第1章　空間和時間的相對論

愛因斯坦推翻了

牛頓的絕對空間和絕對時間的概念

1901年4月13日

德國·萊比錫

萊比錫大學

威廉·奧斯特瓦爾德教授

尊敬的教授先生！

請您原諒一個父親，為了兒子的事情冒昧地來打擾您，尊敬的教授先生。

我先應該告訴您，我的兒子阿爾伯特今年22歲，他在蘇黎世綜合技術學校（Zurich Polytechnikum）學了4年，去年夏天，他成功地通過了數學和物理學的學位考試。從那以后，他一直想找一份助教的工作，這能幫助他繼續學習理論和實驗物理學，但是，還沒有找到。在他求職的時候，人們給他的評語都稱贊他的才干。無論如何，我可以向您保證，他非常好學，非常用功，非常愛他的科學。

所以，我兒子為現在還沒有工作而深感不幸，而且他一天天地確信，他已經脫離了事業的軌道，而現在又沒人同他來往。另外，他還認為他是我們的負擔，一個沒用的人，這使他感到壓抑。

您，尊敬的教授先生，在目前活躍在物理學界的學者中，是我兒子最崇拜和尊敬的一個。所以，我冒昧地請您滿足我的一個小小的要求，看看他發表在《物理學紀事》上的論文，如果可以，請您為他寫幾句鼓勵的話，使他重新在生活和工作中快樂起來。

另外，如果您現在或者今年秋天能為他找一個助教的職位，我將無限感激。

我再次請您原諒我唐突地給您寫信，我還要冒昧地說一句，我兒子一點兒也不知道我的無禮舉動。

就說這些，尊敬的教授先生。您忠實的

赫爾曼·愛因斯坦[67]

是的，有一段時期，阿爾伯特·愛因斯坦真的很沮喪。自21歲從蘇黎世綜合技術學校畢業以來，8個月沒有工作，他覺得自己失敗了。

在綜合技術學校（Polytechnikum，通常根據德文的第一個字母稱為“ETH”[68]），愛因斯坦曾跟世界最著名的幾個物理學家和數學家學習，但同他們的關系并不融洽。在世紀之交的科學世界里，大多數的教授（Professor）都要求和希望別人尊重他們，而愛因斯坦卻并不那么尊重他們。因為還在小時候他就敢反權威，沒經他自己親自檢驗過的任何事情，他從不接受，而總要提出問題。他斷言，“對權威的盲從是真理的最大敵人。”[69]他在ETH的兩個最著名的物理學教授之一的韋伯（Heinrich Weber）曾惱火地抱怨：“愛因斯坦，你是個聰明的孩子，非常聰明的孩子。但你有一個最大的缺點：你聽不進別人的任何東西。”他的另一個物理學教授佩內特（Jean Pernet）問他為什么不學醫學、法律或者哲學，而偏學物理，“你可以做你喜歡的事情，”佩內特說，“我警告你都是為了你好。”

由于愛因斯坦對功課漠不關心，情況并沒有好起來。“為了考試，不管你是不是喜歡，都得把所有的東西塞進腦子里。”他后來這么說。他的數學教授閔可夫斯基（Hermann Minkowski，在第2章里我們會更多地聽到這個名字）對愛因斯坦的這種態度非常生氣，說他是一只“懶狗”。

然而，愛因斯坦并不懶，他不過是有自己的選擇。有些功課他全部都吸收了，而另外一些他忽略了。他更喜歡把時間花在自學和獨立思考上。思考是一種樂趣，令人愉快，能帶來滿足。他可以靠自己學習“新”物理學，而這些物理學在韋伯的所有課程中卻被省略了。

牛頓的絕對空間和時間，以太

“舊”物理學，即愛因斯坦能夠從韋伯那兒學到的物理學，是一個龐大的知識體，我稱它是牛頓的物理學，這并不因為它完全屬于牛頓（他做不了這么多），而是因為它的基礎是牛頓在17世紀奠定的。

19世紀后期，物理宇宙間的一切迥然不同的現象，都可以通過幾個簡單的牛頓物理學定律得到優美的解釋。例如，所有與引力有關的現象都可以用牛頓運動和引力定律來解釋：

·不受力作用的物體將沿直線勻速運動。

·在力的作用下，物體速度發生變化，變化率與力成正比，與物體質量成反比。

·宇宙間任意兩個物體間存在著引力作用，它與物體質量的乘積成正比，與物體間的距離的平方成反比。

運用這三個定律的數學操作，[70]19世紀的物理學家可以解釋行星繞太陽的軌道，衛星繞行星的軌道，海洋的潮汐和巖石的崩落，他們甚至知道怎么去稱太陽和地球的質量。同樣，運用一組簡單的關于電和磁的定律，物理學家們可以解釋閃電、磁鐵、無線電波以及光的傳播、衍射和反射。

名聲和財富在等著那些在技術上運用牛頓定律的人。瓦特（James Watt）通過牛頓熱定律的數學運算，提出如何將別人設計的原始蒸汽機改造為實用的機器，那就是后來以他名字命名的蒸汽機。莫爾斯（Samuel Morse）靠亨利（Joseph Henry）的幫助理解了電磁定律，發明了他的有很高實用價值的電報碼。

物理學家跟發明家一樣，都為他們能完美地理解宇宙而感到自豪。天地間萬物似乎都遵從牛頓的物理學定律。人類征服了這些定律，它們也正引導人類去征服他們的環境——也許某一天，還會去征服整個宇宙。

所有這些舊的牢固確立的牛頓定律及其技術應用，愛因斯坦在韋伯的課中都學到了，而且學得很好。實際上，在ETH的最初幾年，愛因斯坦是很歡迎韋伯的。1898年2月，他在給班里惟一的女生米列娃（Mileva Maric'，他愛上她了）的信中寫道：“韋伯的課講得精彩極了，我急切地盼著聽他的每一堂課。”[71]

但是到ETH的第四年，愛因斯坦不滿意了。韋伯只講了舊物理學，他完全忽略了近幾十年來一些最重要的物理學進展，連麥克斯韋（James Clerk Maxwell）新發現的一組精妙的電磁學定律也忽略了。從麥克斯韋的定律，人們可以導出所有的電磁現象：磁體的行為、電火花、電流、無線電波、光。愛因斯坦只好通過閱讀其他大學的教授寫的最新著作來自學麥克斯韋的統一的電磁學定律，他大概還直率地向韋伯表示了他的不滿，兩人的關系惡化了。

追溯起來，韋伯在他的課程里忽略了太多的東西，而其中最重要的他顯然是忽略了，越來越多的證據表明，牛頓物理學大廈的基礎出現了裂縫，而這個基礎的磚塊和砂漿，就是牛頓的絕對空間和絕對時間的概念。

牛頓的絕對空間是日常經驗的空間，它有三維：東—西、南—北、上—下。日常經驗告訴我們，有而且只有這么一個空間。它是全人類、太陽、所有行星和恒星所共同擁有的空間。我們都在這個空間里以自己的方式和速度運動，不論如何運動，我們感受空間的方式是一樣的。這個空間讓我們感覺長、寬、高，而依照牛頓的觀點，不論如何運動，只要測量足夠精確，我們對同一物體會得到相同的長、寬、高。

牛頓的絕對時間是日常經驗的時間，時間像歲月一樣無情地流逝，我們用高質量的鐘表，或者根據地球的轉動和行星的運行來測量時間。全人類、太陽、所有行星和恒星，都共同經歷著時間的流逝。依照牛頓的觀點，不論如何運動，關于某個行星軌道的周期，或者某個政治家演說的時間，我們會得到一致的結果，只要我們都用足夠精確的鐘來測量。

如果牛頓的絕對空間和絕對時間的概念崩潰了，牛頓物理學定律的整個大廈就會傾覆。幸運的是，幾年過去了，幾十年過去了，兩百年過去了，牛頓的概念基礎依然牢固地屹立著。從行星天地到電的王國，到熱的世界，它贏得了一個又一個科學勝利。這個基礎沒有露出絲毫破裂的跡象——不過，到了1881年，情況不同了。這一年，邁克爾遜（Albert Michelson）開始測量光的傳播。

如果我們測量光（或者別的什么東西）的速度，那么顯然，測量結果似乎一定會依賴于我們的運動方式，而牛頓定律也是這么要求的。如果我們在絕對空間中靜止，那么我們會看到光在各個方向上的速度是一樣的。反過來，如果我們在絕對空間中運動，比如說向東運動，那么我們將發現向東傳播的光會慢下來而向西傳播的光會快起來，正如人們在向東行駛的列車上看到的那樣，東飛的鳥慢了而西飛的鳥卻快了。

對鳥來說，決定它們飛行速度的是空氣。鳥在空氣中扇動翅膀，不管朝哪個方向，它們都以相同的最大速度飛行。類似地，根據牛頓的物理學定律，決定光的傳播速度的是一種被稱為以太的物質。光在以太中振蕩它的電場和磁場，不論沿什么方向，它總是以一個普適的速度在以太中傳播。由于（照牛頓的觀點）以太在絕對空間中是靜止的，所以任何靜止的人在所有方向上將測得相同的光速，而運動者會測得不同的光速。[72]

現在來看地球，它在絕對空間中穿行。不管別的，我們只考慮它環繞太陽的運動。1月，它沿某個方向運動，6個月以后（7月），它又運動到相反的方向。對應于這種運動，我們在地球上應該測到不同方向的不同光速，它們的差異應隨季節而變化——盡管這個變化很小（大約只有萬分之一），因為相對于光來說，地球的速度太慢了。

對實驗物理學家來說，驗證這一預言是一個很有吸引力的挑戰。1881年，28歲的美國青年阿爾伯特·邁克爾遜用他自己發明的靈巧而精確的實驗技術（現在叫“邁克爾遜干涉度量法”[73]）迎接了挑戰。[74]邁克爾遜盡了最大努力，也沒能發現任何有關光速隨方向變化的證據。他在1881年的初次實驗證明了光速在所有方向和任何季節都是相同的。1887年，邁克爾遜與化學家莫雷（Edward Morley）合作，在俄亥俄克里夫蘭又進行了實驗，以更高的精度證實了同樣的結果。邁克爾遜很矛盾，既為他的發現高興，也為結果感到失望。韋伯同19世紀90年代的其他大多數物理學家一樣，對結果表示懷疑。

實驗是很容易受懷疑的。有意義的實驗常常是非常困難的——實在太難了，不論實驗做得多么仔細，它們都可能產生錯誤的結果。哪怕是儀器的一點兒異常，或者溫度的一點兒不可控制的波動，甚至儀器下地板的一點兒意外的振動，都會改變最后的實驗結果。所以，一點兒也不奇怪，今天的物理學家同19世紀90年代的物理學家一樣，偶爾也會碰到一些令人困惑的實驗，這些實驗要么互相矛盾，要么同我們對宇宙的本性和物理學定律的根深蒂固的信仰相矛盾。最近的例子是，一些實驗宣布發現了“第五種力”（在標準的高度成功的物理學定律中還沒有出現過），而另一些實驗卻否定這種力的存在；還有實驗宣布發現了“冷聚變”（這是標準的物理學定律所禁戒的現象，如果物理學家對這些定律理解正確的話），而又有實驗否定冷聚變的發生。幾乎所有威脅我們信仰的實驗都是錯誤的，它們的基本結果都是實驗誤差的假象。不過，它們偶爾也可能是正確的，將為我們指明一條通向認識自然的革命道路。

杰出物理學家的一個標志是，他有能力“聞出”哪些實驗可信，哪些實驗不可信；哪些值得憂慮，哪些可以忽略。隨著技術的改進和實驗的多次重復，真理最終總會澄清。但是，如果誰想為科學進步作出貢獻，想靠自己去確認那些重大發現，那么他必須預先而不是事后憑直覺判斷哪些實驗是可信的。

19世紀90年代的幾位大物理學家審查了邁克爾遜—莫雷實驗，他們認為，細致的實驗裝備和精心的實驗操作，保證了實驗是令人信服的。他們認定，這個實驗“味道很好”，有理由認為牛頓物理學的基礎出了問題。相反，韋伯和其他大多數人卻相信，只要有時間，再進一步做些實驗，一切都會明白，牛頓物理學將跟以往多次的經歷一樣，最終還會勝利。他們認為，即使在大學課程里提及這個實驗也是不妥的，不能誤導年輕人的思想。[75]

愛爾蘭物理學家菲茲杰拉德（George F.Fitzgerald）第一個根據它的表面價值接受了邁克爾遜—莫雷實驗，并考慮了它的意義。他拿這個實驗同其他實驗對比，[76]得到一個根本的結論：問題在于物理學家對“長度”概念的理解，相應地，牛頓的絕對空間的概念可能也存在錯誤。1889年，他在美國《科學》雜志的一篇短文中寫道：

我以極大的興趣閱讀了邁克爾遜先生和莫雷先生奇妙而精巧的實驗……他們的結果似乎同其他實驗相矛盾……我想提出一個大概是唯一能夠協調這種矛盾的假說，那就是，物體在通過以太[通過絕對空間]或穿越它時，長度會發生變化，變化的量依賴于物體速度與光速之比的平方。

在沿地球運動的方向上，長度只發生了微小的收縮（十億分之五），這可以（也確實能夠）解釋邁克爾遜—莫雷實驗的零結果。[77]不過，這要求我們拋棄物理學家對事物行為的認識：沒有什么已知的力能使運動物體在它們的運動方向上發生收縮，盡管收縮是那么微小。如果物理學家對空間的本性和對固體內部的分子力的認識是正確的，那么勻速運動的固體總會保持它在絕對空間中的形狀和大小，而不管運動有多快。

阿姆斯特丹的洛倫茲（Hendrik Lorentz）也相信邁克爾遜—莫雷實驗，而且他特別重視菲茲杰拉德關于運動物體收縮的建議。菲茲杰拉德聽說后，給洛倫茲寫了封信，表示很高興，“我因為自己的觀點在這兒被嘲笑慘了”。為了更深入地理解，洛倫茲——還有法國巴黎的龐加萊（Henri Poincaré）、英國劍橋的拉莫（Joseph Larmor），他們各自獨立地重新考察了電磁學定律，發現了與菲茲杰拉德的收縮思想相吻合的一個特征。

如果我們以在絕對空間中靜止的電場和磁場來表述麥克斯韋的電磁學定律，定律將具有特別簡單而優美的數學形式。例如，一個定律的大意說，“在絕對空間靜止的任何人看來，磁力線沒有端點”[圖1.1（a），1.1（b）]。然而，如果用一個運動者測量的稍微有點兒不同的場來表述麥克斯韋的定律，這些定律就會復雜而丑陋多了。特別是，“沒有端點”的定律會變成，“在某些運動者看來，多數磁力線沒有端點，但有些線被運動切斷了，因而出現了端點。另外，當運動者揮動磁體時，新的磁力線又將被切斷，然后聯通，再切斷，再聯通”[圖1.1（c）]。[78]

洛倫茲、龐加萊和拉莫的數學新發現使運動者的電磁學定律也漂亮起來了，實際上，它們看起來跟在絕對空間中靜止的人所用的定律是完全一樣的：“不論在什么條件下，磁力線永遠沒有端點。”為了讓定律都有這么漂亮的形式，我們只需要假定（與牛頓的戒律相反），所有運動物體在運動方向上發生收縮，而收縮的量正好精確地等于菲茲杰拉德為解釋邁克爾遜—莫雷實驗所要求的那個量！

如果說，菲茲杰拉德收縮只是我們用來讓電磁學定律變得普遍地簡單和優美的“新物理學”，那么洛倫茲、龐加萊和拉莫呢？他們憑直覺相信，物理學定律本應是優美的，他們似乎已經拋棄了牛頓的戒律而堅定地相信收縮了。然而，只有收縮本身還不夠，為使定律漂亮起來，我們還得假定，在宇宙中運動的人所測量的時間流比靜止的人所測量的流更慢，運動讓時間“膨脹”了。[79]

而在那個年代，牛頓的物理學定律是不容爭議的：時間是絕對的。不論我們如何運動，時間總是以一個普適的速度無情地均勻地流逝著。如果牛頓定律是正確的，運動就不能使時間發生任何膨脹，正如它不能引起長度的任何收縮一樣。不幸的是，19世紀90年代的鐘遠沒有揭示這個事實的精度；另外，面對牛頓物理學在科學和技術上的勝利，而這些勝利又加固了絕對時間的基礎，沒有人愿意相信時間真會膨脹，洛倫茲、龐加萊和拉莫不過是在空談。

愛因斯坦這時還是蘇黎世的一個學生，還沒有準備好去解決這些令人興奮的問題，不過他已經開始思考了。1899年，他給朋友米列娃（他對她的浪漫感情正在萌芽）寫信說：“我越來越相信，今天這樣的運動物體的電動力學是不對的。”[80]在接下來的6年里，隨著物理學家能力的成熟，他將考慮長度收縮和時間膨脹的觀點及其實在意義。[81]

相反，韋伯對這類思辨的想法一點兒也不感興趣。他依然堂皇地講他的牛頓物理學，似乎一切還是那么完美有序，似乎沒有出現什么物理學基礎的裂縫。

愛因斯坦在ETH的學習快要結束了，他很聰明，各科成績也不是真的很壞（滿分為6分，他的平均分是4.91），所以他天真地認為，他可以在韋伯手下當一名ETH的物理學“助教”，并像通常那樣以此為跳板進入學術圈。如果做助教，他可以開始自己的研究，幾年后獲博士學位。

但結果并不是這樣的。在1900年8月通過綜合物理—數學科目最后考試的四個學生中，有三個得到了ETH數學家的助教職位，愛因斯坦是第四個，什么也沒得到。韋伯請了兩名學工程的學生做助教，沒要愛因斯坦。

愛因斯坦繼續想辦法。畢業一個月后，在9月，他申請ETH的一個空缺的數學助教職位，被拒絕了。冬天和春天，他向德國萊比錫的奧斯特瓦爾德（Wilhelm Ostwald）和荷蘭萊頓的昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）寫過申請，卻似乎連禮節性的回信也沒有收到過——盡管，他給昂內斯的信現在驕傲地陳列在萊頓的博物館里，而奧斯特瓦爾德在10年后會第一個提名愛因斯坦獲諾貝爾獎。甚至愛因斯坦父親給奧斯特瓦爾德的信似乎也沒有回音。

米列娃活潑漂亮，意志堅強，愛因斯坦對她的感情更強烈了。[82]1901年3月27日，他在給她的信中說，“我絕對相信，事情都怪韋伯……給別的教授寫信一點兒用都沒有，因為他們一定會向韋伯打聽我的某些事情，而他只會說我的壞話。”[83]1901年4月14日，他寫信給親密伙伴格羅斯曼（Marcel Grossmann），“如果不是韋伯在背后玩花樣，我早就可以找到[助教職位]了。盡管如此，我會盡力的，也不會放棄我的幽默……上帝創造了蠢驢，還給他一身厚皮。”[84]

他真需要一身厚皮，這不僅是因為他沒找到工作，還因為他父母強烈反對他同米列娃結婚，而他跟米列娃的關系也正面臨著風暴。關于米列娃，他母親說，“瑪利奇小姐給我帶來了我一生最痛苦的時刻，如果我能作主，我會盡一切力量讓她從我們的眼前消失，我實在不喜歡她。”[85]而米列娃說愛因斯坦的母親，“那老太太不僅想盡辦法讓我的生活痛苦，也讓她兒子痛苦，這似乎就是她為自己設計的生活目標……我沒想到，竟會有這種沒心沒肺的惡人，真是壞透了！”[86]

愛因斯坦絕望了，他想擺脫對父母的經濟依賴，想有平和的心境和自由，好將更主要的精力投到物理學中去。也許他能通過別的途徑實現這個愿望，而不一定靠在大學當助教。他的ETH學歷使他有資格在預科學校（高中）教書，所以他這么做了：1901年5月中旬，他設法在瑞士溫特圖爾的一所高等技術學校找了一份臨時工作，代一位要服兵役的老師教數學。

愛因斯坦在給他的ETH歷史老師斯特恩（Alfred Stern）的信中寫道：“我[因為教書的工作]高興得快發狂了，因為我今天接到消息說一切都安排妥了。至于誰那么好心把我推薦到那兒去，我一點兒也不知道，因為有人告訴我，我從沒上過以前任何一個老師的榮譽簿。”[87]繼在溫特圖爾后，1901年秋他又臨時在瑞士沙夫豪森的一個高中教書，然后，1902年6月，他成為瑞士專利局的一名“三級技術員”，從而獨立了，也穩定了。

盡管愛因斯坦在個人生活上接連遭遇風波（他長期與米列娃分離；1902年同米列娃生了一個女兒，也許是為了讓愛因斯坦能在保守的瑞士保住工作，他們將孩子當養子撫養；[88]一年后，他不顧父母的強烈反對，跟米列娃結婚了），他仍然保持著最佳的精神狀態和足夠清醒的頭腦去思考物理學問題：從1901年到1904年，通過對在液體（如水）和在金屬中分子之間的力的研究及對熱的本性的研究，他鍛煉了自己作為物理學家的技能。他那些新穎而且基本的發現，通過5篇論文相繼發表于20世紀初最權威的物理學雜志：《物理學紀事》（Annalen der Physik）。

在伯爾尼專利局的工作很好地培養了愛因斯坦的才能。在專利工作中，他得向別人指出那些提交上來的發明是否有意義——這通常是令人愉快的事情，而這些工作也使他的思想變得敏銳起來。工作之余，還有一半的自由時間和整個周末，他大部分都用來學習和思考物理學了，[89]而且還經常處在家庭的喧囂中。

不論多大干擾，他總能集中精力。一個在他同米列娃結婚幾年后去過他家的學生描述了他的這種能力：“在書房里，他坐在一堆滿是數學公式的稿子前面，右手寫字，左手抱著小兒子，還不斷回答正在玩積木的大兒子阿爾伯特提的問題。‘等會兒，馬上就完了，’說著，他把孩子交給我看幾分鐘，又繼續工作了。”[90]

愛因斯坦在伯爾尼與其他物理學家沒有往來（不過他確實有幾個很親密的不是物理學家的朋友，他可以同他們討論科學和哲學）。對大多數物理學家來說，孤立是一種災難，他們需要不斷與在相同問題上進行研究的同事聯系，以免自己的研究會因迷失方向而徒勞無獲。但愛因斯坦的智力與眾不同，他在孤獨中獲得的成果比在其他物理學家激發的環境下更多。

有時，同別人的交談對他也有幫助——那不是因為他們為他帶來了什么新穎深刻的見解或信息，而是因為他通過向別人解釋疑難和問題，可以在自己頭腦中澄清這些疑問。對他幫助特別大的是貝索（Michele Angelo Besso），一個意大利工程師，曾經是他在ETH的同學，而現在同他一起，也在專利局工作。關于貝索，愛因斯坦說：“在整個歐洲，我再也找不到更好的知音了。”[91]

愛因斯坦的相對空間和時間，絕對光速

對愛因斯坦來說，貝索在1905年5月給他的幫助是特別有意義的。那時，愛因斯坦從用心了幾年的其他物理學問題回到麥克斯韋的電動力學定律和那些關于長度收縮和時間膨脹的誘人線索上來。他想找一個辦法來為這些線索賦予意義，但思想遇到了障礙。為了清除絆腳石，他請貝索幫忙來了。據他后來回憶，“那是一個明媚的日子，我去找[貝索]，開門見山地對他說：‘我最近遇到一個問題，太難了，我理解不了，所以我今天帶著問題到這兒來，跟你討論。’我同他談了很多，后來我突然明白是怎么回事了。第二天我又去找他，開口就說：‘謝謝你，我已經完全解決這個問題了。’”

愛因斯坦的答案是：沒有絕對空間那樣的東西，也沒有絕對時間那樣的東西。牛頓的物理學基礎完全崩潰了。至于以太，那是不存在的。

愛因斯坦拋棄了絕對空間，“在絕對空間中靜止”的說法就絕對沒有意義了。他聲稱，沒有辦法測量地球在絕對空間的運動，這就是為什么邁克爾遜—莫雷實驗會出現那樣的結果。我們只能測量地球相對于其他自然事物（如太陽、月亮）的速度，正如我們也只能測量火車相對于大地、空氣等自然物的速度一樣。不論地球、火車還是別的任何事物，都沒有絕對運動的依據；運動純粹是“相對的”。

愛因斯坦拋棄了絕對空間，也就拋棄了這樣的觀念：不論如何運動，關于某張桌子、某列火車或某個別的什么東西，每個人都能得到一樣的長、寬和高。相反，愛因斯坦堅信，長、寬、高都是“相對的”概念，它們依賴于被測物體和測量者的相對運動。

愛因斯坦拋棄了絕對時間，也就拋棄了不論如何運動，每個人都得以相同方式經歷時間流的觀念。愛因斯坦宣布，時間是相對的。每一個以自己方式旅行的人，一定會與其他以不同方式旅行的人，經歷不同的時間流。

在這些論斷面前，我們難免會感到不安。如果它們是正確的，那么它們不但會破壞整個牛頓物理學定律大廈的基礎，而且還將剝奪我們的普通感覺，變革我們對空間和時間的日常觀念。

但是，愛因斯坦不僅是破壞者，也是創造者。他為我們提出了一個取代舊基礎的新基礎，這個基礎當然是牢固的，而且已經證明，它同宇宙的和諧要完美得多。

愛因斯坦的新基礎由兩個新的基本原理構成：

·光速絕對性原理：不論空間和時間的本性如何，它們的構成必定使光速在所有方向上都絕對地相同，而且絕對與測量者的運動無關。

這個原理響亮地宣布了，邁克爾遜—莫雷實驗是正確的。而且，不論未來的測量裝置多么精確，它們一定會得出相同的結果：一個普適的光速。

·相對性原理：不論物理學定律的本質如何，它們都必須在同等的視點上處理所有的運動狀態。

這個原理斷然拋棄了絕對空間：如果物理學定律不在同等的視點上討論所有的運動狀態（例如，太陽的運動狀態和地球的運動狀態），那么利用這些物理定律，物理學家就能選出某個“優越的”運動狀態（如太陽的）并將它定義為“絕對靜止”狀態。這樣的話，絕對空間又將溜回物理學。在本章后面，我們還會談這個問題。

根據光速的絕對性，愛因斯坦用后面卡片1.1中所述的精巧的邏輯論證方法證明了，如果你我彼此相對運動，那么，我所謂的空間一定是你的空間和你的時間的混合，而你所謂的空間一定是我的空間和我的時間的混合。

這兒說的“空間和時間的混合”，類似于地球上的方向。大自然為我們提供了兩種確定方向的辦法，一種關系著地球的自轉，另一種關系著地磁場。在加利福尼亞的帕薩迪納，地磁北極（羅盤針所指的方向）與真實北極（通過地球自轉軸，即通過“北極星”的方向）偏離了大約20°，見圖1.2。這意味著，為了在磁北方向上旅行，我們的路線必須部分（約80%）沿真北方向，部分（約20%）沿真東方向。在這個意義上，磁北是真北與真東的混合。同樣，真北也是磁北和磁東的混合。

為了理解類似的空間和時間的混合（你的空間是我的空間和時間的混合，我的空間是你的空間和時間的混合），想象你有輛大馬力的賽車，你喜歡在深夜以極高的速度在帕薩迪納的科羅拉多林蔭大道上飛馳，而我是警察，那時正在打瞌睡。你在汽車頂上拴了許多鞭炮，引擎蓋前一只，車身后一只，中間還有很多，見圖1.3（a）。當你通過我的崗亭時，照你的觀察，你同時點燃鞭炮。

圖1.3（b）是照你的視點畫的。豎直線是你所測得的時間流（“你的時間”）。水平線是你測量的從車尾到車頭的距離（“你的空間”）。因為鞭炮在你的空間里（也就是，照你的觀察）是靜止的，所以隨著你的時間的流逝，它們保持在圖中的同一個水平位置上，如虛線所示，每根線代表一只鞭炮。這些線都垂直向上延伸，表明不管時間如何流逝，空間里沒有向右或向左的運動——延伸突然終結在鞭炮爆炸的時刻。爆炸的事件在圖中以星號表示。

這種圖叫作時空圖，它以水平方向畫空間，以垂直方向畫時間，虛線叫世界線。因為它們表示當時間流過時，鞭炮在世界的什么地方運行。以后，我們還會更多地發揮時空圖和世界線的作用。

如果誰在圖中[圖1.3（b）]的水平方向上運動，那么他實際上是在你的時間的一個固定時刻通過空間。相應地，我們方便地認為，圖中的每一條水平線描述了你在你的時間的某個時刻所看到的空間（“你的空間”）。例如，點畫的水平線就是你在鞭炮爆炸時刻的空間。如果誰在圖中豎直地向上運動，那么他實際上是在你的空間的一個固定位置上穿過時間。相應地，我們方便地認為，時空圖中的每一條豎直線（如每個鞭炮的世界線）描述了你在空間的某個位置上的時間流。

在崗亭里的我，如果沒打瞌睡的話，會畫一幅很不一樣的時空圖來描繪你的汽車、你的鞭炮和爆炸[圖1.3（c）]。我用豎直線畫我所測得的時間流，用水平線畫沿著科羅拉多林蔭大道的距離。隨著時間流過，每個鞭炮都跟汽車一起高速地在林蔭大道上運動，相應地，鞭炮的世界線在圖中向右傾斜：爆炸時，右邊的鞭炮比開始時離得更遠。現在，我們來看愛因斯坦邏輯論證（卡片1.1）的驚人結論。光速的絕對性要求，在我看來，鞭炮不會同時爆炸，即使在你看來，它們是同時爆炸的。據我的觀點，你車上最邊緣的鞭炮最先爆炸，而最前沿的鞭炮最后爆炸。相應的是，我們稱為“你在爆炸時刻的空間”的點畫線[圖1.3（b）]在我的時空圖中是傾斜的[圖1.3（c）]。

圖1.3（c）清楚地表明，為了在你的爆炸時刻通過你的空間（沿點畫的爆炸線），我必須在我的空間和時間中穿過。從這個意義說，你的空間是我的空間和時間的混合，這跟我們說磁北是真北和真東的混合，是同樣的意思[比較圖1.3（c）和圖1.2]。

你可能忍不住想說，“空間和時間的混合”不過是“同時性依賴于人們的運動狀態”的一種復雜和虛張聲勢的說法而已。是的。不過，在愛因斯坦基礎上建設的物理學家們發現，這樣的思維方式是很有威力的，它曾幫助他們破譯愛因斯坦留下的遺產（他的新物理學定律），在那些遺產中發現了一系列看似古怪的現象：黑洞、蟲洞、奇點、時間彎曲和時間機器。

根據相對性原理和光速的絕對性原理，愛因斯坦得到了其他一些空間和時間的顯著特征。用上面那個故事的話來說：

·愛因斯坦認為，當你在科羅拉多林蔭大道上向東行駛時，我一定會發現你的空間和在其中靜止的一切事物（你的車、你的鞭炮和你自己）在東西方向（而不是南北或上下方向）上縮短了，這就是菲茲杰拉德所推測的收縮，不過現在找到了堅實的基礎：收縮是由空間和時間的特殊性質引起的，而不是什么作用在運動物體上的自然力的結果。

·同樣，愛因斯坦也認為，當你向東運動時，你一定會發現我的空間和在其中靜止的一切事物（我的崗亭、我的桌子和我自己）在東西方向（而不是南北方向和上下方向）上收縮了。你看我收縮，我看你收縮，這似乎令人困惑，但實際上不可能再有別的結果：它將你我的運動狀態放在了一個平等的基礎上，這正符合相對性原理。

·愛因斯坦還認為，在快速駛過時，我發現你的時間流慢了，也就是說，時間膨脹了。你車上儀表板的鐘比我崗亭墻上的鐘顯得要慢些。與我相比，你說話更慢，你的頭發長得更慢，你的年歲也過得更慢了。

·同樣，根據相對性原理，當你從我身邊駛過時，你會發現我的時間流慢了，你看到我崗亭墻上的鐘比你儀表板上的鐘走得慢。對你來說，我好像也是說話慢了，頭發長慢了，我的年歲也過得慢了。

我看你的時間流慢了，而你看我的時間流慢了，這怎么可能呢？這是什么邏輯啊？另外，我怎么能看到你的空間收縮了，而你看我的空間也收縮了？答案都依賴于同時的相對性。關于在我們各自空間中不同位置發生的事件是否同時，你和我沒有一致的結論，而這種不協調看來正好協調了我們在時間流和空間收縮上的矛盾，它也靠這個方式保證了一切事物在邏輯上的一致。不過，為說明這種邏輯的一致，需要花太多的篇幅，我不想那么做，請你去看泰勒（Taylor）和惠勒（Wheeler）在1992年的那本書的第3章里的證明。

我們人類在日常生活中從來沒有感覺到空間和時間的這類怪異行為，那是怎么回事呢？答案是，我們的運動太慢了。我們相對于彼此的運動速度，總是遠遠小于光速（每秒299 792千米）。假如你的車在科羅拉多林蔭大道上以每小時150千米的速度疾馳，那么我知道你的時間流膨脹和你的空間收縮的量大約是一百萬億分之一（1×10-14），這對我們的感覺來說是太小了。不過，如果你的車以光速的87%的速度沖向我，那么，我（用反應極快的儀器）可以發現，你的時間流比我的慢2倍，而你也看到我的時間流比你的慢2倍；同樣，我會看到你車上的所有物體在東西方向上的長度都只有正常情況下的一半；而你也會看到，我崗亭里的所有物體在東西方向上的長度也只有正常情況下的一半。實際上，20世紀后期的大量實驗都證實了，空間和時間正是以這種方式發生作用的。[93]

愛因斯坦是如何得到這些空間和時間的基本描述的呢？

他沒有檢驗什么實驗結果。在他那個年代，只有低速運動，鐘也不夠精確，不可能表現出任何時間的膨脹和同時性的不一致，而且量桿也不夠精確，表現不出長度的收縮。那時，相關的實驗也只有那么幾個，如邁克爾遜和莫雷證實地面光速可能在各個方向都相同的實驗。這些數據對建立這樣一個關于空間和時間的概念基礎，是遠遠不夠的！而且，愛因斯坦對這些實驗幾乎沒怎么留意。

實際上，愛因斯坦是靠他天生的直覺來判斷哪些事情是應該相信的。經過反復的思考，光速一定是一個獨立于方向、獨立于運動的普適常數，在他的直覺看來，成了顯然的事實。他推論，只有在這種情況下，麥克斯韋的電磁學定律才會始終是簡單而優美的（例如，“磁力線永遠沒有端點”），而且他堅信，在某個深層的意義上，宇宙也愿意擁有簡單而優美的定律。就這樣，他引進了一個新原理，他的光速絕對性原理，作為一切物理學的基礎。

憑這個原理本身，不需要別的東西，就已經確保了建立在愛因斯坦基礎上的物理學定律的大廈將完全不同于牛頓的。牛頓物理學家假定空間和時間是絕對的，他必然得到的結論是，光速是相對的——它依賴于事物的運動狀態（像本章先前提到的鳥和火車的類比那樣）。愛因斯坦假定光速是絕對的，他必然得到的結論是，空間和時間是相對的——它依賴于事物的運動狀態。在得到空間和時間是相對的結論后，對簡單和優美的追求又將愛因斯坦引向他的相對性原理：沒有哪個運動狀態會比其他狀態更優越，在物理學定律看來，一切運動狀態都是平等的。[94]

對愛因斯坦的物理學新基礎的構建來說，不僅實驗不重要，其他物理學家的思想也不重要。他幾乎不關心別人在做什么，他甚至連洛倫茲、龐加萊、拉莫和其他作者在1896年到1905年間所寫的關于空間、時間和以太的那些重要的專業論文也沒讀過一篇。

洛倫茲、彭加勒和拉莫也在他們的文章里摸索愛因斯坦那樣的對我們空間和時間概念的修正，但他們卻迷失在牛頓物理學強加給他們的錯誤概念的迷霧中，而愛因斯坦卻能夠完全拋棄這些錯誤概念。他相信宇宙喜歡簡單和優美，他情愿追隨這個信念，盡管它意味著破壞牛頓物理學的基礎。這為他帶來了無比清晰的空間和時間的新圖景。

在本書后面，相對性原理還會發揮重要作用，所以我再用幾頁來更深入地解釋一下。

我們首先應該有一個參照系的概念。一個參照系就是一個實驗室，它有各種測量儀器，你可以在里面做任何你想做的測量。實驗室跟它所有儀器一道在宇宙中運動，它們必須經歷相同的運動。事實上，參照系的運動才是真正重要的概念，當代物理學家說“不同的參照系”時，他強調的正是兩個實驗室的不同運動狀態，而不是不同的測量儀器。

參照系的實驗室和儀器都不必是真的，它們完全可以是一種想象的結構，只存在于物理學家的頭腦中，使他們可以問某個問題，例如，“假如我在小行星帶中穿行的宇宙飛船里，我想測量某顆小行星的大小，結果會怎樣？”這些物理學家實際是想象他們有一個固定在宇宙飛船上的參照系（實驗室），想象他們可以用那個參照系的儀器來進行測量。

愛因斯坦在表述他的相對性原理時，沒有用任意的參照系，而是用了一類相當特殊的參照系：一類既不自己加速也不受外力推動，而只靠自身慣性自由運動的參照系（實驗室），因而它總是保持它開始的那種勻速運動的狀態。愛因斯坦稱這類參照系為慣性系，因為它們的運動完全受慣性的支配。

固定在點火的火箭上的參照系（火箭里的實驗室）就不是慣性系，因為它的運動不僅受慣性作用，還受火箭推進的影響。推進的系統的運動不再是勻速的了。固定在航天器上的參照系，在重新進入地球大氣層時，也不是慣性的，因為航天器表面與地球空氣分子的摩擦會使它變慢，從而運動不再是勻速的。

最重要的是，在任何大質量物體（如地球）附近，所有參照系都受引力作用，沒有什么辦法可以讓參照系（或其他事物）躲避引力的吸引。所以，在慣性系的局限下，愛因斯坦在1905年無法考慮當引力起重要作用時的物理狀態。[95]實際上，他將我們的宇宙理想化為一個完全沒有引力的世界。像這類極端的理想化對物理學的進步是很重要的。我們從概念上放棄宇宙的難以理解的方面，而當我們理性地把握了它的其余方面，即相對較容易的方面后，再回到那些困難的方面來。愛因斯坦在1905年理性地把握了沒有引力的理想化的宇宙，然后他才轉向一個更困難的任務，去認識真實的由引力主宰的宇宙的空間和時間的本性，這個任務最終迫使他得到這樣的結論：引力卷曲了空間和時間（第2章）。

理解了慣性參照系的概念，我們現在更深入地來討論愛因斯坦相對性原理更準確的形式：以在一個慣性系中所進行的測量來建立任何物理學定律，那么，當以在任何其他慣性系中所進行的測量來重建這些定律時，它們必須具有與在原來參照系中完全相同的數學形式和邏輯形式。換句話說，物理學定律不必為我們提供區別一個慣性系（一種勻速運動狀態）和任何其他慣性系的方法。

看兩個物理定律的例子，會更明白這一點：

·“初始靜止在慣性參照系中的任意自由物體（即不受力作用的物體）將總保持靜止；原來在慣性參照系中運動的任何自由物體，將永遠以不變的速度沿直線向前運動。”如果（確實如此）我們有足夠的理由相信，這個牛頓第一運動定律的相對論表述至少在一個慣性系中是正確的，那么，相對性原理認定，它在一切慣性參照系中也一定是正確的，不管這些參照系在宇宙的什么地方，也不管它們運動得多么快。

·麥克斯韋的電磁學定律必須在所有參照系中具有相同的數學形式。當我們在牛頓基礎上建立這些定律時，它們并不如此（磁力線在某些參照系中可能有端點，而在另一些參照系中卻沒有端點），這一缺陷深深刺激了洛倫茲、彭加勒、拉莫和愛因斯坦。在愛因斯坦看來，這些定律在一個參照系，即以太所在的參照系中簡單而優美，但在其他所有相對于以太運動的參照系中卻復雜而丑陋，這是不能接受的。通過重建物理學基礎，愛因斯坦也使麥克斯韋定律在各慣性參照系中都有了一個簡單而優美的形式，而在每個慣性系中的形式都是一樣的（例如，“磁力線永遠不會有端點”）——這正符合他的相對性原理。

相對性原理實際上是一個形而上的原理（metaprinciple），原因是，它本身并不是一個物理學走律，而是一種模式或規則，（愛因斯坦斷言）所有的物理學定律都必須遵從這個原理，不論它是什么樣的定律，也不論它是關于電的和磁的，或原子的和分子的，還是蒸汽機的和賽車的。這個形而上原理的力量是驚人的，每個新提出的定律都得經受它的檢驗。如果新定律通過了它的檢驗（即如果定律在每個慣性系中是一樣的），那么這個定律也就有希望描繪我們的宇宙行為。如果檢驗失敗了，那么愛因斯坦會斷言它沒有希望了，應該被拋棄。

自1905年以來，近百年的所有經驗告訴我們，愛因斯坦是對的。所有成功描述了真實宇宙的新定律都已證明是服從愛因斯坦的相對性原理的。這個形而上原理，已經成為物理學定律的定律。

1905年5月，愛因斯坦與貝索的討論幫他打碎了思想上的攔路石，使他拋棄了絕對的時間和空間。接下來，他只思考和計算了幾個星期，就形成了他的物理學新基礎，導出了一系列關于空間、時間、電磁和高速運動物體行為本質的結論。其中的兩個結論是很輝煌的：質量可以轉化為能量（這將成為原子彈的基礎，見第6章）；每個物體的慣性在速度接近光速時必然會快速地增大，以至不論我們費多大力量推動它，都不可能使它達到或超過光速（“沒有什么能比光還跑得快”）。[96]

6月底，愛因斯坦將他的思想和結論寫成一篇論文，投給《物理學紀事》。他的論文有一個尋常意味的題目：“論運動物體的電動力學”，內容卻是異乎尋常的。匆匆讀過，我們會看到，愛因斯坦，這位瑞士專利局的“三級技術員”，提出了一個全新的物理學基礎，提出了一個未來所有的物理學定律都必須遵從的形而上原理，還極大地修正了我們的空間和時間的觀念，導出了輝煌的結論。很快，愛因斯坦的新基礎和結論就出名了，叫做狹義相對論（說它“狹義”是因為它只是在引力不重要的特殊情況下正確描繪了宇宙）。

萊比錫《物理學紀事》編輯部在1905年6月30日收到愛因斯坦的論文，經過仔細認真的審讀，論文通過了，被接受了，發表了。[97]

在論文發表后的幾個星期里，愛因斯坦期待著來自當代大物理學家的反應。他的觀點和結論太基本了，幾乎沒有實驗基礎，所以他等待著尖銳的批評和爭論，然而，他等來的是冷漠的沉寂。許多個星期過去了，最后他收到一封來自柏林的信：馬克斯·普朗克（Max Planck）詢問文章里的幾個技術細節，請他說明。愛因斯坦真是欣喜若狂！普朗克是還健在的最有名的物理學家之一，能引起他的注意，實在是令人滿足的。第二年，當普朗克繼續以愛因斯坦的相對性原理作為自己研究的核心工具時，愛因斯坦更加振奮了。因為普朗克的贊揚，因為慢慢來自其他杰出物理學家的贊揚，而最重要的，因為他本人極端的自信，當他所預料的爭論在接下來的20年里真的紛擾在相對論周圍時，愛因斯坦還能夠堅定地挺過來。直到1922年，爭論仍然很激烈，所以當瑞典科學院的秘書電告愛因斯坦獲得諾貝爾獎時，還特別指出，相對論不在評獎所考慮的工作之內。

爭論到30年代才最后結束，那時技術已經很先進了，可以為狹義相對論的預言帶來精確的實驗證據。到90年代，更沒有絲毫可以懷疑的了：在斯坦福大學、康奈爾大學和其他地方的粒子加速器里，每天有1017以上的電子被加速到高達0.999 999 999 5個光速——而它們在這種超高速下的行為完全與愛因斯坦狹義相對論的物理學定律相吻合。例如，隨著速度接近光速，電子的慣性增加了，使它不能達到光速；當電子與靶子碰撞時，它們產生高速的被稱為μ子的粒子。以μ子自身的時間來測量，它們只能生存2.22微秒，但是以靜止在實驗室中的物理學家的時間來測量，由于時間膨脹，它們可以生存100微秒或更長的時間。

物理學定律的本質

愛因斯坦狹義相對論的成功是否意味著我們必須完全拋棄牛頓的物理學定律呢？顯然不是。在日常生活里，在大多數科學領域和大多數技術應用中，牛頓定律仍然被廣泛運用著。我們在計劃乘飛機旅行時不會關心時間膨脹；工程師在設計飛機時也不會為長度收縮而焦慮。這類膨脹和收縮太小了，用不著關心。

當然，如果愿意，我們可以在日常生活中運用愛因斯坦的定律，而不用牛頓的。兩者對一切物理效應都給出幾乎完全一樣的預言，因為日常生活中達到的相對速度同光速比起來真是太小了。

只有在相對速度接近光速時，愛因斯坦和牛頓的預言才開始出現嚴重的分歧。這時，也只有在這時，我們才必須拋棄牛頓而嚴格忠實于愛因斯坦的預言。

這是一個極普遍的模式的一個例子，在未來的章節里我們還會遇到。這種模式在20世紀的物理學歷史上曾反復出現：一組定律（在我們這兒，即牛頓定律）起初被廣泛接受，因為它與實驗吻合得很好。但是，隨著實驗越來越精確，起初的那組定律只有在一定的極限范圍，即在定律的有效范圍內（對牛頓定律而言，就是速度遠小于光速的范圍）才能較好地成立。然后，物理學家努力從實驗和理論去認識在那個有效范圍的邊界上發生的事情，最后，他們建立一組在邊界內、邊界附近和邊界以外都高度成功的新定律（在牛頓的情形，愛因斯坦的狹義相對論不僅對低速有效，在近光速時也有效）。物理學定律的歷史重復著這個過程，在以后的章節，我們還會遇到這樣的重復：當引力變得重要時，狹義相對論將失敗，取而代之的是一組叫廣義相對論的新定律（第2章）；在黑洞內部奇點的鄰近，廣義相對論將失敗，取而代之的是一組叫量子引力的新定律（第13章）。

從舊定律到新定律的每一次轉變，都有一個令人驚訝的特征：在每種情形下，物理學家（如果他們足夠聰明）都不需要靠什么實驗指引來告訴他們，舊定律會從哪兒開始崩潰，也就是說，有效性的邊界在哪里。對牛頓物理學來說，我們已經看到了：麥克斯韋的電動力學定律沒有很好地與牛頓物理學的絕對空間相吻合。在絕對空間中（即在以太的參照系中）靜止時，麥克斯韋的定律簡單而優美——例如，磁力線沒有端點。在運動參照系中，它們變得復雜而丑陋——磁力線有時有端點。不過，當參照系以遠小于光速的速度在絕對空間中運動時，這種復雜對實驗結果的影響是可以忽略的，也就是說，幾乎所有的力線都沒有端點。只有在速度接近光速時，丑陋的復雜性才會帶來容易測量的大影響：會出現許多端點。因此，即使沒有邁克爾遜—莫雷實驗，也有理由相信，牛頓物理學的有效范圍是速度遠小于光速，而牛頓定律可能會在速度接近光速時崩潰。

類似地，在第2章我們將看到狹義相對論如何預言自己會在引力出現時失敗；而在第13章我們將看到廣義相對論如何預言自己會在奇點的鄰近失敗。

在考慮上面那一系列定律（牛頓物理學、狹義相對論、廣義相對論、量子引力）以及類似的一系列主宰物質結構和基本粒子的定律時，大多數物理學家都沖動地相信，這些系列的定律將匯聚成一組終極定律，它才真正主宰宇宙，它迫使宇宙照實際的方式運行，迫使雨水在窗戶上凝結，迫使太陽燃燒核子，迫使黑洞在碰撞時產生引力波，等等。

可能會有人反駁說，在那個序列中，每一組定律“看起來”都與它前頭的那些定律大不相同（例如，牛頓物理學的絕對時間看來就大不同于狹義相對論中的許多時間流）。“看起來”，這些定律沒有任何匯聚的征兆。那么，我們為什么還期待著它們的匯聚呢？答案是，我們必須明確地區分一組定律的預言和這些定律所傳達的理性圖像（定律“像”什么）。我希望的匯聚只是就預言說的，但那也就是最終有意義的一切。理性的圖像（牛頓物理學中的絕對時間，相對論物理學中的許多時間流）對最終的實在的本質來說是不重要的。事實上，我們有可能完全改變一組定律“像”什么，而一點兒也不改變它的預言。在第11章里，我將討論這個值得注意的事情，會舉一些例子，還要解釋它對實在的本質有什么意義。

我為什么希望預言意義上的匯聚呢？因為我們所有的證據都指明了這一點。每組定律都比它前頭的定律有更大的有效范圍：牛頓定律在日常生活的一切范圍內都是成功的，但它不適用于物理學家的粒子加速器，不適用于遙遠宇宙的奇異現象，如脈沖星、類星體和黑洞；愛因斯坦的廣義相對論定律在我們實驗室的各個地方，在遙遠宇宙的每一個角落都是成功的，但它在黑洞的深處，在宇宙大爆炸誕生的地方卻失敗了；量子引力的定律（我們現在還遠沒有很好地認識）也許會絕對地在任何地方都成功。

在這本書里，我將不加辯解地采納這個觀點：確實存在著一組終極的物理學定律（我們現在還不知道，但也許就是量子引力），它們真正地統治著我們周圍的宇宙的各個角落。它們迫使宇宙按它實際的方式運行。如果要說得更準確些，我應該說，我們現在用的定律（如廣義相對論）“近似于”真實定律，或者說，它是真實定律的“一種近似描述”。然而，我一般都不提這個限制，也不區分真實定律和我們的近似。在這些情形，我會斷言，例如，“廣義相對論定律[而不說真實定律]迫使黑洞將光牢牢地抓住，使它不能從黑洞的視界逃脫。”在認識宇宙的奮斗中，我的物理學同行們和我就是這么思考的。這是一種卓有成效的思想方法，為我們帶來了關于坍縮的恒星、黑洞、引力波和其他現象的嶄新而深刻的認識。

與這種觀點對立的是，人們普遍認為，物理學家在同一些理論打交道，這些理論試圖描述宇宙，但它們不過是人類的發明，不會對宇宙產生真正的威力。實際上，理論一詞包含了太多的試探性和人為的詭辯意味，我將盡可能回避它。需要的時候，我將在真正主宰宇宙、迫使宇宙以實際方式運行的嚴格意義上，用物理學定律這個詞組來代替它。