愛因斯坦的容錯系數(shù)

1917年，愛因斯坦闡述：物體之間不是相互產(chǎn)生吸引力，實際上，物體會使其周圍的時空構(gòu)造發(fā)生彎曲，在時空中形成一個凹陷，而其他物體會滑入這個凹陷。打一個合理的比方，這就像把保齡球放在床墊上。保齡球會在床墊上壓出一個坑，吸引物體向它靠近。同樣，太陽也會把行星吸引過來。

愛因斯坦關(guān)于時空連續(xù)體曲率的預(yù)言在1919年的日食中得到證實，當(dāng)時來自遙遠(yuǎn)恒星的光線路徑在太陽的吸引下發(fā)生了偏移，而且偏移量與愛因斯坦廣義相對論的預(yù)測完全一致。理論上成立的假說有了實證。

阿爾伯特·愛因斯坦出生于德國烏爾姆，12歲就自學(xué)了代數(shù)和幾何，并自己證明了畢達哥拉斯定理。他記得自己在那個年紀(jì)，就認(rèn)為自然可以被理解為一種“數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)”。我在那個年紀(jì)只能給我的臥室天花板添上一塊棕褐色污漬……愛因斯坦在蘇黎世的公立大學(xué)蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（它的德語名稱真是拗口，相比之下我工作的圣三一大學(xué)生物化學(xué)及免疫學(xué)學(xué)院都顯得沒那么拗口了）學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，并在伯爾尼的瑞士專利局找到了一份職員的工作。在那里，他研究了狹義相對論，并于1905年發(fā)表了重要論文。該理論描述了空間和時間之間的關(guān)系，即著名的公式E = mc2，其中E代表能量，m代表質(zhì)量，c代表光速。他發(fā)表的論文還影響了量子力學(xué)的發(fā)展。量子力學(xué)是關(guān)于原子和亞原子粒子的物理學(xué)，瑪麗·斯克羅多夫斯卡·居里和埃爾溫·薛定諤等名人也參與其中（稍后將詳細(xì)介紹他們）。

1915年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了廣義相對論，1929年，他在美國自然歷史博物館舉辦的關(guān)于廣義相對論的演講引起了極大的轟動，甚至被迫調(diào)用了額外的警力，因為4 500名觀眾“砸開了鐵門，互相毆打”。如果現(xiàn)在科學(xué)也能引發(fā)如此轟動就好了。

用通俗易懂的語言解釋愛因斯坦的相對論幾乎是不可能的。當(dāng)一位記者要求他用三言兩語解釋時間膨脹和洛倫茲收縮時，他只是說：“它們是專業(yè)術(shù)語。”相對論太詭異了。不過，有一個簡明易懂的實驗?zāi)芎芎玫卣f明這個理論。1971年，物理學(xué)家約瑟夫·黑費勒和天文學(xué)家理查德·基廷證明，一個物體移動時，相對于移動速度更慢的物體，前者的時間流逝會變慢。他們把4臺精度極高的原子鐘帶上了商用客機，環(huán)繞地球飛行了兩圈，先是向東飛行，然后向西飛行。他們認(rèn)為飛行時間足夠長，可以確定運動是否會減慢時間流逝的速度，并將這些帶上飛機的時鐘與其他放在美國海軍天文臺的陸地時鐘進行了比較。對那些快速移動的時鐘來說，時間流逝變慢了。二者的時間差異很小。如果我們乘坐飛機，時間流逝確實會稍微變慢，但這種差異小到可以忽略不計。因此，時間流逝的速度并非一成不變，而是相對的。不過，我們?nèi)匀徊恢罏槭裁磿@樣。

顯然，愛因斯坦的研究對天文學(xué)，尤其是哈勃的工作產(chǎn)生了影響。1915年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)根據(jù)自己的廣義相對論，宇宙要么在膨脹，要么在收縮。你不覺得這兩者之間差別很大嗎？他無法分辨究竟是哪種情況，因此在他的方程式中引入了一個“容錯系數(shù)”。但是，當(dāng)愛因斯坦得知哈勃的研究成果后，他意識到宇宙一定在膨脹，他認(rèn)為這個系數(shù)的引入是自己一生中最大的錯誤。他甚至上門拜訪哈勃，和哈勃討論宇宙膨脹的問題。

盡管如此，廣義相對論產(chǎn)生的巨大影響力仍然可以和牛頓運動定律相媲美，尤其是在天文學(xué)領(lǐng)域。它使人們認(rèn)識到星系可以聚集成巨大的超星系團，其內(nèi)部存在各種有趣的結(jié)構(gòu)，包括中子星（它可以用城市大小的體積容納下恒星的所有質(zhì)量，打個更通俗的比方，一塊方糖大小的中子星就有珠穆朗瑪峰那么重——重是重，不過也相當(dāng)甜蜜）和黑洞。黑洞的密度非常大，連光都無法逃脫其引力。

2019年，科學(xué)家拍攝到了一幅位于M87星系中心的黑洞的照片。凱蒂·布曼是參與其中的科學(xué)家之一，她編寫了一個計算機程序來幫助生成圖像。這個黑洞距離地球5×1020 千米。布曼說，她難以置信地看著史上第一張黑洞照片出現(xiàn)在她的電腦屏幕上。科學(xué)家觀察到黑洞周圍的時空發(fā)生了扭曲，這再次證明愛因斯坦的理論是正確的。有些黑洞的質(zhì)量是太陽的數(shù)十億倍，當(dāng)它們與恒星相互作用時，會釋放出巨大的能量。它們出現(xiàn)在大多數(shù)（如果不是全部）星系的中心。

當(dāng)黑洞相撞時，它們會發(fā)出愛因斯坦所說的“引力波”——不過，他只是在理論上預(yù)測了它的存在，直到2015年激光干涉引力波觀測臺（LIGO）才探測到它們。研究黑洞是一件非常時髦的事情，因為人們對黑洞有各種各樣的想法。如果你能穿越一個黑洞，會發(fā)生什么呢？時間流逝會變慢嗎？你會抵達宇宙的另一端嗎？科幻小說家在黑洞題材上做了不少文章。