第一部分 基礎(chǔ)

第1章 物理學(xué)定律面前人人平等

為何斯莫林和羅韋利會(huì)受愛因斯坦影響，被科學(xué)思想的革命所吸引，其原因不難理解。在他們聽老師講課、勤奮地讀書，以及解答教科書上的經(jīng)典習(xí)題時(shí)，他們的視野被打開了，看到了一系列非凡的可能性。

時(shí)間和空間在我們大多數(shù)人看來再平常不過，但斯莫林和羅韋利卻對(duì)之提出了非常基本的問題，來探討它們的本質(zhì)——我們的物理現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)。雖然我們已經(jīng)對(duì)時(shí)空的表象那么熟悉了，但愛因斯坦向我們證明，關(guān)于時(shí)空本質(zhì)的答案并不是顯而易見的。他告訴我們，我們可以推翻權(quán)威、克服偏見，追尋更加深刻的真理。他在年僅26歲時(shí)就走上了這條革命之路。雖然愛因斯坦對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)在科學(xué)史上無人可比，但他的工作顯然還沒有完成，還差最后一步。

愛因斯坦在《狹義與廣義相對(duì)論淺說》附錄五的開頭寫道：“牛頓物理學(xué)的特征在于，它給空間和時(shí)間賦予了獨(dú)立而真實(shí)的存在，和物質(zhì)一樣。”在愛因斯坦誕生前兩百年，英國(guó)機(jī)械哲學(xué)家艾薩克·牛頓于17世紀(jì)構(gòu)建的這種“經(jīng)典”物理學(xué)體系要求空間和時(shí)間的結(jié)構(gòu)是絕對(duì)的。絕對(duì)的時(shí)空觀非常符合我們的日常經(jīng)驗(yàn)，以至于如果你完全沒有接觸過相對(duì)論，你會(huì)不假思索地視絕對(duì)時(shí)空觀為理所當(dāng)然。

但出于哲學(xué)方面的理由（我們之后會(huì)看到，這些理由也是十分實(shí)際的），我們應(yīng)該完全拋棄絕對(duì)時(shí)空的觀念。

在絕對(duì)時(shí)空觀里，絕對(duì)的空間形成了某種容器，容器之中，有一種神秘的宇宙節(jié)拍器標(biāo)記著絕對(duì)的時(shí)間。在這樣一個(gè)容器里，作用力對(duì)物體施加作用，事情不斷發(fā)生。如果我們把宇宙中所有的物質(zhì)都清除掉，我們就不得不相信空的容器會(huì)留下，而節(jié)拍器仍然在宇宙中不斷地滴答運(yùn)轉(zhuǎn)。這就意味著，宇宙中還有東西。

但剩下的到底是什么呢？根據(jù)邏輯，一切事物都存在于宇宙中，宇宙的定義就是如此。但絕對(duì)時(shí)空觀暗示，宇宙本身即存在于這個(gè)容器中。如果沿著這個(gè)邏輯再推演一下，我們可以想象在宇宙外面有一個(gè)高高在上的點(diǎn)，從那里可以俯瞰整個(gè)宇宙——宛如上帝在俯瞰他創(chuàng)造的一切事物。

當(dāng)然，想到這兒我們可以聳聳肩，認(rèn)為拋開哲學(xué)（以及神學(xué)）上的意義之后，絕對(duì)時(shí)空觀至少看起來是與我們的日常經(jīng)驗(yàn)一致的。我們把東西放在哪兒，就能在哪兒找到它；我們上下班總是沿著同一條道路行走；我們的每一天總是從早晨開始。這些難道不都是我們物理現(xiàn)實(shí)的絕對(duì)性的體現(xiàn)嗎？

但即使是這些日常現(xiàn)象，也并不是絕對(duì)的。只要稍微想一想，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在表象之下，我們看到的物體僅僅是在互相靠近或者遠(yuǎn)離而已，改變的只是其相對(duì)彼此而言的位置。這就是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在我們的時(shí)空中，我們?cè)谠瓌t上只能通過物體之間的相對(duì)關(guān)系定義物體的運(yùn)動(dòng)。牛頓也不得不承認(rèn)，在我們普通人的日常生活中，確實(shí)只能如此。

因此，我們會(huì)設(shè)想使用坐標(biāo)系（對(duì)于三維空間，我們使用三個(gè)兩兩垂直的坐標(biāo)軸，分別標(biāo)記為x、y、z），通過一個(gè)物體在某個(gè)時(shí)刻處于哪個(gè)位置，下一時(shí)刻又處于哪個(gè)位置來更精確地描述事物。這個(gè)方法好多了，或者說，看起來科學(xué)多了。

但不要高興得過早，因?yàn)槲覀儽仨毘姓J(rèn)，這類坐標(biāo)系的選取完全是任意的。

測(cè)量地球上的位置時(shí)，我們會(huì)使用另一套坐標(biāo)系，它被稱為經(jīng)緯度，是由地球的形狀和大小定義的。我們測(cè)量時(shí)間的系統(tǒng)的基礎(chǔ)是地球繞著太陽的運(yùn)動(dòng)，以及地球繞地軸的自轉(zhuǎn)。這些系統(tǒng)看起來十分“自然”，但它們只對(duì)于我們地球生物而言是自然的，而且我們不能否認(rèn)它們的選取實(shí)際上是十分任意的。像x、y、z或者經(jīng)緯度這樣的坐標(biāo)系被稱為參考系，我們可以在其中定位物體，并觀察事情的發(fā)生。

我們還可以更進(jìn)一步思考。任何做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體看起來都是從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方，但“移動(dòng)”到底是什么意思呢？是說物體從這個(gè)地方以特定的速度移動(dòng)到了那個(gè)地方，還是說物體其實(shí)是靜止的，只是“那個(gè)地方”以同樣的速度移動(dòng)到了“這個(gè)地方”？

J.R.R.托爾金的著作《魔戒》的粉絲可能會(huì)想起皮平與甘道夫一同坐在捷影上匆忙趕往米那斯提力斯的經(jīng)歷：“皮平慢慢進(jìn)入了夢(mèng)鄉(xiāng)，他有種奇怪的感覺：自己和甘道夫端坐在一匹奔馬的雕像上，像石頭般一動(dòng)也不動(dòng)，與此同時(shí)，世界在狂風(fēng)呼號(hào)中從他腳下滾滾而去。”

在這種勻速運(yùn)動(dòng)的例子中，從原理上就沒有任何觀測(cè)或測(cè)量手段能告訴我們到底是哪一方在運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，簡(jiǎn)單的邏輯推斷就能告訴我們，上面那段話說的是捷影在靜止的中洲上狂奔，但不可否認(rèn)的是，我們永遠(yuǎn)無法證明這一點(diǎn)。

這類勻速運(yùn)動(dòng)完全是相對(duì)的，物理學(xué)家在所謂的“慣性”參考系的背景下定義它。從剛剛的描述中我們知道，宇宙中根本不存在絕對(duì)的坐標(biāo)系，也沒有絕對(duì)（或最終）的慣性參考系，因此也就沒有絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。所謂的“上帝視角”，根本不存在。

如果某個(gè)概念在原理上與觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)無關(guān)，也就是說，我們無法積累關(guān)于它的實(shí)證經(jīng)驗(yàn)，我們就通常認(rèn)為它是“形而上學(xué)”（metaphysics，字面意思是“超越物理學(xué)”）的。那么，為什么牛頓會(huì)堅(jiān)持使用絕對(duì)時(shí)空觀這種我們永遠(yuǎn)無法直接體驗(yàn)的、形而上學(xué)的系統(tǒng)呢？因?yàn)橹挥凶龀鼋^對(duì)時(shí)空的假設(shè)，他才能用相對(duì)簡(jiǎn)單的公式表示運(yùn)動(dòng)定律——眾所周知，牛頓的運(yùn)動(dòng)定律是極為成功的。

牛頓運(yùn)動(dòng)定律的成功給人們帶來了極大的慰藉，也使得人們傾向于忽略這套理論描述所需要的有時(shí)極強(qiáng)的假設(shè)和前提條件。然而，在19世紀(jì)末，一股新的經(jīng)驗(yàn)主義哲學(xué)力量正在生長(zhǎng)壯大，逐漸獲得了科學(xué)上的話語權(quán)。該哲學(xué)流派要求完全摒棄形而上學(xué)的構(gòu)造，將其從科學(xué)中徹底清除。

經(jīng)驗(yàn)主義哲學(xué)的勢(shì)力正在積蓄，而在此時(shí)蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）打亂了他們的計(jì)劃。

當(dāng)時(shí)，種種實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象之間有著千絲萬縷的聯(lián)系。因此，從1855年開始，麥克斯韋在長(zhǎng)達(dá)10年的時(shí)間里發(fā)表了一系列論文，將這兩種不同但密切關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象分別用電場(chǎng)和磁場(chǎng)加以描述。我們可以用“力線”來形象地描繪這類場(chǎng)，它們通常從正電荷出發(fā)通往負(fù)電荷，或是從北極出發(fā)通往南極（見圖1）。這類場(chǎng)絕不只是豐富的想象力的產(chǎn)物：當(dāng)你試圖把兩塊磁鐵的北極對(duì)在一起時(shí)，你就能切實(shí)感受到它的存在。

但這就已經(jīng)不僅是物體在三維空間、一維時(shí)間里的運(yùn)動(dòng)了。麥克斯韋的電磁場(chǎng)方程描述了一種完全不同的新的物理學(xué)。在空空如也的空間里，我們也能感受到磁鐵周圍的磁場(chǎng)（我們可以輕易地證實(shí)，磁場(chǎng)可以存在于真空中，它并不需要空氣來傳遞）。實(shí)際上，對(duì)麥克斯韋方程組做一些簡(jiǎn)單的變形，就能清晰地描述波的運(yùn)動(dòng)了。

這與日益增多的支持光的波動(dòng)說的證據(jù)完全相符，它說明光就是電磁輻射的一種形式。麥克斯韋方程組還可以進(jìn)一步用于計(jì)算真空中電磁波傳播的速度，結(jié)果證明就是真空中的光速，我們用符號(hào)c表示它。

但在科學(xué)史上（在生活中也是一樣），某一瞬間的明確清晰，往往意味著其他方面會(huì)出現(xiàn)混亂。電磁輻射的本質(zhì)現(xiàn)在看起來清晰明了、毋庸置疑，但另一方面，物理學(xué)家不得不承認(rèn)，電磁波必須存在于某種介質(zhì)中。

如果你把一塊石頭扔進(jìn)湖里，你就會(huì)看見它在水面上產(chǎn)生了波紋。這種水波正是“介質(zhì)中的波”的一個(gè)典型例子，就水波而言，介質(zhì)就是水。沒有哪種波不需要介質(zhì)，電磁波也必須存在于某種介質(zhì)中。麥克斯韋本人確信，電磁波一定是在“以太”中運(yùn)動(dòng)的——以太是一種假想中的稀薄的物質(zhì)，它是電磁波的介質(zhì)，充滿整個(gè)空間。

所有的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)證據(jù)都表明，如果以太確實(shí)存在，它不可能參與可觀測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)。以太必須是靜止的。如果以太是靜止的，從定義上講它就是絕對(duì)的：它充滿了絕對(duì)空間所形成的容器。這樣一來，靜態(tài)的以太就定義了根本意義上的慣性參考系。

嗯……

問題來了，這里存在一些微妙的不同。牛頓定律要求空間是絕對(duì)的，只能靜靜地在那里當(dāng)一個(gè)背景。從定義上講，我們永遠(yuǎn)不可能體驗(yàn)到這種絕對(duì)空間。但現(xiàn)在麥克斯韋的理論告訴我們，我們的周圍真的有一個(gè)絕對(duì)空間，其間充滿了以太。這與牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀截然不同。

我們不妨這樣想一下：如果地球在靜態(tài)的以太中繞著地軸自轉(zhuǎn)，我們應(yīng)該就能在地球表面感受到一股“以太風(fēng)”（實(shí)際上叫“以太曳引”，不過結(jié)果是一樣的）。我們認(rèn)為以太十分稀薄，因此我們也許并不能像感受風(fēng)一樣感受到它。但介質(zhì)有另外一種可以測(cè)量的效應(yīng)：假如一道聲波沿著一股很強(qiáng)的風(fēng)向我們傳來，我們測(cè)量到的它的速度就會(huì)比無風(fēng)時(shí)同樣的聲波快。因此可以預(yù)期，如果光順著以太風(fēng)的方向射向我們，我們測(cè)量到的光速就應(yīng)該比逆著以太風(fēng)的方向射向我們的光速快。如果以太是靜態(tài)的，就意味著不同方向的光速是不一樣的。

就算不同方向上的光速有差異，應(yīng)該也會(huì)很小，但19世紀(jì)末的光學(xué)技術(shù)足以測(cè)量到這種差異了。但1887年，美國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特·邁克耳孫（Albert Michelson）和愛德華·莫雷（Edward Morley）沒能在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到光速的差異。在他們的實(shí)驗(yàn)精度范圍內(nèi)，光速是恒常不變的，與方向無關(guān)。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，根本就不存在靜態(tài)的以太這種東西。

這類謎團(tuán)把看似遙遠(yuǎn)的科學(xué)理論問題帶到了我們的生活中。牛頓運(yùn)動(dòng)定律要求空間和時(shí)間是絕對(duì)的，而我們永遠(yuǎn)不可能體驗(yàn)到絕對(duì)時(shí)空，也無法獲得任何關(guān)于它的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)。麥克斯韋的電磁波理論要求存在充滿整個(gè)空間的靜態(tài)以太，以容納電磁波，但實(shí)驗(yàn)告訴我們并不存在這種東西。我們?cè)撛趺崔k呢？

就在這個(gè)時(shí)候，一位在伯爾尼的瑞士專利局工作的年輕的“三級(jí)技術(shù)專家”站了出來。1905年，愛因斯坦根據(jù)自己的物理學(xué)和經(jīng)驗(yàn)主義哲學(xué)判斷，要解決這個(gè)問題，我們需要一個(gè)新的理論，從完全實(shí)際的角度出發(fā)，讓“觀測(cè)者”位于舞臺(tái)的中心。這里的“觀測(cè)者”并不一定是人類。愛因斯坦引入這一概念的用意是，為了正確理解物理學(xué)，我們必須接受這樣一個(gè)事實(shí)：每個(gè)人或者每個(gè)物體眼中的物理學(xué)過程，都只是他們（或它們）正在觀察或用尺子和時(shí)間測(cè)量出來的物理學(xué)過程而已。

當(dāng)然，這種觀察者的默認(rèn)設(shè)定屬于牛頓理論。但牛頓理論又是通過假設(shè)觀察者位于整個(gè)現(xiàn)實(shí)的外部而建立的，換言之，觀察者是站在“上帝視角”看著萬物運(yùn)轉(zhuǎn)的。愛因斯坦則把觀察者帶回了舞臺(tái)上，令其處于自己觀察的現(xiàn)實(shí)之中。

愛因斯坦首先陳述了兩條基本原理。第一條被他稱為“相對(duì)性原理”，其內(nèi)容是：以不同（但恒定）的速度勻速運(yùn)動(dòng)的所有觀察者測(cè)量得出的物理學(xué)定律必須相互一致。換句話說，就是物理學(xué)定律對(duì)于所有勻速運(yùn)動(dòng)的觀察者來說都應(yīng)該是一樣的，不管這些觀察者移動(dòng)得慢還是快，朝著哪個(gè)方向。此處的“定律”，指的就是物理量之間的關(guān)系。

由于人心難以撼動(dòng)，斯莫林和羅韋利在政治運(yùn)動(dòng)上的抱負(fù)遭遇了挫折，但他們?cè)诘谝淮谓佑|到相對(duì)性原理的時(shí)候，一定對(duì)其充滿欣慰。至少在物理學(xué)的世界里，真正的民主是存在的。

第二條原理則與光速有關(guān)。在牛頓力學(xué)中，速度是可以簡(jiǎn)單相加的。如果在一艘橫渡大西洋的輪船的甲板上有一個(gè)球在滾動(dòng)，這個(gè)球的運(yùn)動(dòng)速度就是輪船的速度加上球相對(duì)于輪船的速度。但光不遵守這條規(guī)則：邁克耳孫–莫雷實(shí)驗(yàn)表明，光永遠(yuǎn)都以一個(gè)固定的速率運(yùn)動(dòng)。假設(shè)一艘輪船以光速c運(yùn)動(dòng)，那么放在其甲板上的手電筒發(fā)出的光相對(duì)地面的速度仍然是c，而不是c+c=2c。

愛因斯坦并沒有嘗試解釋為何光速恒定不變，只是把這當(dāng)作一個(gè)既定的事實(shí)，并以此為基礎(chǔ)繼續(xù)推導(dǎo)了下去。

與我們?nèi)粘Ｉ钪惺煜さ氖挛锏乃俣缺绕饋恚馑倏斓昧钊穗y以想象。這意味著正常情況下，發(fā)生的事件幾乎在同時(shí)就能被我們看到。在這里發(fā)生了一件事，我們瞬間就能看到，過了一會(huì)兒在那里又發(fā)生了另外一件事，我們也能順利區(qū)分兩件事在時(shí)間上的先后：這件事先發(fā)生，那件事后發(fā)生。愛因斯坦提出了一個(gè)簡(jiǎn)單又直接的問題。雖然光看起來好像能夠瞬間傳播，但它的速度并不是無窮大的。如果光從某個(gè)地方出發(fā)后，確實(shí)需要一定的時(shí)間才能到達(dá)我們的位置，這對(duì)我們觀測(cè)時(shí)空中發(fā)生的事件會(huì)有什么影響呢？

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，光速固定所產(chǎn)生的直接結(jié)果，就是絕對(duì)時(shí)間不存在了。

假設(shè)你觀察到了一個(gè)驚人的現(xiàn)象。在一場(chǎng)雷暴中你看到兩道閃電同時(shí)擊中大地，一道在你左邊，一道在你右邊（見圖2）。你完全靜止，一動(dòng)不動(dòng)，因此兩道閃電發(fā)出的光到達(dá)你所在處需要的時(shí)間是一樣的。光傳播的速度非常快，因此你在閃電出現(xiàn)之后的短短一瞬間就能同時(shí)看到它們。

然而，我看到的景象則完全不同。我以很快的速度（比如光速的一半）從左向右移動(dòng)，在你觀察的同時(shí)與你擦肩而過。因?yàn)槲乙苿?dòng)的速度非常快，當(dāng)左邊的閃電剛剛趕上我的時(shí)候，我已經(jīng)到達(dá)中點(diǎn)右邊的某個(gè)地方了，因此左邊的閃電要多走一段路才能到達(dá)我的眼睛。而右邊的閃電則少走一段路，因?yàn)槲乙呀?jīng)在向它所在的方向移動(dòng)了。結(jié)果就是右邊的閃電先到達(dá)我的眼睛，也就是說我先看見右邊的閃電出現(xiàn)。

在你眼中，兩道閃電同時(shí)出現(xiàn)；而在我眼中，則是右邊的閃電先于左邊的閃電出現(xiàn)。那我們倆當(dāng)中誰是對(duì)的呢？

兩個(gè)人都對(duì)。相對(duì)性原理要求物理學(xué)定律對(duì)于每個(gè)人來說都是一樣的，與觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無關(guān)。就像坐在捷影上的皮平無法區(qū)分是自己在移動(dòng)還是周圍的景色在移動(dòng)一樣，我們無法用物理測(cè)量手段分辨到底是我在運(yùn)動(dòng)還是你在運(yùn)動(dòng)。

我們別無選擇，只能得出結(jié)論：絕對(duì)的同時(shí)性并不存在。并不存在哪個(gè)特定的，或者說“有特權(quán)的”慣性參考系，使我們可以宣布在這個(gè)參考系里兩件事完全同時(shí)發(fā)生。兩件事可能在某一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生，而在另一個(gè)參考系中有先有后，但所有這些參考系都是彼此平等的，它們得到的結(jié)果都是準(zhǔn)確有效的。因此，“真正的”或絕對(duì)的時(shí)間不存在。我們所感知的事件各不相同，因?yàn)闀r(shí)間是相對(duì)的。

你可能已經(jīng)對(duì)這種相對(duì)性給出的結(jié)果比較熟悉了，這種相對(duì)性屬于狹義相對(duì)論討論的范疇。狹義相對(duì)論之所以名字中帶有“狹義”，是因?yàn)樗]有涵蓋物體在加速的情況（這一點(diǎn)后文還會(huì)繼續(xù)介紹）。在一系列事件發(fā)生的時(shí)候，相對(duì)于事件發(fā)生地運(yùn)動(dòng)的觀察者可能會(huì)認(rèn)為這系列事件發(fā)生的時(shí)間間隔變長(zhǎng)了（與靜止的觀察者相比），這叫作時(shí)間延緩。而相對(duì)于靜止觀察者運(yùn)動(dòng)的物體，在靜止觀察者看來長(zhǎng)度會(huì)變短（與隨物體一起運(yùn)動(dòng)的觀察者相比）。

時(shí)間延緩和長(zhǎng)度縮短的程度，取決于觀察者的速度與光速的比值。因此，只有在相對(duì)速度接近光速的時(shí)候，這種效應(yīng)才足以被觀測(cè)到。而在日常生活中，無論你車開得有多快，街邊站著的人都不會(huì)注意到你開的車變短了。

相對(duì)論的效應(yīng)多少有些令人不安，你可能更想退回舊的更熟悉的世界觀當(dāng)中去。如果它只在速度接近光速的時(shí)候才出現(xiàn)，那它會(huì)不會(huì)只是一個(gè)觀念的問題？從某個(gè)慣性參考系觀察，時(shí)間看起來慢了下來，距離看起來縮短了，但是不是實(shí)際上時(shí)間并沒有變慢，距離也并沒有真正縮短？

遺憾的是，它們都是真實(shí)存在的。時(shí)間和空間是相對(duì)的，不是絕對(duì)的，而我們也不可能確定一個(gè)獨(dú)特的，或者說“正確的”視角，然后給出關(guān)于距離和時(shí)間的絕對(duì)的度量。相對(duì)論效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果是非常實(shí)際的。公平來講，我們還很難通過實(shí)驗(yàn)來證實(shí)距離的縮短，但我們可以精確地測(cè)量出時(shí)間的延緩。如果在飛機(jī)上放一臺(tái)原子鐘，讓它從英國(guó)倫敦飛到美國(guó)華盛頓特區(qū)再飛回來，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它比一直放置在英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室里的靜止的鐘慢了1.6×10^–8秒。這是因?yàn)樵陲w機(jī)兩次飛越大西洋的過程中，飛機(jī)上的時(shí)間延緩了。

這可能很難理解，而且其結(jié)果十分令人震驚。年輕的羅韋利意識(shí)到，在狹義相對(duì)論中，說多個(gè)地方同時(shí)處于“現(xiàn)在”這個(gè)時(shí)刻是沒有意義的。在很多方面，“現(xiàn)在”只是個(gè)幻覺，就好像過去人們認(rèn)為地面是平的，但這只是以我們的角度無法察覺地面的彎曲所產(chǎn)生的幻覺罷了。如果我們能通過某種方法以十億分之一秒的精度感知時(shí)間，我們就會(huì)意識(shí)到，說“此時(shí)此地”是有意義的，但說事件“此時(shí)發(fā)生”整個(gè)宇宙就沒有意義了。嘗試建立一套絕對(duì)的時(shí)間標(biāo)度，給宇宙中事件發(fā)生的時(shí)間先后排序，這是注定不可能做到的，就好像在北極點(diǎn)尋找北方一樣。

在對(duì)相對(duì)論產(chǎn)生的這些結(jié)果進(jìn)行了漫長(zhǎng)而艱難的思索之后，愛因斯坦于1905年的晚些時(shí)候?yàn)樗P(guān)于相對(duì)論的論文發(fā)表了一篇短小的附錄。他將同樣的邏輯應(yīng)用在一個(gè)同時(shí)發(fā)出兩道光的物體上。物體發(fā)出的兩道光方向相反、能量相等，因此不會(huì)改變物體的直線運(yùn)動(dòng)方向。他推導(dǎo)出，在相對(duì)這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的慣性參考系看來，物體發(fā)出的光所帶走的總能量要更大一些，就同時(shí)間延緩一樣。

然而，有一條物理定律規(guī)定能量必須永遠(yuǎn)守恒。能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅。因此，如果這個(gè)參考系測(cè)量到光帶走的能量更多，那這些額外的能量是從哪里來的呢？我們可能直覺上會(huì)假設(shè)這個(gè)物體的速度必須減慢，由此失去一部分動(dòng)能，從而轉(zhuǎn)移給發(fā)出的光。但愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，事情并非如此。他發(fā)現(xiàn)，這些能量確實(shí)來自物體的動(dòng)能，但不是物體的速度變慢了，而是物體的質(zhì)量變小了。物體的質(zhì)量與能量滿足這樣一個(gè)關(guān)系式：m=E/c²。

愛因斯坦得出結(jié)論：

如果一個(gè)物體以輻射的形式發(fā)射出能量E，它的質(zhì)量就會(huì)減少E/c²。如果我們只說輻射出的能量來自物體本身，聽起來就顯得太可有可無了，因此我們總結(jié)了一個(gè)更普遍的結(jié)論：物體的質(zhì)量是它所含能量的量度。

如今的我們可能會(huì)直接把這段話的含義表述為這一經(jīng)典的公式：E=mc²。

在1905年愛因斯坦發(fā)表狹義相對(duì)論的附錄之后，這一理論的簡(jiǎn)潔性達(dá)到了驚人的程度。它并不需要多么復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，但它的意義是極為深遠(yuǎn)的。學(xué)生時(shí)期的斯莫林和羅韋利為相對(duì)論的邏輯所震驚，也為它得出的結(jié)論而著迷。

但如果牛頓在愛因斯坦身后看到這些工作，他或許還是會(huì)忍不住露出一絲微笑。

之前提到過，愛因斯坦的狹義相對(duì)論之所以稱為“狹義”，是因?yàn)樗贿m用于勻速運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，并不適用于帶有加速度的系統(tǒng)。盡管我們承認(rèn)勻速直線運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，但任何一個(gè)坐過過山車的人都會(huì)告訴你，加速度是一種可以被實(shí)際感受到的東西。皮平在捷影背上時(shí)意識(shí)不到自己在勻速運(yùn)動(dòng)，但如果我們的速度突然發(fā)生改變，或者繞著什么東西轉(zhuǎn)圈，我們就會(huì)感覺到。

但加速度是相對(duì)于什么而加速的呢？旋轉(zhuǎn)又是相對(duì)于什么而旋轉(zhuǎn)的呢？盡管狹義相對(duì)論取得了巨大的成功，但愛因斯坦尚未能完全拋棄絕對(duì)空間和時(shí)間。

不僅如此，牛頓還根據(jù)自己得出的運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)出了一條普適的引力定律。牛頓引力定律表明，所有物體之間都有一種吸引力，其大小跟物體的質(zhì)量成正比，并與物體之間的距離的平方成反比。因此，在引力的表達(dá)式中，我們只需要把質(zhì)量相乘，并除以距離的平方。

牛頓引力定律取得了巨大的成功，但它也有自己的代價(jià)。牛頓的引力與他的運(yùn)動(dòng)定律里涉及的力有顯著的區(qū)別：后者是接觸性的，它們通常通過對(duì)物體的物理接觸來起到作用效果，即改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，比如讓物體從靜止開始運(yùn)動(dòng)。

但牛頓的引力的作用機(jī)制則完全不同。引力似乎可以瞬間在兩個(gè)相隔一定距離的物體之間發(fā)生作用，好像是一種神秘的“超距作用”。關(guān)于這種作用是如何實(shí)現(xiàn)的，物理學(xué)家一無所知。牛頓還因?yàn)橐肓恕吧衩亓α俊倍獾搅伺u(píng)。

對(duì)此，牛頓自己也毫無辦法。在他1713年出版的名揚(yáng)天下的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第二版中，他以評(píng)注的方式加入了一段一般性的討論，寫道：“我一直未能從引力現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)引力性質(zhì)的成因，也沒有形成任何猜想。”

因?yàn)榕ｎD的萬有引力被認(rèn)為是瞬間施加于物體身上的，不管它們之間相隔有多遠(yuǎn)都是如此，所以這種經(jīng)典引力觀完全違背狹義相對(duì)論——狹義相對(duì)論認(rèn)為沒有哪種力的傳播速度能超過光速。

狹義相對(duì)論不適用有加速度的情況，也無法與牛頓引力定律相調(diào)和。愛因斯坦還有很多工作要做。