相對論簡史（代序）
BRIEF HISTORY OF RELATIVITY

［英］斯蒂芬·威廉·霍金

19世紀后期，科學界相信，他們對宇宙的完整描述已近尾聲。在他們的想象中，一種叫“以太”的連續介質充滿了宇宙空間，空氣中的聲波、光波和電磁信號，都是以“以太”為傳播介質的。

在同一時期稍后幾年，一種與空完全充滿“以太”的思想相悖的論出現了：根據“以太”理論，光傳播速度相對于“以太”應是一個定值。因此，如果你沿著與光線傳播相同的方向行進，你所測得的光速應比你在靜止時測得的光速低；反之，如果你沿著與光線傳播相反的方向行進，你所測得的光速應比你在靜止時測得的光速高。但造成光速差別的證據在實驗中并未找到。

1887年，美國俄亥俄州克里夫蘭的凱斯研究所的阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷完成了最準確的實驗注1測量。他們測量了兩束成直角的光線的傳播速度。根據“以太”理論推理，由于自轉和繞太陽的公轉，地球應在“以太”中穿行，因此，上述兩束光線應因地球的運動而測得不同的速度。但是莫雷卻發現，無論是晝夜或冬夏，都未引起兩束光線速度的變化。不論你運動與否，光線似乎總是以相同的速度傳播。

注1阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷的實驗：1881—1887年，阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷為測量地球和以太的相對速度，進行了著名的邁克爾遜—莫雷實驗。實驗結果顯示，不同方向上的光速沒有差異。這實際上證明了光速不變原理，即真空中光速在任何參照系下具有相同的數值，與參照系的相對速度無關，這說明以太其實并不存在。后來又有許多實驗支持了上面的結論。

同時，根據麥克斯韋方程組，科學家也發現電磁波的傳播不需要一個“絕對靜止”的參照系，因為該方程里兩個參數都是無方向的標量，所以在任何參照系里光速都是不變的。

其中ε0是真空電容率，μ0是真空磁導率。

因此，愛因斯坦大膽拋棄了以太學說，認為光速不變是基本的原理，并以此為出發點之一創立了狹義相對論。現在也有人推測，以太可能是由一種宇宙的暗物質所構成，又稱“光引力行為”，光引力行為是一種只有屬于光的萬有引力，發光者借由暗物質的聚合而產生光，可是這些也只是在構想的階段。

愛爾蘭物理學家喬治·費茲哥立德和荷蘭物理學家亨卓克·洛倫茲最早認識到，相對于“以太”，運動中的物體在運動方向上的尺寸會收縮，而時鐘會變慢。但他們同時又認為，“以太”是一種真實存在的物質。

這時，就職于瑞士專利局的年輕的阿爾伯特·愛因斯坦，卻大膽否定了“以太”說，并一次性解決了光傳播速度的問題。

1905年，愛因斯坦在論文中第一次指出，由于人們無法探測出自己是否相對于“以太”運動，因此，關于“以太”的整個概念都毫無意義。愛因斯坦認為，科學定律應該賦予所有自由運動的觀察者相同的形式，無論觀察者如何運動，他們都應該測量到同樣的光速。

在這一思想中，愛因斯坦要求人們放棄所有時鐘普適的時間概念，確信每個人都應當有他自己的時間值：如果兩個人是相對靜止的，他們的時間就是一致的；如果他們存在相互的運動，那他們觀察到的時間就會有差異。

實驗證明，愛因斯坦是正確的。一個繞地球旋轉的精確時鐘與存放在實驗室中的精確時鐘比，前者與后者會有時間指針上的差別。如果你想延長你生命，你可以乘飛機向東飛行，這樣，疊加上地球旋轉的速度，你就可以延長零點幾秒的生命，也可借此彌補你因食用航空食品帶來的損害。

愛因斯坦認為，對所有自由運動的觀察者而言，自然定律都是相同的，這個前提是相對論的基礎。因為，這個前提隱含了只有相對運動是重要的。雖然相對論的完美與簡潔折服了許多科學家和哲學家，但是疑問仍然多多。愛因斯坦摒棄了19世紀自然科學的兩個絕對化觀念：“以太”所隱含的絕對靜止和所有時鐘測得的絕對或普適時間。

人們也許會問，相對論是否隱含了這樣的意思：任何事物都是相對的而不會再有概念上絕對的標準？

這種疑問從20世紀20年代一直持續到30年代。1921年，由于對光電效應的貢獻，愛因斯坦獲得了諾貝爾物理學獎，但由于相對論的復雜難解及面臨的種種爭議，瑞典皇家科學院的諾貝爾獎頒獎辭只字未提相對論。

現在，相對論已經被科學界完全接受，無數實驗也證實了相對論的預言，但我每周仍然會收到二三封說愛因斯坦錯了的來信。

相對論的重要結論之一，是質量與能量的關系。對所有觀察者而言，愛因斯坦假定光速是相同的，沒有可以超過光速運行的事物。如若給粒子或宇宙飛船不斷地供應能量，會發生什么現象呢？被加速物體的質量就會增大，使得更快的加速很難進行。把一個粒子加快到光速是不可能的，因為那需要無窮大的能量。質量與能量是等價的，它們的關系被愛因斯坦總結在著名的質能方程E=mc2中，這或許是迄今為止家喻戶曉、婦孺皆知的唯一物理方程。

鈾原子核裂變為兩個小的原子核時，很小的一點質量虧損會釋放出巨大的能量，這就是質能方程的眾多推論之一。1939年，第二次世界大戰陰云密布，一群意識到裂變反應在應用上十分重要的科學家游說愛因斯坦，讓他放棄自己是和平主義者的顧忌，給美國總統羅斯福寫信，勸說美國開始核研究計劃。于是有了“曼哈頓計劃”和1945年廣島的原子彈爆炸。有人因為原子彈的巨大傷害而責備愛因斯坦對質能關系的發現，這如同因為飛機遇難而責備牛頓發現了萬有引力一樣，是毫無道理的。事實是，愛因斯坦并未參與“曼哈頓工程”，而且他自己也驚懼于那巨大的爆炸。

相對論完美地結合了電磁理論的有關定律，但它與牛頓的重力定律并不相容。牛頓的重力定律表明，如果你改變空間的物質分布，整個宇宙的重力場將同時發生改變，這意味著你可以發送比光速更快的信號，同時需要絕對或普適的時間概念。這為相對論所不容。

早在1907年，愛因斯坦便意識到兩者的不相容問題，那時他還在伯爾尼的專利局上班。直到1911年，遷到布拉格工作后，愛因斯坦才深入思考這一問題。他意識到加速與重力場的密切關系：在密封廂中的人，無法辨別他自己對地板的壓力的來源——是由于地球的重力場中的引力，還是由于在無引力空間中加速的結果（這些設想都發生在“星際旅行”的時代之前，估計當時愛因斯坦把密封廂設想為電梯轎廂，而不是宇宙飛船中）。

但我們知道，如果不想讓電梯碰撞的事情發生，你便不能在電梯中加速或自由墜落許久；如果地球是完全平整的，人們可以說蘋果因重力落在牛頓頭上，與因地球表面加速上升造成牛頓的頭撞在蘋果上是等價的。

但是，當地球是圓形的，這種加速與重力的等價便不再成立，因為同一時刻，在地球相反一面的人將會被反向加速，而兩面觀察者之間的距離卻不會更改。

1912年回到蘇黎世后，獲得靈感的愛因斯坦意識到，如若將真實幾何進行適當調整，重力與加速的等價關系就能成立。如果三維空間加上第四維的時間所形成的空間—時間實體是彎曲的，那結果會怎樣呢？他認為，質量和能量將造成時空彎曲，這在某些方面已經被證明，比如行星和蘋果。物體趨向于直線運動，它們的運動軌跡會被重力場彎曲，因為重力場彎曲了時空。

在馬歇爾·格羅斯曼的幫助下，愛因斯坦潛心學習彎曲空間及表面的理論，這些抽象的理論被玻恩哈德·瑞曼發展起來時，從未想到與真實世界會有聯系。1913年，愛因斯坦與格羅斯曼合作發表文章，他們提出了一個思想：我們所認識的重力，只是時空彎曲的事實的一種表述。但是，由于愛因斯坦的一個失誤，他們當時未能找出時空彎曲的曲率以及能量與質量的關系方程。

在柏林，愛因斯坦避開家庭的煩擾和戰爭的影響，繼續研究這一問題。1915年11月，他最終發現了聯系時空彎曲與蘊涵其中的質能關系方程式。1915年夏天，在訪問哥廷根大學期間，愛因斯坦曾與數學家戴維·希爾波特討論過他的這個思想，希爾波特早于愛因斯坦幾天也找到了同樣的方程式。盡管如此，希爾波特承認，發現這種新理論的榮譽理應歸于愛因斯坦，因為正是愛因斯坦將重力與彎曲時空聯系了起來；這還應感謝文明的德國，因為在那里，即使在戰爭期間，這樣的科學探討及交流仍然一如既往地進行著，與20年后所發生的事情（指第二次世界大戰）是多么巨大的反差！

關于彎曲時空的新理論叫做“廣義相對論”，以與原先不包含重力的“狹義相對論”相區別。1919年，人們以頗為壯觀的形式證明了“廣義相對論”：一支英國科學考察隊遠征西非，在日食期間觀察到了太陽附近一顆恒星位置的微小移動。這證實了愛因斯坦的論斷，恒星發出的光線在經過太陽附近時，由于引力而彎曲了。這一證明時空彎曲的直接證據，是在公元前300年歐幾里得《幾何原本》之后，人類認識宇宙的最大的革新。

將“時空”由被動的時間發生轉變為動態宇宙的主動參與者，“廣義相對論”帶來了居于科學前沿的一個巨大問題，這一問題到20世紀結束時仍未解決。物質充滿著宇宙，同時又導致時空彎曲而使得物體相互聚集。用“廣義相對論”解釋靜態的宇宙時，愛因斯坦發現，他的方程式是無解的。為適應靜態宇宙，愛因斯坦變通了他的方程式，在其中加入了一個名為“宇宙常量”的項。這個“宇宙常量”將再次彎曲時空，以使所有的物體分開。“宇宙常量”引入的排斥效果將平衡物體的相互吸引作用，從而保持宇宙的長久平衡。

人們對于宇宙的起源及終結的研究方向，被“廣義相對論”徹底改變。靜止的宇宙可能會永遠存在，或者說，在過去的某個時間，在這一靜止的宇宙產生之時，也就已經是現在的形態了。從另一方面來說，如果現在的星系正在彼此遠離，那么，在過去的時間里，它們彼此之間應該是十分臨近的——在大約150億年前，它們甚至可能彼此靠近，相互重疊，密度可能也是無窮大。“廣義相對論”告訴我們，宇宙大爆炸標志著宇宙的起源、時間的開始。因此，愛因斯坦無疑是過去100年中最偉大的人物，他應該得到人們更加長久的尊敬。

在黑洞中，空間與時間是如此彎曲，以至于黑洞吸收了所有的光線，甚至沒有一絲光線可以逃逸。因此，“廣義相對論”推測時間應終止于黑洞。但廣義相對論方程并不適用于時間的開始與終結這兩種極端情形。因此，這一理論并不能揭示大爆炸的結果，一些人認為這是上帝萬能的一種象征，即上帝可以用自己的方式來開創宇宙。

可是，另一些人（包括我自己）認為，宇宙的起源應該服從于一種普遍原理——它在任何時候都是成立的。在朝這一方向的努力中，我們取得了一些進展，但距完全理解宇宙的起源還相去甚遠。廣義相對論不能適用于大爆炸理論的原因是它與20世紀初另一偉大的觀念性的突破——量子理論并不相容。量子理論的最早提出是在1900年。當時柏林的麥克斯·普朗克發現，從紅熱物體上發出的輻射，可以解釋為“光線以特定大小的能量單元發出”，普朗克把這種能量單元稱為量子。輻射好比超級市場里的袋裝白糖，并非你想要多少的量都行，相反，你只能買每袋一磅的包裝。1905年，愛因斯坦在一篇論文中提及普朗克的量子假設可以解釋光電效應。他也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦對量子的研究延續至20世紀20年代。當時哥本哈根的華納·海森堡、劍橋的保爾·狄拉克以及蘇黎世的埃文·薛定諤提出了量子機制，從而展開了描述現實的新畫卷。他們認為，小粒子不再具有確定的位置和速度，相反，小粒子的位置測得越精確，它的速度測量就越不準確；反之亦然。面對這種基本定律中的任意性和不可預知性，愛因斯坦十分惶惑。他最終沒有接受量子機制。他的著名格言“上帝并不是在投骰子”表達的正是這一感受。雖然如此，全新的量子機制定律仍然為大多數的科學家所接受，并承認其實用性，因為這些定律不但吻合實驗結果，而且可以解釋許多以前不能解釋的現象。這些定律成了當代化學、分子生物學以及電子學發展的基礎，也是過去半個世紀鑄造整個世界的科技基石。

1933年，納粹統治了德國，愛因斯坦放棄了德國國籍，離開了這個國家。在美國新澤西州普林斯頓的尖端科學研究所，愛因斯坦度過了他生命中最后的22年時光。當時，納粹發動了一場反對“猶太科學”以及猶太科學家的運動（大批科學家被驅逐出境，這也是德國在當時未能造出原子彈的原因之一）。這場運動的主要目標是愛因斯坦和他的相對論。得知一本名為《反對愛因斯坦的100位科學家》的書出版時，愛因斯坦說，為什么要100位？如果我真的錯了，一位就足夠了。

“二戰”后，愛因斯坦敦促盟軍設立一個全球性機構以控制核武器。1952年，愛因斯坦被剛成立的以色列政府聘任總統職務，但他拒絕了。他說：“政治是暫時的，唯有方程可以永恒。”廣義相對論方程是他最好的紀念碑和墓志銘，它們與宇宙一起長存。