力学的重大贡献，其方法直到今天还用于模拟空气污染物的飘动或股票市场涨落走势。

爱因斯坦于1905年6月30日完成的第四篇论文名字叫《论运动物体的电动力学》（Zur Elektrodynamik bewegter Körper）。灵感是爱因斯坦一天早上醒来时突然出现在他脑海中的，但其酝酿用了差不多10年。该文于9月26日在《物理学刊》发表，它将经典力学的相对性原理——时间、空间和同时性（Gleichzeitigkeit）引入物理学。

它标志着狭义相对论的诞生。

从科学发展上说，这篇论文提出了不同于牛顿的全新时空理论。

这个理论很复杂，我不是物理学家，只是个业余爱因斯坦爱好者。我试着来解释一下我所理解的这个理论。

爱因斯坦的意思是：

第一，我们无法确定相对静止的物体到底是静止还是匀速运动，因此不存在绝对静止的空间，一切静止都是相对的；

第二，光在真空中的速度永远不变而且不可超越，它与光源的速度无关。

这个意思是，对于站在地球上的人来说，以每秒20米速度前进的火车发出的灯光和以光速飞行的火箭发出的灯光，其速度是一样的，均为每秒30万公里，火车发出的灯光的速度不是每秒30万公里加20米。

再举个例子：如果一架透明飞机从我们眼前飞过，站在地球上的我们会先看见机头的空姐把一个碟子掉在地上，然后才看见机尾的男人喝了口红酒。可如果去问飞机上的乘客，他们都会说，是空姐碰落碟子的“同时”男人喝了口红酒。

光速不变定律彻底摧毁了牛顿的绝对时空观。爱因斯坦的这两个假设告诉我们，我们人类坚信了几千年的所谓“同时”，其实不是“绝对的”，而是“相对的”！

第三个例子：对于在北京生活的人来说，北京的白天和黑夜是不是绝对的？

是。

地球上的白天和黑夜是不是绝对的？

很容易跟着回答“是”。

其实不是。对于这个问题的回答得先明确地点。当北京是白天时，纽约正是黑夜。因此，地球的白天和黑夜其实是“相对的”，北京的白天跟纽约的白天不是一回事儿，至少肯定不是同时的。也就是说，不确定具体地点，我们根本无法回答这个问题。

也就是说，地球的时间跟月球的时间不是一回事。在宇宙中，时间是相对的。

最后一个例子：“上”和“下”是不是绝对的？

17世纪之前人类认为地球是扁平的。那个时候人类的“上”和“下”是绝对的。

1622年葡萄牙航海家麦哲伦领导的环球航行证实地球是圆的。在圆的地球上，“上”和“下”就变成相对的了，因为北京的“下”，可能正好是纽约的“上”。

这篇论文还提出了著名的“尺缩效应”、“钟缓效应”和“质增效应”。

“尺缩效应”是说，如果有把尺子放在你面前，当它相对于你运动时，你会发现它变短了。

“钟缓效应”是说，飞机里的钟比地面的钟走得慢。

更加不可思议的是“质增效应”，它是说，高速运动中的物体，其质量（放在地球上说就是重量）会增加。例如，高速飞行的航天飞机上一筐3斤鸡蛋，如果我们地面上的人来称，会发现它变成了30斤。

作为《论运动物体的电动力学》的续篇、11月21日发表在《物理学刊》上的第五篇短论文《物体的惯性是否决定其包含的能量？》（Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig？）证明质量和能量可以互换，因此爱因斯坦提出“物体质量是其内能的一个尺度”。第四、第五篇文章是狭义相对论、广义相对论、原子弹和那个人类历史上最著名的公式“E=MC²”的基础，具体我们后面再讲。

历史学家从此将1905年称作“奇迹年”。

英语的“奇迹”是“miracle”，拉丁文中是“miraculum”，即科学无法解释的超自然现象或事件，如基督教所称的耶稣的诞生与死亡。

“奇迹年”的拉丁文写成“annus mirabilis”。在西方科学史上只有三个“奇迹年”。

第一个奇迹年是1543年，这一年波兰天文学家哥白尼的《天体运行论》和比利时医生、现代解剖学创始人维萨留斯的《人体构造》双双出版，标志着西方科学摆脱神学开始探索宇宙和人体，拉开了西方科学革命的大幕。

第二个奇迹年指的是1666年。1665年英国舰队在洛夫斯托夫特之战中大胜占绝对优势的荷兰舰队，拯救英国，1666年9月伦敦城历五天大火而幸存，英国人认为这是上帝显灵保佑了英格兰。1667年英国诗人约翰·德莱顿写长诗《奇迹年1666》来歌颂这一年。后来这个词被用来特指牛顿，因为他1666年从剑桥回到乡间躲避鼠疫，结果发现了微积分、万有引力和光谱理论，即太阳光是由七种颜色组成的。

1909年之后，这个词被用来指代爱因斯坦的1905年。

观察欧洲历史就会发现，欧洲天才最密集的时期是17、18世纪，那个伟大的年代，天才像流星雨一样密集降临欧洲，一直延续到20世纪初，欧洲也因此称雄世界。

事实上，1905年不仅是革命之年，而且注定是奇迹之年。这一年，世界上发生了诸多非常事件，而很多非常事件都与爱因斯坦有关。

1905年，维也纳一个默默无闻的青年医生出版了一本名叫《梦的解析》的怪书，遭到科学家同仇敌忾的口诛笔伐。这个医生后来向爱因斯坦抱怨：“你真是幸运，当你发表自己的学说时，大家都承认看不懂，却赞成你的意见；而当我发表自己的学说时，大家都不懂装懂，而且还七嘴八舌地批评我。”

这个人是精神分析学说的开山祖师西格蒙德·弗洛伊德。他也是个犹太人。

据说卓别林也向爱因斯坦说过：“我赢得了如潮喝彩，因为每个人都明白我的意思；而您也赢得了如潮喝彩，却是因为谁都不明白您的意思！”

卓别林，也是犹太人！

还是1905年，一个奥地利青年满怀热情地在维也纳的林茨里尔中学求学。他坚信自己是一个伟大的艺术家，一定会在历史上扬名立万。后来他确实让世界历史永远记住了他。爱因斯坦因为他离开了德国，而弗洛伊德因为他离开了奥地利。

他是希特勒，是个遗臭万年的独裁者。

而与希特勒一同在这所中学学习的，是赫然有“哲学史上百年一现的天才”之称的维特根斯坦。在一张近年发现的照片上，维特根斯坦在前排，而希特勒在后排，两人仅相距一臂之遥。希特勒在自传《我的奋斗》中说，他对犹太人的仇恨，就是因为维也纳的一个犹太人。有研究者推测，这个犹太人就是当时他的高富帅同学维特根斯坦。

同样在1905年，在遥远的新大陆美洲，一个年轻人步履轻快地走出了哈佛大学校门。那时他根本不知道自己16年之后会因为小儿麻痹症而被禁锢在轮椅上。更重要的是，他那时根本不知道世界上有个犹太人名叫爱因斯坦。34年后他收到了爱因斯坦一封信，而这封信决定30多万日本人必须死去。

这个人叫富兰克林·罗斯福，美国历史上唯一当了4届总统的人。

奇迹年之后，再讲下相对论。

1914年4月爱因斯坦应德国科学领袖普朗克之邀到柏林，6月2日在普鲁士科学院发表院士就职演说，话音未落，8月1日第一次世界大战爆发，爱因斯坦签署了《致欧洲人宣言》（Manifest an die Europär），遭到广大“爱国”科学家的疯狂围攻。爱因斯坦曾这样描述自己的处境：“我现在德国被称为德国科学家，在英国被视为犹太人。如果我的科学理论被推翻，情况肯定大变：我在德国会被视为犹太人，而在英国被称为德国科学家。”

在与第一任太太马蜜娃分居后，顶着第一次世界大战，爱因斯坦在1915年11月完成广义相对论研究，并在11月将研究结果分为4次学术报告向普鲁士科学院宣读。

爱因斯坦在第一篇报告中提出满足守恒定律的普遍协变引力场方程，在第三篇报告中根据这个方程算出外太空星光掠过太阳表面发生的偏转将是1.7弧秒，同时推算出水星近日点每100年进动43秒，完美解决困扰天文学家60多年的“水星进动”难题。在第四篇报告《引力的场方程》中，爱因斯坦放弃对变换群的不必要限制，建立真正普遍协变的引力场方程，宣告广义相对论作为逻辑结构正式形成。1916年12月，爱因斯坦完成第一本相对论科普手册《论狭义与广义相对论》，正式决定将1905年这一奇迹年的相对论定名为“狭义相对论”，而将1915～1916年成形的理论定名“广义相对论”。

广义相对论被誉为人类历史上单个科学家所取得的最伟大的科学成就。

讲爱因斯坦实在躲不过相对论，我讲下我理解的极简版科普相对论。

什么叫物理学？物理学听起来很高深。汉语中什么东西加个“学”就不得了，其实“物理”就是“世界万物到底是什么”。它是跟我们普通人关系最密切的科学，因为每个人都会问：“太阳是什么？”“地球是什么？”“人为什么会死？”

物理学发源于亚里士多德，他的主要著作之一就是《物理学》。从科普意义上看，物理学中探索最大物体——宇宙的理论是相对论；而探索最小物体——原子、电子和微电子的理论是量子理论。爱因斯坦是相对论之父，也算量子论教父，虽然他本人根本不承认量子论。最机智的相对论科普版来自爱因斯坦本人。他晚年与青年学生谈话时说：“如果你和一个美女一起坐了两小时，你会认为仅仅是一分钟；如果你在通红的火炉上坐了一分钟，你会认为已经过了两小时。这就是相对论。”

相对论的伟大并不仅仅在于它说明了美女和火炉与你的屁股的关系，更在于超越了此前人类历史上最伟大的科学理论：牛顿力学。从科学上说，爱因斯坦的伟大就在于超越了牛顿。那么，哪个是牛顿？

艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1642-1727）是继古希腊圣哲亚里士多德之后物理学世界第一大师。

前面说过，物理学起源于亚里士多德。

如果一个10公斤的铅球和一个1公斤的铅球同时掉下来，哪个先落地？

像我这样的科普爱好者想都不会想就会说10公斤的铅球先落地。

亚里士多德也这样说。他这句话人类信了1900年。

17世纪初出了个伽利略，这个愣头青不识好歹地从比萨斜塔上同时扔下大小两个铁球，两者同时落地，大家才发现亚里士多德说得不对。1632年他出版《关于两个主要世界系统——托勒密与哥白尼系统——的对话》，居然被以书治罪遭软禁，339年之后方沉冤得雪。

牛顿被公认为英国最伟大的科学家，身兼物理学家、天文学家、数学家，是近代力学开山祖师，提出著名的万有引力定律和牛顿运动三定律，后者被誉为人类历史上最伟大的十大科学发现之一。

公元1500年时地球上大部分人的生活仍然与公元前1500年的人差不多，然而，这之后的500年，人类世界翻天覆地，陷入一场伟大革命之中，至今尚未结束。这革命几乎都归功于科学，而揭竿而起发动这场科学革命的是牛顿。牛顿之前，欧洲知识界长期是神学的天下，当时欧洲人都认为人类对世界的一切认识都来自上帝。

牛顿力学代表作《自然哲学的数学原理》被誉为科学史上最伟大的十大著作之一，其最基本的观念就是“绝对空间和绝对时间”，即：在绝对空间中，空间和时间都固定不动。这话现在说起来稀松平常，当时却是个超级原子弹。此前欧洲人深信天上地下的一切都是上帝安排好的，当然也包括空间和时间，怎么会“绝对”？“绝对”的意思就是时间和空间跟上帝都没关系。

牛顿担任英国皇家学会主席长达24年，不仅是英国科学界一霸，而且被视为全世界活着的最伟大的人。当时世界科学水平的代表是英国皇家学会，而这个学会全体成员毕恭毕敬、屏息吞声地倾听牛顿每一句模糊不清的话；他不点头，任何人不能当选皇家学会会员。牛顿62岁被安妮女王封为爵士，1727年3月20日去世后被葬于西敏寺，墓志铭直接就是万年马屁，居然号召大家“让人类欢呼如此伟人曾经光临尘世”。

可是“绝对时间和绝对空间”这个论断有明显的毛病：“绝对”就是不依赖于任何事物都独立存在。可如果它们跟任何事物都没关系，那我们怎能知道世界上存在时间和空间呢？这问题牛顿答不上来，最后只好推到上帝身上。他说绝对时间和绝对空间是上帝创造的。

因为绝对空间和绝对时间这个毛病太明显，所以批牛顿的人络绎不绝。德国哲学家莱布尼茨批了一回，没批倒；19世纪奥地利的物理学家马赫又批了一回，还是没彻底批倒。以“绝对时间和绝对空间”为金字招牌的牛顿力学经两百多年发展已臻完美，在解决地球上低速运动中的物理问题时取得了无与伦比的辉煌成就，直到20世纪初，“绝对时间和绝对空间”在物理学界依旧神圣不可侵犯，当时物理学家都认为“后世物理学家可做的事情已经不多了”。

爱因斯坦对牛顿非常尊敬，他书房里长期挂着一幅牛顿画像。第一次访英时他首先到牛顿墓前献花，然后才去皇家学会作报告。

牛顿力学理论认为时间与空间绝对不变；速度可以相加；星球之间依靠万有引力互相吸引，所以不会彼此离开。可当时已经有实验证明无论火车朝什么方向开，信号灯相对火车的速度都是一样的；而迈克尔森实验则证明，无论顺着还是逆着地球运动，光速都一样。

这个问题说起来听不懂，举个例子吧。你原地不动，詹姆斯朝你扔过一个篮球，你能看到篮球吧？可牛顿力学说速度必然相加，因此球出了詹姆斯手之后就有一个向你而来的球速，这时球反射到你眼中的速度就是光速+球速，比球未出手前要多出一个球速。如果真是这样，我们根本看不见篮球，因为眼睛的运动只能达到光速，永远跟不上加了一个球速的篮球。

广义相对论正是源于对这个问题的追根究底：如果光速不变，时间和距离必须是变量，我们才能看NBA比赛。因此，时间和空间肯定不是固定不变的，也就是说，它们不是绝对的。爱因斯坦的结论是：时间、距离会因物体运动快慢而变化。在一艘以每秒26万公里飞行的飞船上，1米的尺子会缩成半米；地球上过了1小时，飞船上的钟才走了5分钟。因为我们造不出光速飞船，所以我们很难理解时间和空间的变化，但科学实验证明，高速运动中时钟确实会变慢，时空确实是变化的，只是因为地球上物体运动的速度太慢，所以我们感觉不到它们在变。

这个理论听起来平淡无奇，实际上石破天惊，因为它打破了牛顿的绝对时间和绝对空间，也就从侧面否定了上帝的存在。

爱因斯坦的第二任妻子罗爱莎曾向卓别林讲述广义相对论诞生的具体过程，后被卓别林记入自传，原文如下：

博士像往常那样穿着睡袍下楼吃早餐，可那天他什么都没吃。我想一定出了什么大事儿，于是就问到底啥事儿让他魂不守舍。

他回答说：“亲爱的！我突然有了个巧妙的想法。”

喝完咖啡后他走过去弹钢琴，几次停下来在纸上记录，然后重复说：“我有了个巧妙想法，非常奇妙的想法。”他说：“这很困难，我仍需工作。”他继续弹钢琴，并在纸上写来写去。半小时后他上楼去书房，告诉我不要打扰他。他一直留在书房里两个星期，每天我上楼把食物送给他，傍晚时他散一会儿步当作运动，回来继续工作。

最后，他走下楼来，把两张纸放在桌上，脸色苍白地说：“这是我的发现。”

这就是广义相对论！

1905年狭义相对论诞生仿佛如鲠在喉，不吐不快，爱因斯坦捷足先登，不过证明他才思敏捷。爱因斯坦自己也说过，如果他没发现狭义相对论，5年之内必被他人发现。其实洛伦兹和法国大数学家彭加莱已无限接近发现狭义相对论，可洛伦兹不愿打烂牛顿力学，而彭加莱主要研究数学，因此这个成果最后落到爱因斯坦身上。

广义相对论的出现完全不同。它像一个晴天霹雳，是在没有任何先兆下横空出世的，它是爱因斯坦天才最强有力的证据。可以说，没有爱因斯坦，今天咱们也未必就能发现它。没有任何实验上的矛盾，没有任何实际需求，当时地球上也无人意识到它的必要性。即使没有广义相对论，也不妨碍火箭发射、卫星上天和计算机出现。

但是，广义相对论继狭义相对论之后，又一次掀起了人类时空观大革命。

这场大革命到底有多大？

翻开初中一年级几何课本，扉页里就有一条人所共知的平行公理：“在平面内，过已知直线外一点，只有一条直线和已知直线平行。”

这是欧几里得几何第五公设。

公元前300年欧几里得将它写入《几何原本》，它和其他几个公理组成的欧几里得几何横扫世界，随之导出的大批定理成了人类根深蒂固的观念：三角形内角和等于180度，直角三角形两直角边的平方和等于斜边的平方（勾股定理），等等。欧几里得几何是人类创立千年完美数学大厦最重要的那块儿基石。在人类文明中，从平淡无奇的桌椅到气势恢宏的宫殿，从终将毁灭人类的原子弹到俯瞰人间的卫星，无不闪烁着欧几里得几何直线的耀眼光彩。

Any more Question？

1加1难道不等于2吗？

结果18世纪末德国出了个“数学王子”高斯，他就出来question了一下。他与俄罗斯的罗巴切夫斯基和匈牙利的波尔约分别独立提出非欧几何，经艰苦论证，终创与欧氏几何分庭抗礼的非欧几何。

正是非欧几何救了爱因斯坦。他提出广义相对论之后非常犹豫，因为广义相对论得出的几何结果实在太出乎意料了，连他自己也不大相信。幸亏格罗斯曼向爱因斯坦介绍了非欧几何之后的黎曼几何，这才让爱因斯坦茅塞顿开。

这黎曼也是德国人，他紧跟老师高斯彻头彻尾跟欧几里得唱反调。黎曼几何最基本的原则就是：“在同一平面内，任何两条直线都有交点。”

What？

黎曼根本不承认平面内存在平行线！

黎曼几何告诉爱因斯坦，我们身在其中的这个空间并非简单的长、宽、高三维空间，这个三维空间实际上还得加上时间，因此它是一个四维时空，它并非人类一直相信的那样平直，而是一个弯曲空间。

弯曲空间就是，如果你站在地球边上向宇宙发出一束光，若干年后，如果地球还存在的话，你会发现光从你背后绕了回来。

爱因斯坦是对的：宇宙空间遵循的是黎曼几何，而不是欧几里得几何。当你精确测量空间三点连成的三角形之内角和时，你会发现它大于180度。欧几里得空间是平直的，而黎曼空间是弯曲的，它的弯曲程度取决于空间中物质的分布，物质密度越大的地方（比如有个太阳或者黑洞悬在那儿），引力就越大，相应地，空间弯曲就越厉害。

两点之间直线最短，这没问题吧？

实际上，最短的是条曲线，即爱因斯坦提出的“世界线”。

什么是世界线？

欧几里得几何中，两点间最短的距离是直线。在地图上的北京与纽约之间画条最短的线，那条线就是直线。可你找个地球仪，再在北京与纽约之间画条线，你会发现那是条曲线，因为地球是圆的，它只在地图上才是平的。在真正的地球上，北京与纽约之间最短的线不是直线，而是一条曲线，这段距离称为“度规”（metric）。

光线的传播与此相同。在欧几里得几何中，光线在两点之间永远走耗时最短的直线。但是，如果光线在引力影响下发生弯曲，就意味着此时两点之间最短的距离是条曲线。

这条线，就是世界线。

世界线，是时间机器的理论基础。

世界线涉及等效原理。

什么是等效原理？

1907年，德国物理学家、诺贝尔奖获得者斯塔克约爱因斯坦给他写文章介绍狭义相对论，结果爱因斯坦思考这篇文章时，灵感突然降临：一个人从屋顶摔下来时，他感觉不到自己的体重。

爱因斯坦提出：在无限小的体积中，均匀的引力场可以代替加速运动的参照系。此即爱因斯坦著名的“封闭箱”论点。在完全封闭的箱子中，观察者无法确定他自己究竟是静止待在一个引力场中，还是处在没有引力场却在做加速运动的空间中。此即惯性质量与引力质量“等效”。

根据等效原理，爱因斯坦提出高速运动会让时间变慢。这意味着强大的引力场同样会让时间变慢。地球引力很小，因此在地球上的我们无法感受到时间变慢，但如果您一头扎进黑洞，而且到达“黑洞视界”时没有被巨大的引力撕成亿万颗基本粒子，那么你就可以看见，在“黑洞视界”，时间停止不动了。

而我们知道，只有在运动达到光速时，时间才会停止。

正是在这一点上，广义相对论超过了狭义相对论。狭义相对论把相对性扩展到时间与空间，即时间的快慢取决于运动的速度；而广义相对论再进一步，把相对性扩展到惯性系与非惯性系，于是，时间的快慢不仅取决于运动速度，而且取决于物质分布的密度。

因此，广义相对论的引力定律不再是力的定律，而是时空几何结构，就是说，广义相对论统一了几何与物理，它用空间结构的几何性质来描写引力场，在这种空间几何中，引力速度等于光速。

因此，我们的空间是“四维时空”，所以高速列车对站在月台的人来说长度会缩短。广义相对论证明，我们之所以只能看见三维空间，是因为人类思维早已习惯三维空间，我们只想看见三维空间。

在牛顿力学中，物体如无外力作用将做匀速直线运动，在相对论中亦然，但在相对论中这条“直线”是四维时空中的直线，在三维空间中它表现为弯曲的“世界线”。

爱因斯坦的意思是：万有引力根本就不是力！

牛顿认为太阳吸引地球，而地球吸引苹果，最后苹果掉下来砸到牛顿脑袋上。事实居然并非如此！无论地球还是苹果，它们都不过是义无反顾地选择了最近的路，而它们的路之所以是弯的，以至于我们错误地认为它们受到万有引力的影响，仅仅是因为任何物体的存在都会导致自己周围的空间弯曲，重量巨大的物体（如黑洞或者星系）会使空间明显弯曲。换句话说，如果我们这个空间什么东西都没有，它就是平直的欧几里得空间；它之所以是弯的，就是因为存在黑洞、银河系这些东西。

举个容易明白的例子。我们把床单绷在长方形框架上，然后放上一个橙子，它会凹陷下去，之后我们再放一个小石子，根本不用我们推动，石子就会自动滚向凹坑中的橙子。这并非因为橙子的“万有引力”吸引了石子，而是橙子的重量在床单上压出的那个坑让石子义无反顾地选择最短的路顺着坑壁滚了下去。

地球绕太阳旋转，苹果落向牛顿的脑袋，同理。

为什么说广义相对论伟大？

因为广义相对论面对的是人类的两个大问题。

第一个问题是引力。狭义相对论对力学、热力学和电动力学物理规律的解释都正确，却无法圆满解释引力。牛顿的引力理论是超距的，他认为两个物体之间引力的传递是瞬间的，即传递速度无穷大，这与相对论关于场和光速恒定30万公里/秒的定律无法调和。

第二个问题是非惯性系。狭义相对论与牛顿力学以及其他物理学原理一样只适用于惯性系。但事实上我们很难找到真正的“惯性系”。例如，狭义相对论很难解释“双胞胎佯谬”：双胞胎哥哥在宇宙飞船上以亚光速航行，根据相对论，高速运动中时钟变慢，等哥哥回来时弟弟已经比哥哥老得多了，因为地球上已过去了几十年。这事儿很多人都知道。可很多人不知道的是，按照相对性原理，飞船相对于地球高速运动，实际上也等于地球相对于飞船高速运动，因此，弟弟看哥哥变年轻了，哥哥看弟弟也应该年轻了。因此他俩看上去应当一样年轻。

这问题简直没法儿回答。

为找到答案，科学家把一个非常精确的原子钟放在实验室，另一个由飞机载着在跑道上飞驰，然后比较两个原子钟的时间，令人惊讶的是，飞机上的原子钟确实比实验室里的钟慢了。

那么，狭义相对论错了吗？

没错。

这里的问题就出在惯性系。狭义相对论讨论的运动，其速度都是恒定的（即惯性系），而双胞胎哥哥要回到地球，肯定不能永远是恒定速度，因为他乘坐的飞船必须减速他才能降落到地球上（即非惯性系）。可狭义相对论并不讨论减速运动的事儿，因此狭义相对论无法解释“双胞胎佯谬”。

广义相对论告诉我们，我们的宇宙到底是什么样。

直到1917年，最聪明的科学家，包括伟大的牛顿，都认为我们的银河系就是整个宇宙，而且这个宇宙永远固定不变。

从人类文明一发源，人类最大的问题就是：为什么有这个世界？为什么月球不离开地球，地球也不离开太阳？

基督教说，这世界是上帝创造的。上帝规定月球与地球必须待在一起。

牛顿说，是因为万有引力，所以地球永远都不离开地球。

爱因斯坦说，那是因为空间弯曲。

牛顿说引力是联系宇宙万物的纽带，引力将太阳和地球吊在空间中，并且自转加公转。

爱因斯坦说，其实宇宙根本没什么万有引力，那是我们肉眼看不见的空间弯曲造成的假象。

牛顿认为宇宙空间是平直的。

爱因斯坦认为宇宙空间像一张绷在方框上的床单，宇宙中质量巨大的星系就像放在这张床单上的铅球。铅球在床单上压出的坑，竖起来看就相当于哈哈镜，而光线通过这些哈哈镜时会改变空间的镜像，使我们产生宇宙广阔无边的幻觉。爱因斯坦预言，如果我们站的位置合适，我们可以看见一个遥远星体的数个幻象。

这就是天文学上著名的“引力透镜”。

可我们透过引力透镜看见遥远星体的情况并不常见，因为宇宙如此辽阔，而且地球、引力透镜与我们观测的星体必须正好三点一线，我们才能看见引力透镜，而这种概率微乎其微：地球观测范围以内的星体，大概100万颗中间才有1颗能被引力透镜放大。因此，从爱因斯坦提出这个理论至今，在银河系里还没发现过较大的引力透镜。截至1990年，我们观测到引力透镜，不过6例。

1979年，爱因斯坦提出这个理论半个多世纪之后，天文学家对遥远的类星体Q0597+561的观察证实了引力透镜的存在。

空间居然真的弯曲！当这一点被科学证实，我们才发现，牛顿只不过看见了自己鼻子尖，而爱因斯坦看见了万里之外的大海。

空间可以弯曲，我们很难理解，因为我们这些生活在地球上的人实在感受不到空间是弯曲的。牛顿的万有引力之所以容易理解，就是因为他的万有引力建立在人类日常生活经验之上。牛顿不仅认为太阳系是平的，还认为宇宙也是平的，所以他带领我们发现了三维世界，即万物都有长、宽、高。牛顿提出万有引力定律是物理学的伟大革命，问题是一直到这场革命结束他都无法说明引力是怎么来的。以探索科学为己任的伟大科学家牛顿发现万有引力从而否定了上帝，但这个伟大的科学暴动者最后不得不回到上帝温暖的身边：牛顿宣布引力来源于上帝。

爱因斯坦超越牛顿。他根本否认宇宙空间是平的，他认为宇宙就像放了无数棉花球和铅球的床单，床单被这些球压出深浅不一的坑。牛顿之所以认为宇宙是平的，是因为他只看到了几乎压不出坑的棉花球——地球。想在宇宙空间中压出明显的坑来，需要巨大的重量（即质量）。太阳这么大的星球也只能压出几个原子大小的坑来（即坑深只相当于几个原子的直径），这样的坑，我们地球人用现在最先进的仪器也测不出来。

所以，要找到地球人也看得见的坑，必须放眼整个宇宙。

相对论的另一个功绩，是发现黑洞。

1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久，德国物理学家卡尔·史瓦西证明，如果把太阳压缩成半径3公里的球体，引力的强烈挤压会使太阳密度无限增大，随后产生灾难性崩塌，使太阳上的时空变得无限弯曲，在这样的时空中，连光都不能逃出来！由于无法反射光，崩塌后的太阳与宇宙就被分割成两个截然不同的区域，而那个分割的球面就是黑洞视界，即我们眼睛能看到的尽头，超过这个尽头，我们就看不见了。也就是说，如果这个黑洞是太阳，这时我们站在地球上就看不到太阳，却能看见太阳前后的其他星球。

这就是黑洞！

按照以他命名的“史瓦西度规”，当我们接近黑洞达到一定半径之后，时空弯曲会变得无穷大，这时我们不再像是走缓坡，而是突然从悬崖边上掉下去了——你走得太远了，已经找不到回家的路。此即“史瓦西半径”，即黑洞的半径。任何东西包括光线进入史瓦西半径后将无法逃走，最后一定会被黑洞撕碎吞掉。

黑洞质量巨大，最大黑洞的质量据说超过太阳10亿倍。太阳相当于130万个地球！130万乘以10亿。如果黑洞是地球，地球大概相当于一粒芝麻。

有意思的是，当时所有科学家，包括爱因斯坦本人和证实相对论的爱丁顿，全体断然否认存在黑洞。爱因斯坦宣布他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大。黑洞这个名称，也是50年之后才由美国物理学家惠勒命名的。

严格说来，黑洞并非星球，它只是宇宙中的一块儿地方，跟宇宙互不通连，黑洞视界将它们彻底分隔。黑洞视界以外光可以任意相互联系，意思就是，我们可以看见所有东西，这就是我们的宇宙。黑洞视界以内，光线不能自由传播，而是向中心集聚，这就是黑洞。在黑洞内部，物体向黑洞坠落的过程中潮汐力越来越大，在中心区域，其引力和起潮力都是无限大。因此，在黑洞中心，除了质量、电荷和角动量以外，原子、分子等都将分崩离析，根本不存在我们人类已知的任何“物体”。在黑洞中心，全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点，任何强大的力量都不可能把它们分开。

这就是“奇点”！

广义相对论无法说明“奇点”，只有量子理论才能说明，于是令人啼笑皆非的情况出现了：广义相对论发现了黑洞，却在“奇点”失效，被迫让位给量子理论；可广义相对论的发现者爱因斯坦与量子理论的发现者玻尔，却水火不相容！

广义相对论的第三个功绩是提出宇宙常数。

意思就是，爱因斯坦认为宇宙是静态的。

可是，1922年俄裔美籍物理学家弗里德曼通过数学计算发现宇宙随着时间在不断膨胀。1927年，比利时天文学家、顶级桥牌大师勒梅特也计算出同样的结果。爱因斯坦拒绝接受动态宇宙。他坚信宇宙是静态的，除了时间变化，其他一切都不会变。因此，他尖锐地批评弗里德曼和勒梅特。

结果，1929年，现代天文学之父哈勃观察宇宙深处星云的红移现象后证实，所有星系都在高速离银河系而去，而且，无论我们站在宇宙中哪个星系中，看到的情形也都一样：别的星系也在高速逃离我们所站的这个星系。距离越远的星系，逃离的速度越快。

意思就是，整个宇宙正在不断地膨胀。

就是说，宇宙是动态的。

哈勃得意扬扬地把自己的观测结果拿给爱因斯坦看，爱因斯坦不得不宣布放弃宇宙常数，并公开收回对弗里德曼的批评。

按哈勃定律，如果我们将宇宙的膨胀反推，就意味着在非常遥远的过去，最早的宇宙是半径为零的一个点。1948年，俄籍美国物理学家伽莫夫和学生阿尔法共同提出宇宙大爆炸理论，认为原始宇宙诞生于一次壮观的大爆炸，立刻成为科学界主流意见。50年后，天文学家发现宇宙不只在膨胀，而且这种膨胀还是加速的，即所有星系逃离银河系的速度都越来越快。

意思是，一定有某种神秘的力量在暗中以加速膨胀的方式撕扯着宇宙的所有星系。这种力量，科学家称为“暗能量”。近年来，科学家通过观测和计算证实“暗能量”不仅存在，而且还是宇宙的主流，约占宇宙总量的73%，此外“暗物质”约占23%，而我们人眼能看见的宇宙物质，如地球、月亮、星星等，仅约占4%。

我们从小就知道，天上星，数不清。爱因斯坦告诉我们，数不清的满天星只是宇宙的“一小撮”，宇宙的绝大部分我们知之甚少，或者干脆毫无所知。

暗能量的出现给爱因斯坦平了反，它证明爱因斯坦当初提出的宇宙常数起码从思路上是正确的。

宇宙常数以暗能量的面目满血复活，它产生的汹涌澎湃的斥力令整个宇宙为之色变。暗能量和引力之间的战争自宇宙诞生起就从未停止。科学实验证明现在暗能量的密度已大于物质的密度，即斥力已经战胜引力，宇宙正在以前所未有的速度加速膨胀。科学家们预测，再过200亿年，宇宙将迎来动荡的末日，恐怖的暗能量终将把所有行星、恒星、星系一一撕碎，宇宙将只剩下没有尽头的寒冷和黑暗。

广义相对论还有一个功绩是发现了引力波。

质量巨大的星系在宇宙中压出深坑的同时还会形成“引力波”。任何被外力弯曲的物体在连续时间里都会形成“波”，比如风吹西湖就会产生水波。这种在宇宙星系弯曲过程中形成的“波”，就是引力波。

引力波处处存在，声波和光波不存在的地方它也存在。声波和光波无法穿越墙壁，更不用说地球了，而引力波能以光速穿过真空。任何物体对引力波而言都是透明的，所以从太阳传向地球的引力波可以轻而易举地穿透地球。按爱因斯坦的说法，引力波形成后就携带着能量和波源物体的密码在宇宙中游荡，永不消逝。

声波和光波为人类打开了地球的奥秘之门，而引力波为人类打开了一扇了解宇宙的全新窗口。凡是有质量的物体进入加速运动都会发射引力波：一个李娜发出的网球，一个散步的爱因斯坦，月亮围绕地球运动……不过，对人类来说，引力波实在太弱了，根本测不出来。像太阳这么大的星球发出的引力波，人类用现有仪器也无法测量。因此，要测引力波，只能把目光投向宇宙中那些质量巨大的恒星。天狼双星产生的引力波功能量足以推动太阳那么大的恒星。不过，它们的引力波穿越辽阔的宇宙到达地球时微弱得只能震动一个原子，根本测不出来。我们只好想别的办法。

1974年底，美国射电天文学家胡尔斯及泰勒证实引力波存在。

如果我们对引力波的了解跟对声波和音波一样多，我们就可以看见地球内部到底有什么、黑洞到底是什么，甚至有可能看见137亿年前宇宙是不是真的发生过大爆炸。我们还可能找到外星生命。迄今为止我们寻找外星生命都是通过电磁波和声波，其实电磁波和声波连墙壁都无法穿透，它们在宇宙中到底能走多远很值得怀疑。也许外星人早就用引力波跟我们联系过了，只是我们的耳力如此不好，从来没听到过而已。

我们夜晚仰望太空，总觉得宇宙无限美丽、寂静，其实那是因为宇宙中没有空气，声波无法传送，所以我们听不到声音。如果我们通过一个引力波喇叭来听，宇宙将变得万声鼎沸，引力波能让我们听到宇宙所有的故事：耀眼的超新星爆炸不再是哑剧，它会借引力波传来爆米花一样的声音；中子星碰撞和黑洞产生，像一场《欢乐颂》大合唱；你甚至能听见宇宙炸开但光子还没跑出来之前那阵空前绝后的巨响。光波让我们穿越空间看见远处的东西，而引力波则能让我们听见过去和现在。如果用引力波来发射信号，我们将不需要高高的电视塔和天上的通信卫星，我们的手机将没有盲区，而且永不掉线。

现在咱们老说“穿越”，其实那都是电影。引力波带给我们的，才是真正无与伦比的时空穿越。

按照爱因斯坦的这个理论，创造宇宙的不是上帝，而是引力波。宇宙大爆炸后产生了一锅能量与物质完全均匀分布的高温“夸克汤”，根本没有太阳、地球、冯教授这些东西，正是与大爆炸同时产生的引力波搅动了夸克汤，让物质开始碰撞、旋转、冷却、凝聚，依次聚成原子、尘埃、恒星和星系，这才有了地球！

然后又过了多少万年，才有的我们。

从光速不变原理的萌芽，到逐渐完成弯曲空间的宇宙构想，最终认识到波动时空这一宇宙本真，爱因斯坦思想的光辉历程不但为人类构建了一套前所未有的伟大相对论，也为人类发掘出了一座引力波的巨大宝藏。我们不能完全想象出引力波的神奇用途，但它带给我们的每一种想象与期待，都无与伦比地迷人和壮观。为人类展现引力波神话的爱因斯坦，无疑是最伟大的为人类盗取天火的现实版普罗米修斯。引力场的预言彻底改变了时空几何学的游戏规则，它证实时间和空间是不可分割的四维整体，因此远远把牛顿力学抛在身后。

是的，我们的宇宙科学至今仍然不能超越爱因斯坦。也许永远都无法超越。因为，宇宙很可能就是他说的这个样子。

广义相对论亮剑，甚至赢得了科学死敌基督教的支持。在爱因斯坦之前，基督教基本上是反科学的，尽管罗马教廷烧死布鲁诺、查禁哥白尼、监禁伽利略，但科学仍然不可阻挡地深入人心，牛顿力学更是一记打在胃部的重拳，疼得基督教直不起腰来，基督教从此不再是全体欧洲人的信仰，神学家已经不敢跟科学家论战。

基督教虽然号称要拯救全人类，但处理具体事务时跟普通政党并无二致，也得遵循政治游戏规则，比如“敌人的敌人就是我们的朋友”。牛顿学说被相对论打倒，而广义相对论宣布宇宙可能有限，基督教心情愉快：宇宙有限，那宇宙之外不就是天堂么？所以，在爱因斯坦某次访问英国的宴会上，坐在他旁边的坎特伯雷大主教就恭恭敬敬地向爱因斯坦请教：“教授，听说您的理论似乎提供了基督教的某种证据？”正遭德国科学界万众围攻、急需同盟军的爱因斯坦却微笑着拒绝了基督教热情洋溢的大手：“对不起，相对论纯粹是科学问题，与基督教毫不相干。”

爱因斯坦拒绝与敌人的敌人联手。他知道，那样他会得到一个强大的盟友，却会就此输掉自己。

丘吉尔曾说，为了打败希特勒，他可以跟魔鬼结盟。

爱因斯坦宁愿输掉这场战争，也不愿跟基督教结盟。

因此，丘吉尔虽然也很伟大，但跟爱因斯坦确实没法儿比。