1925年，尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦在保羅·埃倫費(fèi)斯特家中討論了很多話題。玻爾-愛因斯坦之爭是量子力學(xué)發(fā)展中最有影響的事件之一。今天，玻爾最具影響力的是他的量子貢獻(xiàn)，但愛因斯坦更出名的是他對(duì)相對(duì)論和質(zhì)能等效的貢獻(xiàn)。

　　科學(xué)是人類智慧的結(jié)晶，那些最偉大的科學(xué)家做出了尤為重大的貢獻(xiàn)。不過，即使他們作為個(gè)人從未存在過，他們所引領(lǐng)的每一項(xiàng)偉大的科學(xué)進(jìn)步最終都會(huì)發(fā)生。

　　如果讓普通人說出自己腦海中印象最深刻的一位科學(xué)家，你可能最常聽到的一個(gè)名字就是阿爾伯特·愛因斯坦。這位物理學(xué)家已經(jīng)成為20世紀(jì)標(biāo)志性的人物之一，在眾多科學(xué)事件發(fā)揮了舉足輕重的作用；也許正是他親手顛覆了主宰科學(xué)思想200多年的牛頓物理學(xué)。他最著名的方程，E = mc2，是如此有知名度，以至于連不知其含義的人都耳熟能詳。他因在量子物理學(xué)方面的建樹而獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而他最成功的理論——廣義相對(duì)論，即我們現(xiàn)在所用的引力理論——在首次提出100多年后，經(jīng)受住了所有的檢驗(yàn)。

　　那么，如果愛因斯坦從未存在過，世界會(huì)有什么不同？會(huì)不會(huì)有其他同樣偉大的物理學(xué)家出現(xiàn)，并取得完全相同的成就？這些科學(xué)成就會(huì)很快實(shí)現(xiàn)，還是要花更長時(shí)間，甚至于有些可能至今都未發(fā)生？難道我們需要一個(gè)同等份量的天才，才能實(shí)現(xiàn)他的偉大成就嗎？或者，我們是否嚴(yán)重高估了愛因斯坦的罕見性和獨(dú)特性，僅僅因?yàn)樗皇窃谡_的時(shí)間出現(xiàn)在正確的地點(diǎn)，并擁有正確的能力，就把他提升到了我們心目中不應(yīng)該的至高位置？這是一個(gè)非常值得探索的有趣問題。就讓我們來一探究竟吧。

　　1919年，亞瑟·愛丁頓的觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，廣義相對(duì)論可以用于描述大質(zhì)量物體周圍的星光彎曲，從而推翻了牛頓的理論。這是愛因斯坦引力理論的第一次觀測實(shí)證。

　　愛因斯坦之前的物理學(xué)

　　1905年被稱為愛因斯坦的“奇跡年”，當(dāng)時(shí)他發(fā)表了一系列論文，而這些論文后來為物理學(xué)的諸多領(lǐng)域帶來了革命性的突破。不過，在那之前的很短時(shí)間內(nèi)，物理學(xué)取得了大量的進(jìn)展，使許多長期以來關(guān)于宇宙的假說受到了極大的挑戰(zhàn)。兩百多年來，艾薩克·牛頓在力學(xué)領(lǐng)域里堪稱無人能敵，他的萬有引力定律既適用于太陽系中的天體，也適用于從地球某座山上滾下來的球，或是從大炮中射出的炮彈。

　　在深信牛頓學(xué)說的物理學(xué)家眼中，宇宙有著莫大的確定性。如果你能寫下宇宙中每一個(gè)物體的位置、動(dòng)量和質(zhì)量，你就能以任意精度計(jì)算出它們?cè)谌魏螘r(shí)刻的演變。此外，空間和時(shí)間是絕對(duì)的實(shí)體，引力以無限的速度運(yùn)動(dòng)，具有瞬時(shí)效應(yīng)。整個(gè)19世紀(jì)，電磁學(xué)也發(fā)展迅速，揭示了電荷、電流、電場與磁場甚至光本身之間的復(fù)雜關(guān)系。有賴于牛頓、麥克斯韋和其他許多科學(xué)家的成功，物理學(xué)的很多問題似乎都已經(jīng)解決了。

　　然而，后來的事實(shí)卻并不如人意。有些謎題似乎暗示了許多不同方向的新事物。關(guān)于放射性的最初發(fā)現(xiàn)使人們意識(shí)到，當(dāng)某些原子衰變時(shí)，其質(zhì)量實(shí)際上會(huì)有所損失。衰變粒子的動(dòng)量似乎與原初粒子的動(dòng)量不匹配，這表明，要么某些過程并不守恒，要么存在某些不可見的東西。原子不一定是最基本的粒子，而是由帶正電的原子核和離散的帶負(fù)電的電子組成。

　　較重且不穩(wěn)定的元素會(huì)發(fā)生放射性衰變，通常是以發(fā)射一個(gè)α粒子（1個(gè)氦核）或經(jīng)歷β衰變的形式（如圖所示），一個(gè)中子轉(zhuǎn)換成質(zhì)子、電子和反電子中微子。這兩種類型的衰變都改變了元素的原子序數(shù)，產(chǎn)生了與原先元素不同的新元素，并導(dǎo)致產(chǎn)物的質(zhì)量低于反應(yīng)物的質(zhì)量。

　　不過，牛頓學(xué)說面臨的兩個(gè)挑戰(zhàn)似乎比其他的都加重要。

　　第一個(gè)挑戰(zhàn)是令人困惑的水星軌道觀測結(jié)果。其他所有行星都遵循牛頓定律，達(dá)到了測量精度的極限，而水星卻沒有。盡管考慮到近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)與其他行星的影響，水星的軌道仍與預(yù)測的結(jié)果存在很大偏差。水星每世紀(jì)的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)差值為43角秒，這使得許多人猜測水星內(nèi)側(cè)還存在一顆行星，即“祝融星”（Vulcan，又稱火神星），但后來的研究者并未發(fā)現(xiàn)這顆行星。

　　第二個(gè)挑戰(zhàn)可能更令人費(fèi)解：當(dāng)物體接近光速時(shí)，它們就不再服從牛頓的運(yùn)動(dòng)方程。如果你在一列時(shí)速100公里的火車上以每小時(shí)100公里的速度向前扔出一個(gè)棒球，球的速度就將達(dá)到每小時(shí)200公里。在直覺上，這一結(jié)果很符合你的預(yù)期，而且也得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

　　但如果你在一輛向前行駛的火車上，向前、向后，或任何方向打出一束光，它都會(huì)以光速移動(dòng)，不管火車運(yùn)動(dòng)的速度如何。事實(shí)上，無論觀察者眼中光線移動(dòng)的速度有多快，光速都是不變的。

　　此外，如果你在一輛行駛中的火車上扔一個(gè)球，但火車和球的速度都接近光速，那我們一貫認(rèn)為的“加法”就不大適用了。如果火車的速度是光速的60%，而你以60%的光速將球扔出去，那它的速度不會(huì)是光速的120%，而是光速的大約88%。盡管我們能夠描述這一過程，但無法做出解釋。這個(gè)時(shí)候，愛因斯坦出現(xiàn)了。

　　祝融星的假設(shè)位置。這顆假想的行星被認(rèn)為是19世紀(jì)觀測到的水星異常進(jìn)動(dòng)的原因。事實(shí)證明，祝融星并不存在，這一結(jié)果也為愛因斯坦的廣義相對(duì)論鋪平了道路。

　　愛因斯坦的研究突破

　　我們很難將愛因斯坦的全部成就濃縮在一篇文章中，但他最重要的發(fā)現(xiàn)和理論有如下幾個(gè)。

　　（1）質(zhì)能方程E = mc2。當(dāng)原子衰變時(shí)，它們會(huì)失去質(zhì)量。如果不守恒的話，這些質(zhì)量會(huì)去哪里？愛因斯坦給出的答案是：質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為了能量。此外，愛因斯坦還給出了最終的答案：質(zhì)量與能量的轉(zhuǎn)化比例就如這個(gè)著名方程E = mc2所描述的那樣，反之亦然。從那時(shí)起，我們就基于這個(gè)方程，以物質(zhì)-反物質(zhì)對(duì)的形式，從純粹的能量中創(chuàng)造了質(zhì)量。在任何情況下，E = mc2都是正確的。

　　（2）狹義相對(duì)論。當(dāng)物體接近光速時(shí)，它們會(huì)出現(xiàn)什么樣的行為？盡管它們以各種違背直覺的方式運(yùn)動(dòng)，但都可以用狹義相對(duì)論來描述。宇宙具有一個(gè)速度極限：真空中的光速；在真空中，所有無質(zhì)量的實(shí)體都以光速進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)。如果是具有質(zhì)量的實(shí)體，就永遠(yuǎn)無法達(dá)到光速，只能接近光速。狹義相對(duì)論規(guī)定了接近光速的物體將如何加速，如何提高或降低速度，以及時(shí)間尺度會(huì)如何膨脹和收縮。

　?。?）光電效應(yīng)。當(dāng)你把光線直射到一塊導(dǎo)電金屬上時(shí)，它會(huì)將金屬上最松散的電子“踢”出去。如果增加光線的強(qiáng)度，會(huì)有更多的電子被踢出，而如果降低光線強(qiáng)度，則踢出的電子會(huì)更少。但奇怪的是，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)并不是基于光的總強(qiáng)度，而是基于超過某個(gè)能量閾值的光強(qiáng)度。紫外線只會(huì)引起電離，可見光和紅外線則不會(huì)這樣，無論其強(qiáng)度如何。愛因斯坦證明了光的能量可以被量子化為單個(gè)光子，“電離光子”的數(shù)量決定了多少電子被踢開；沒有別的方式能夠做到這一點(diǎn)。

　　（4）廣義相對(duì)論。這是愛因斯坦所有革命性突破中最偉大和最艱苦的一項(xiàng)：一種全新的引力理論，適用于整個(gè)宇宙?？臻g和時(shí)間不是絕對(duì)的，而是構(gòu)成了一種結(jié)構(gòu)；其中的所有物體，包括所有形式的物質(zhì)和能量，都在這種結(jié)構(gòu)中穿行。物質(zhì)和能量的存在和分布，導(dǎo)致了時(shí)空的扭曲和演變，反過來，扭曲的時(shí)空也決定了物質(zhì)和能量將如何運(yùn)動(dòng)。在牛頓學(xué)說失敗的地方，愛因斯坦的相對(duì)論經(jīng)受住了考研，它解釋了水星的軌道，并預(yù)測了星光在日食期間將如何偏轉(zhuǎn)。從廣義相對(duì)論第一次被提出以來，還沒有任何實(shí)驗(yàn)或觀測能將其推翻。

　　除了以上這些，愛因斯坦還在其他許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。他發(fā)現(xiàn)了布朗運(yùn)動(dòng)；他與其他研究者共同發(fā)現(xiàn)了玻色子運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)規(guī)律；他通過愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論（簡稱EPR悖論）為量子力學(xué)的建立做出了重大貢獻(xiàn)；此外，他還提出了通過蟲洞（稱為“愛因斯坦-羅森橋”）進(jìn)行時(shí)空旅行的概念?？梢哉f，愛因斯坦在科學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)是絕對(duì)的傳奇。

　　在這張1934年的照片中，愛因斯坦站在黑板前，為一群學(xué)生和旁觀者推導(dǎo)狹義相對(duì)論。盡管狹義相對(duì)論現(xiàn)在被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，但該理論第一次被提出時(shí)無疑具有革命性的意義。

　　如果沒有愛因斯坦，物理學(xué)能否取得同樣的進(jìn)步？

　　盡管愛因斯坦的科研生涯舉世無雙，但我們有許多理由相信，如果沒有他，其他研究者也會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)取得同樣的成就。當(dāng)然，我們無法確認(rèn)這一點(diǎn)。我們贊美“愛因斯坦式的天才”，他作為獨(dú)一無二的例子，展示了無與倫比、足以改變我們對(duì)宇宙認(rèn)知的能力——他確實(shí)這么做到了。然而，即使沒有愛因斯坦，他幾乎一切的成就很可能都會(huì)實(shí)現(xiàn)。

　　在愛因斯坦之前，早在19世紀(jì)80年代，電子的發(fā)現(xiàn)者、英國物理學(xué)家約瑟夫·湯姆孫便開始認(rèn)為具有移動(dòng)帶電粒子的電場和磁場一定攜帶著能量。他試圖量化這種能量。這很復(fù)雜，但自學(xué)成才的英國物理學(xué)家奧利弗·亥維賽通過一組簡化的假設(shè)，對(duì)此進(jìn)行了計(jì)算：他確定帶電粒子攜帶的“有效質(zhì)量”與電場能量（E）除以光速（c）的平方成一定比例。亥維賽提出的比例常數(shù)是4/3，與他在1889年計(jì)算的真值1不同；弗里茨·哈澤內(nèi)爾在1904年和1905年也計(jì)算出了同樣的結(jié)果。亨利·龐加萊在1900年獨(dú)立推導(dǎo)出了E = mc2，但他還未完全理解這一推導(dǎo)結(jié)果的含義。

　　在沒有愛因斯坦的情況下，已經(jīng)有物理學(xué)家接近完成他這個(gè)最著名的方程；不難想象，即使沒有愛因斯坦，其他的物理學(xué)家也很有可能在短時(shí)間內(nèi)完成余下的任務(wù)，這是有現(xiàn)實(shí)依據(jù)的。

　　這張“光子鐘”的插圖顯示，當(dāng)你處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)（左），一個(gè)光子如何以光速在兩個(gè)鏡子之間上下移動(dòng)。當(dāng)你向前推進(jìn)（向右移動(dòng)）時(shí)，光子也以光速移動(dòng)，但需要更長的時(shí)間在底部和頂部鏡子之間振蕩。因此，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體與靜止物體相比，時(shí)間發(fā)生了膨脹。

　　同樣，其他物理學(xué)家也已經(jīng)非常接近狹義相對(duì)論了。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光總是以恒定的速度移動(dòng)，推翻了最流行的以太模型。亨德里克·洛倫茲發(fā)現(xiàn)了決定速度如何增加以及時(shí)間如何膨脹的變換方程，并與喬治·菲茨杰拉德各自確定了長度在運(yùn)動(dòng)方向上是如何收縮的。在很大程度上，這些都是引導(dǎo)愛因斯坦發(fā)展出狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)。當(dāng)然，的確是愛因斯坦將這一切綜合了起來。同樣，很難想象洛倫茲、龐加萊和其他研究電磁學(xué)和光速相互作用的人不會(huì)取得類似的突破。即使沒有愛因斯坦，這些研究者也已經(jīng)非常接近狹義相對(duì)論了。

　　邁克耳孫干涉儀（上圖）顯示，如果伽利略相對(duì)論是正確的，則光干涉圖樣（下圖，實(shí)線）的變化可以忽略不計(jì)（下圖，點(diǎn)線）。無論干涉儀的方向是什么，包括與地球在太空中的運(yùn)動(dòng)方向一致、垂直或相反，光速都是一樣的

　　馬克斯·普朗克對(duì)光的研究為光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)；無論有沒有愛因斯坦，光電效應(yīng)都肯定會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

　　在量子力學(xué)中，粒子可以分為玻色子與費(fèi)米子。費(fèi)米和狄拉克對(duì)費(fèi)米子（玻色子之外的另一類粒子，包括夸克和輕子）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，而統(tǒng)計(jì)玻色子的人則是印度物理學(xué)者薩特延德拉·玻色——保羅·狄拉克為紀(jì)念他而給出了這一命名——愛因斯坦只是玻色信件的收信人。

　　這張銀河系中心附近恒星的20年延時(shí)圖像是由歐洲南方天文臺(tái)（ESO）于2018年發(fā)布的?？梢钥吹?，這些特征的分辨率在接近尾聲時(shí)逐漸變得銳利，靈敏度也逐漸提升；與此同時(shí)，中心恒星一直在圍繞一個(gè)看不見的點(diǎn)——銀河系的中心黑洞——運(yùn)行，這些都與愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)測相符

　　可以說，如果沒有愛因斯坦，量子力學(xué)一樣也會(huì)發(fā)展得很好。

　　當(dāng)然，廣義相對(duì)論是最重要的。愛因斯坦已經(jīng)掌握了狹義相對(duì)論，開始著手研究引力。1907年，愛因斯坦提出了著名的等效原理——加速運(yùn)動(dòng)所受到的慣性力與引力在本質(zhì)上是等價(jià)的，觀察者無法對(duì)二者進(jìn)行區(qū)分。愛因斯坦本人將這一原理稱為“他最感快樂的思想”，甚至讓他三天都沒睡好覺。不過，其他研究者也在沿著相同的路線展開思考，比如

　　·龐加萊將狹義相對(duì)論應(yīng)用到水星軌道上，發(fā)現(xiàn)可以解釋觀測到的大約20%的“額外”近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)；

　　無論是在一枚加速的火箭當(dāng)中（左），還是在地球上（右），球落地的方式都是相同的，這是愛因斯坦等效原理的一個(gè)例證。在局部區(qū)域測量加速度的結(jié)果表明，重力加速度和其他形式的加速度之間沒有區(qū)別；除非你能以某種方式觀察或獲取外部世界的信息，否則這兩種情況將產(chǎn)生相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　·愛因斯坦的老師赫爾曼·閔可夫斯基提出了思維時(shí)空的概念——稱為“閔可夫斯基空間”，將空間和時(shí)間編織成無法分割的時(shí)空結(jié)構(gòu)；

　　·西蒙·紐康和阿薩夫·霍爾改進(jìn)了牛頓的萬有引力定律，以解釋水星的進(jìn)動(dòng)，暗示一種新的萬有引力理論將解決這一難題；

　　·也許最令人信服的是，數(shù)學(xué)家大衛(wèi)·希爾伯特也在研究非歐幾何，并提出了一個(gè)“作用量”，與愛因斯坦為引力背景下的運(yùn)動(dòng)所提出的作用量實(shí)際上是等同的，之后該作用量又引出了愛因斯坦引力場方程。盡管希爾伯特并沒有完全正確地理解其中的物理含義，但我們今天仍然稱之為“愛因斯坦-希爾伯特作用量”。

　　在愛因斯坦取得的所有科學(xué)成就中，廣義相對(duì)論尤為超前。當(dāng)愛因斯坦提出該理論時(shí)，其他同輩科學(xué)家還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于他。不過，盡管可能落后幾年甚至幾十年，但毋庸置疑的是，有一些科學(xué)家已經(jīng)非常接近愛因斯坦的思維，并且正沿著相同的路線展開思考。這讓我們相信，即使沒有愛因斯坦，廣義相對(duì)論最終也會(huì)出現(xiàn)在人類的知識(shí)領(lǐng)域中。

　　對(duì)于科學(xué)的發(fā)展，人們往往習(xí)慣于這樣一種敘述：某個(gè)人憑借天才般的靈光一現(xiàn)，就發(fā)現(xiàn)了其他所有人都忽略的關(guān)鍵突破或思維方式；如果沒有這樣一個(gè)人，人類就永遠(yuǎn)無法積累起非凡的知識(shí)成就。

　　這個(gè)動(dòng)畫顯示了當(dāng)一個(gè)質(zhì)量實(shí)體穿過時(shí)空時(shí)，時(shí)空會(huì)如何反應(yīng)；從定性的角度來看，時(shí)空不僅僅是一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，而是整個(gè)空間本身會(huì)因宇宙中物質(zhì)和能量的存在及其屬性而發(fā)生扭曲。請(qǐng)注意，在描述時(shí)空結(jié)構(gòu)的時(shí)候，我們不僅需要知道大質(zhì)量物體的位置，還必須知道該質(zhì)量在整個(gè)時(shí)間中的位置。瞬時(shí)位置和過往位置決定了物體在宇宙中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的力，這使得廣義相對(duì)論的微分方程比牛頓的理論還要復(fù)雜。

　　然而，當(dāng)我們更細(xì)致地審視這些科學(xué)研究時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，許多科學(xué)成就在出現(xiàn)之前，就已經(jīng)包含了眾多研究者的貢獻(xiàn)。事實(shí)上，當(dāng)我們回顧歷史時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)同一時(shí)期已經(jīng)有很多人取得了相似的認(rèn)識(shí)。阿列克謝·斯塔羅賓斯基在阿蘭·古斯之前，就已經(jīng)把許多關(guān)于宇宙暴脹的理論成果綜合在一起；在哈勃之前，喬治斯·勒梅特和霍華德·羅伯遜就構(gòu)建了宇宙膨脹的理論宇宙；還有朝永振一郎，他在朱利安·施溫格和理查德·費(fèi)曼之前就完成了量子電動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。

　　在許多引人注目的物理學(xué)前沿問題上，愛因斯坦是第一個(gè)跨越終點(diǎn)線的人。但如果他從來沒有來到這個(gè)世界上，也會(huì)有其他研究者走完他走過的路。在許多人看來，愛因斯坦擁有一種獨(dú)屬于他的耀眼天才，但幾乎可以肯定的是：天才并不像我們通常認(rèn)為的那樣獨(dú)特和罕見。通過大量的努力和一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣，幾乎任何受過適當(dāng)訓(xùn)練的科學(xué)家，只要在正確的時(shí)間找到正確的方法，就能取得革命性的突破。

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