【中文精制版41】彼得·加里森：《相对论》| 哲学家爱因斯坦

一共是100集英文，100集中文，100集翻译节目。

每周更新一集中文精制，一集英语原声，一集英文翻译，已经买过的就可以永久收听。

相关阅读 

年份：1905年

作者：【美】阿尔伯特·爱因斯坦

出版社：北京大学出版社

中文文稿 

你好，在今天的节目中，我们邀请到了哈佛大学物理学与科学史系的教授彼得-加里森。加里森教授将带我们一起读爱因斯坦的几篇改变了人类宇宙观的、具有划时代意义的物理学论文。在加里森教授看来，提出了相对论的爱因斯坦不仅仅是一位物理学家，相对论也不仅仅是一个物理学议题。相对论所提出的问题，更像是一个人类最聪明的大脑面对深邃神秘的宇宙发出的哲学天问：时间和空间本质是什么？它们是绝对的还是相对的？在所谓一体的“时空”，宇宙法则是如何体现的？

狭义相对论：打破“绝对”的时空观

大家好，我是彼得-加里森，哈佛大学物理系和科学史系的教授。在物理学和科学史之外，我还做一些哲学的相关研究，对电影制作也有涉猎。作为“黑洞研究”机构的创始人之一，我有幸参与了近年来物理学和宇宙学领域中一件意义特别重大的事件，那就是世界上首张黑洞照片的摄制。我和全球两百多位科学家同仁们一起努力，第一次拍摄到了黑洞和这个黑洞周围十亿度高温气体的图片。如果没有爱因斯坦，我们不会有今天这样探索宇宙的成就，我们甚至根本不会有“黑洞”这个概念。

这张由全球两百多位科学家们通力合作、历经十余年、从全球四大洲八个观测点 第一次捕获到的黑洞真容，再一次证实了爱因斯坦在一百多年前提出的广义相对论的理论模型。在今天，我们会为这样的新闻感到欢欣鼓舞，但却不会感到太大的意外。因为我们已经习惯了认可爱因斯坦的天才。但在狭义相对论和广义相对论刚刚诞生的二十世纪早期，爱因斯坦那些挑战人们认知和经验极限的颠覆性理论却让包括许多科学家在内的大多数人感到不适。那么，爱因斯坦是怎么想到要提出这些颠覆经典时空观和传统物理学定律的理论的呢？他思考的起点是在哪里呢？

爱因斯坦从来都不是那种会去摘挂在一棵树低处的果子的人，他想要的都是长在树木顶端的、那最甜美可口的果实。他从很早的时候就开始思考关于光的本质、时间和空间的本质这些科学研究中最基本也最重要的问题。早在十六岁的时候，他就开始在头脑中想象一个有关探寻光的本质的实验场景。

在这个场景中，爱因斯坦假设人可以像在水面上冲浪、随水波前进那样乘着光波、以光速向前运动，而在他前方远处有一座山。那么，在这团光中、乘着光波以光速前进的爱因斯坦，他看到的山和看到的这个世界至始至终就是静止不变的。但这究竟要怎么解释呢？爱因斯坦意识到，我们不能把对水波的理解直接转化到对光波的理解上，也不能按照像研究水波那样的研究思路来探寻光的物理性质。这个方向是错的。

这个问题困扰了他许多年。他不断追寻着问题的答案，终于在1905年取得了突破，在前辈科学家洛伦兹等人的工作基础上，提出了狭义相对论的理论假说。这个假说，就是基于电磁学中的“光速不变”原理和经典牛顿力学的“相对性”原理、以及这两个原理之间的矛盾而建立的。

在爱因斯坦之前，物理学的许多物理规律都是在特定参照系之下进行考量的，这也就是所谓的“相对性”原则。比如，我们在讨论某个物体的速度时，总是要考虑到这个速度是相对于谁的速度。想象一下你坐在一列火车上，这列火车以每小时35英里的速度在一条平直的轨道上前进。你坐在车厢里喝咖啡，当你和火车行进的方向和速度都一样时，火车对于你来说就是静止的，你对火车来说也是静止的。这就是相对性原理，因为速度是在某个参照系中、相对而言的。

不过，尽管我们在经典力学中讨论速度时总要考虑到它的“相对性”，但计算速度的方程式却是恒常不变的。根据牛顿在《自然哲学的数学原理》中的说法，在任何参照系下，速度都等于距离除以时间。按照加里森教授刚才所举的例子，坐在火车上的人因为与火车同步前进，他与火车之间的距离始终为零，因此根据速度计算公式，他的速度为零。而根据同样的公式，一个站在站台上看火车前进的人，他测量到的火车速度将会是35英里每小时；如果有另一个人坐在与这辆火车以同样速度相向而行的另一列火车上，他测量到的这辆火车的速度会是70英里每小时。也就是说，火车的速度随观测者及其所在的参考系而变化。

但这就和另外一个人们已知的电磁学中的原理相矛盾了：这个物理学原理就是光速不变原理。所谓光速不变原理，是指光无论在任何参照系下测量，它的速度都是大约每秒3亿米，这是一个已经被无数测试验证过的常数。也就是说，如果我们把刚才那个场景中的火车想象成一束光，那么在光里跟光一起前行的观测者A、静止站在站台上看光闪过的观测者B、在另一束反向照射的光中与光一同反向前进的观测者C，他们测出来的光速将会全都一样！

爱因斯坦觉得这太神奇了，不是吗？在普通力学的框架中，在一个平稳运行的轮船、火车中，你无论是随着火车或轮船前行，或是在车里在船里玩弹球、看鱼在车上的一个鱼缸里游泳——所有这些运动的规律和速度都可以用经典力学的理论去解释。但一旦我们开始研究电、磁、和光的运动规律，这些法则似乎就都失灵了。也就是说，经典力学的物理学法则不适用于电、磁、和光这些出于连续不断运动当中的东西。

这是爱因斯坦所无法忍受的。他不能忍受两个分别正确的原理彼此之间存在矛盾。有人曾和他说：“你为什么不要洗发水、洗手液和洗面奶呢？”他回答道：“我想要的仅仅是一块肥皂” 。他觉得一定有一种可以解释得通的办法来调和这两个理论之间的矛盾，一定有一种理论可以通用于任何参考系，无论这个参考系是在旋转、在减速加速、还是在保持匀速。当我们在这个普适性的理论框架中讨论物理规律时，你选择什么样的具体参照系来运用这个理论，就只是个细枝末节的问题了。

爱因斯坦调和两个理论的基本出发点，仍然是那个计算速度的方程式：速度等于距离除以时间。如果光速是恒定不变的，不随任何参考系而变化，那么保证这个方程式有效的办法，只能是让时间和距离产生相应变化。也就是说，刚才我们提到的在不同参考系中测量光速的三个人A、B、C，因为他们测出来的光运行的速度都一样，那么只有两个可能：他们在这个过程中所经历的时间变慢或变快了，他们所经历的空间距离增长或缩短了。这就是相对论会给人们造成那么大的冲击，因为在这个新的理论体系中，时间和空间都不再是绝对的存在。

比方说，有这样一对双胞胎：一个人原地不动，而另一个人，我们假设他乘坐了一个超高速甚至接近光速的火箭去了半人马座的阿尔法星，然后再从阿尔法星坐火箭原路折返回原地。当他回来的时候他会发现，他的双胞胎兄弟已经老了，而他和他出发时几乎没有变化，还是那样年轻。这是因为，在整个过程中，他的时间流逝变慢了。如果他在这个旅行中随身携带了精确的钟，他的钟就会显示走得很慢很慢。

爱因斯坦发表狭义相对论是在1905年。这一年，他才刚刚26岁，在瑞士的专利局工作，是个小小的职员。他的科学研究都是在业余时间完成的。而更令人叹为观止的是，他的另外几篇奠定了现代物理学研究基础、改变了人类科学研究进程的重要论文，包括他那个家喻户晓的质能方程式E= mc2 （E等于m乘以c的平方），也都发表在同一年。因此，1905年在科学史上又被称为“爱因斯坦奇迹年”。

广义相对论：光变弯了

狭义相对论解决了牛顿经典力学的“相对性”原理与“光速不变”原理之间的矛盾。但牛顿的理论中还有一个尚待解决的、并与狭义相对论有关联的问题，那就是引力。根据牛顿的万有引力定律，具有质量的物体之间存在着相互吸引的作用。也就是根据我们的日常经验所看到的“引力”。“重力”就属于这样一种引力。

牛顿的观点很了不起。按照他的观点，每个物体——每颗沙粒、每颗星星、每个星系、每台计算机、每张桌子、头上的每根头发与宇宙中的其他所有物质之间都有引力，引力的大小等于两个物体质量的乘积乘以万有引力常数，再除以物体间距离的平方。

不过，牛顿的研究只停留在了如何计算这种看不见的引力，而没有说明这种引力究竟是如何发生的。牛顿曾经期待他的读者们去探求这个问题的答案。但爱因斯坦却没有沿着牛顿指定的思路走，他提出了一个新的思路：或许引力根本就不是一种力。一个物体会“吸引”另一个物体，只是因为它们之间的“时空”发生了弯曲和扭曲，才使得它们看上去是把对方“吸”了过来。这就是他在1915年提出的广义相对论的基本假设。

你可以把“时空”想象成一个蹦床的表面，再把一个保龄球放在这个蹦床上。因为保龄球自身重量的存在，这个蹦床表面会发生些许的变形。这时候你再放一个高尔夫球或弹珠上去，它就会在这个扭曲的表面上沿一定轨迹绕着圈向保龄球滚动。这个保龄球的质量越大，它造成的空间扭曲就越大，它就越能决定其它物体向它滚动的轨迹。

“时空”的弯曲会让很多事情一下变得复杂起来。它牵涉到的数学演算复杂到不可思议。当笛卡尔在十七世纪早期讨论物理定律时，他讨论的是物体的直线运动。但在爱因斯坦的新的理论框架中，讨论所谓的“直线”就变成了非常复杂的事，因为你必须把“时空”的弯曲度算进去。你可以想象一只蚂蚁在地球上某处地形非常复杂的地方爬行，要从A点运动到B点。它会想要抄最近的路——因为物体运动会倾向于走最短的距离——所以它会走所谓的“直线”，因为直线最短。但实际上当它在一个扭曲的空间里走的时候，这些就都不是直线了。

这也就是说，当我们在爱因斯坦的广义相对论的理论模型中考虑两个物体之间相互吸引的作用时，我们不再只是考虑两个物体本身，而是加入了第三方：那就是这两个物体所共处的“时空”。一个有质量的物体不是直接作用于另一个有质量的物体，而是先扭曲了它所在的时空，然后再由这个扭曲的时空去影响同一“时空”中的其它物体。

沿着这个思路走下去，我们就会得出一个令人难以置信的结论：光是会变弯的。

爱因斯坦曾经预言太阳这种有着巨大质量的物体会让光变弯。我们现在想象一下这样一个场景：我们在夜晚会看到天上的一颗星星，这时候它的星光是直接穿过黑暗到达我们眼前的，我们可以借此观测到它的位置。而当白天到来，太阳横亘在了这颗星星和我们中间，它仍然向我们传递着它的星光，只是因为太阳的光芒更强烈，所以我们看不见这颗星的星光。

根据爱因斯坦的相对论，当这束星光从太阳背后射向我们时，它不再是直线传播，而是弯曲着过来的。因为太阳巨大的质量会扭曲它所在的时空，这束光从这扭曲的时空中穿过，也就变弯了。如果这个假设成立，那么它看上去应该会比实际的位置要远一些。只是我们在大白天是看不到这颗星星的。

可是，如果我们能在大白天看到这颗星星呢？那不就意味着爱因斯坦的广义相对论能够得到证实了吗？

在广义相对论发表之后的第四年，也就是1919年的5月29日，上帝真的给爱因斯坦送来了一个完美的、可以验证他的理论模型的礼物：一次日食。因为日食挡住了白天的太阳，使得天文学家们借着短暂的黑暗，捕捉到了那些躲在太阳背后的星星朝我们发射出的星光。也就是说，他们看见了原本看不见的那些远处的星星，确定了这些星星的位置。

接下来，科学家们比对了在日食中观测到的星星的位置和它们平时的位置，也就是没有经过太阳引力场时候的位置，证实了这两个位置之间存在偏差，而且偏差数值和爱因斯坦预测的几乎完全一致。欧洲各大报纸当时都在头版刊登了这一不可思议又令人振奋的消息。爱因斯坦也因此一战成名，从一个研究晦涩物理理论的专业学者，成为了一个名声大噪的科学偶像。

战争有敌我，科学无国界

广义相对论的提出无疑是人类在探索宇宙奥秘的进程中具有划时代意义的伟大事件。但爱因斯坦却不是这个事件中惟一的英雄。广义相对论的论文是在1915年发表的，当时欧洲大陆正在打第一次世界大战。当爱因斯坦的科学界同仁们看到这篇论文时，无论他们是在前方火线的战壕，还是身处敌我对立的阵营，他们生命的中心便立刻被科学探索所占据，表现出了令人敬仰的科学家精神。那个战火纷飞的喧嚣的外部世界仿佛一下消失了。

爱因斯坦的《广义相对论》出版后不久，他的朋友，同为德国裔犹太人的伟大的天文学家和物理学家卡尔-史瓦西正作为德国陆军的中尉在东线战场上同俄国人作战。他是在前线读到爱因斯坦的这篇论文的。然后他就开始做相关的数学演算，最后竟然在战场上找出了一个解决爱广义相对论方程的精确解。

不幸的是，史瓦西在做完这些演算之后不久就染病去世了。在他的追思会上，爱因斯坦不仅感叹了史瓦西令精妙的数学知识和灵活运用数学工具解决问题的能力，他甚至把史瓦西这种求知动机上升到了审美和艺术的高度：

很显然，他源源不断的创作动机，与其说是想认识自然界中尚未被发现的关系的渴望，不如说是发现数学概念之间精美关联的那种喜悦，这种喜悦是属于艺术家的那种喜悦。

另一个更值得载入史册的英雄，是亚瑟-艾丁顿，也就是在1919年日食中通过观测太阳附近星星的位置而证实了广义相对论的那位英国天文学家。在第一次世界大战期间，英国和德国作为交战国，学术交流几乎停滞，英国人对德国科学界的进展知之甚少。时任剑桥大学天文台台长的艾丁顿在看到爱因斯坦广义相对论的论文之后，敏锐地意识到了它的意义，便开始向英语学界翻译和介绍这位德国科学家的理论。

艾丁顿是贵格会教徒，一个和平主义者。他同情战争期间为饥寒交迫的德国科学家同仁们，曾经给他们提供了很多物资援助，帮助他们挺过了战争中最艰难的岁月。也正是他后来提出了通过日食来验证爱因斯坦相对论的办法。

爱因斯坦1915年发表了广义相对论之后不久，艾丁顿就读到了他的论文。他意识到，如果这个理论能被证实的话，那将带来科学史上的重大突破。当他听说1919年5月将会出现一次日食时，他便前往非洲西海岸的普林西比岛，搭设了望远镜和摄影设备，想要通过观察星星位置的偏移来证明爱因斯坦关于“光会因引力场而弯曲”的理论假设。

回来之后，艾丁顿和同事们翻看了观测数据，冲洗了底片，发现星星在空中的位置的确发生了明显的移动。这个新闻在当时造成了轰动，登上了很多报纸的头版，大家都在惊叹“星星歪了”这件如天方夜谭般的大事，而且非但星星是歪的，连整个天空都可能是歪的！自此以后，爱因斯坦声名鹊起，成为了公众人物，风头之盛甚至盖过了在他之前包括伽利略、牛顿和达尔文在内的所有科学家。

这当然是科学史上重要的一个时刻。但它同时也是一个科学家们跨国界合作的典范。那个时刻对于所有科学家、尤其是分属敌对阵营的科学家们来说，都是个巨大的安慰。我觉得这也是这件事之所以能成为头版新闻的一个重要原因。如果只是科学家们发现了星星位置的偏移，那不会是个太令人激动和兴奋的故事。但这是在战争笼罩的气氛之下、由来自对立国的科学家们共同努力才完成的一个发现。惟其如此，它才会那么振奋人心吧。因为战争虽然有敌我，但科学却是无国界的。

从科学的“相对论”到文化的“相对主义”

爱因斯坦的相对论是科学史上的里程碑，这一点毫无疑问。但相对论中所蕴含的对世界本质中广泛存在的“相对性”的探寻、以及对很多我们已经习以为常的“绝对性”的怀疑，却超出了科学的范围，对20世纪的艺术文化领域也产生了深远的影响。

其实早在19世纪末20世纪初，伟大的人类学家弗朗兹·博厄斯就开始谈论文化的相对性问题。他认为，文化不存在什么等级之分。当时人们认为，普鲁士文化处于顶层，而殖民地文化则处于底层。但博厄斯却说：“每个文化都会使用特定的符号，都有自己的创世传说，也有着自己的种群繁衍方式。”这是现代人类学当中一种非常深刻的洞见，学者们会试着从差异和变化中发现恒常不变的东西。

当爱因斯坦提出了相对论之后，他对时空概念的颠覆性论断给一些诗人带来了很大的启发。比如意象派诗人埃兹拉庞德和他的诗人朋友威廉-卡洛斯-威廉斯就曾受到相对论的影响。这倒不是说爱因斯坦和这些诗人在具体问题上有什么共鸣，而是说他对既有权威定律的革命性批判让这些诗人很着迷。其实不光是诗歌界，整个文化艺术界都在从爱因斯坦对时空概念的重构中汲取灵感。音乐家开始尝试不一样的节奏，创作各种非常前卫的实验性的音乐作品。

要知道，自伽利略和牛顿以来，科学的基础基本没有发生什么变化。我们一直认为时间和空间都是绝对的、无垠和永恒的，在其背后似乎有着绝对的铁律和真理，也就是牛顿所谓的“上帝的感官”。但相对论把这一切都打破了。爱因斯坦说，时间并非是绝对的，并不存在这样一种恒常不变的、一以贯之的“滴答”声。“相对论”这个词本身就暗含着对伦理、政治与美学中绝对性的质疑。简而言之，相对论作为一种科学理论，大大激发了人们在文化领域里的想象力。而在此之前，从没有哪项科学成果能在文化和艺术界产生这么大的影响。

本期教授推荐书目：

彼得-加里森：《爱因斯坦的钟与庞加莱的地图：时间的帝国》

Peter Galison,Einstein's Clocks andPoincare's Maps: Empires of Time）

马修-斯坦利：《实际的神秘主义者：宗教，科学与亚瑟-艾丁顿》

Matthew Stanley,Practical Mystic: Religion,Science, and A. S. Eddington

丹尼尔-肯尼费克：《一扫疑云：验证了爱因斯坦相对论的1919年日食》

Daniel Kennefick,No Shadow of a Doubt, The1919 Eclipse That Confirmed Einstein's Theory of Relativity

本节目由喜马拉雅制作播出。本节目中文版由哈佛大学博士 杜豫白 撰稿、编译。英文版由Galen Beebe、Zachary Davis制作。