1925年，尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦在保羅·埃倫(lun) 費斯特家中討論了很多話題。玻爾-愛因斯坦之爭(zheng) 是量子力學發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，但愛因斯坦更出名的是他對相對論和質能等效的貢獻。

　　科學是人類智慧的結晶，那些最偉(wei) 大的科學家做出了尤為(wei) 重大的貢獻。不過，即使他們(men) 作為(wei) 個(ge) 人從(cong) 未存在過，他們(men) 所引領的每一項偉(wei) 大的科學進步最終都會(hui) 發生。

　　如果讓普通人說出自己腦海中印象最深刻的一位科學家，你可能最常聽到的一個(ge) 名字就是阿爾伯特·愛因斯坦。這位物理學家已經成為(wei) 20世紀標誌性的人物之一，在眾(zhong) 多科學事件發揮了舉(ju) 足輕重的作用；也許正是他親(qin) 手顛覆了主宰科學思想200多年的牛頓物理學。他最著名的方程，E = mc²，是如此有知名度，以至於(yu) 連不知其含義(yi) 的人都耳熟能詳。他因在量子物理學方麵的建樹而獲得諾貝爾獎，而他最成功的理論——廣義(yi) 相對論，即我們(men) 現在所用的引力理論——在首次提出100多年後，經受住了所有的檢驗。

　　那麽(me) ，如果愛因斯坦從(cong) 未存在過，世界會(hui) 有什麽(me) 不同？會(hui) 不會(hui) 有其他同樣偉(wei) 大的物理學家出現，並取得完全相同的成就？這些科學成就會(hui) 很快實現，還是要花更長時間，甚至於(yu) 有些可能至今都未發生？難道我們(men) 需要一個(ge) 同等份量的天才，才能實現他的偉(wei) 大成就嗎？或者，我們(men) 是否嚴(yan) 重高估了愛因斯坦的罕見性和獨特性，僅(jin) 僅(jin) 因為(wei) 他隻是在正確的時間出現在正確的地點，並擁有正確的能力，就把他提升到了我們(men) 心目中不應該的至高位置？這是一個(ge) 非常值得探索的有趣問題。就讓我們(men) 來一探究竟吧。

　　1919年，亞(ya) 瑟·愛丁頓的觀測實驗結果表明，廣義(yi) 相對論可以用於(yu) 描述大質量物體(ti) 周圍的星光彎曲，從(cong) 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證。

　　愛因斯坦之前的物理學

　　1905年被稱為(wei) 愛因斯坦的“奇跡年”，當時他發表了一係列論文，而這些論文後來為(wei) 物理學的諸多領域帶來了革命性的突破。不過，在那之前的很短時間內(nei) ，物理學取得了大量的進展，使許多長期以來關(guan) 於(yu) 宇宙的假說受到了極大的挑戰。兩(liang) 百多年來，艾薩克·牛頓在力學領域裏堪稱無人能敵，他的萬(wan) 有引力定律既適用於(yu) 太陽係中的天體(ti) ，也適用於(yu) 從(cong) 地球某座山上滾下來的球，或是從(cong) 大炮中射出的炮彈。

　　在深信牛頓學說的物理學家眼中，宇宙有著莫大的確定性。如果你能寫(xie) 下宇宙中每一個(ge) 物體(ti) 的位置、動量和質量，你就能以任意精度計算出它們(men) 在任何時刻的演變。此外，空間和時間是絕對的實體(ti) ，引力以無限的速度運動，具有瞬時效應。整個(ge) 19世紀，電磁學也發展迅速，揭示了電荷、電流、電場與(yu) 磁場甚至光本身之間的複雜關(guan) 係。有賴於(yu) 牛頓、麥克斯韋和其他許多科學家的成功，物理學的很多問題似乎都已經解決(jue) 了。

　　然而，後來的事實卻並不如人意。有些謎題似乎暗示了許多不同方向的新事物。關(guan) 於(yu) 放射性的最初發現使人們(men) 意識到，當某些原子衰變時，其質量實際上會(hui) 有所損失。衰變粒子的動量似乎與(yu) 原初粒子的動量不匹配，這表明，要麽(me) 某些過程並不守恒，要麽(me) 存在某些不可見的東(dong) 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電的電子組成。

　　較重且不穩定的元素會(hui) 發生放射性衰變，通常是以發射一個(ge) α粒子（1個(ge) 氦核）或經曆β衰變的形式（如圖所示），一個(ge) 中子轉換成質子、電子和反電子中微子。這兩(liang) 種類型的衰變都改變了元素的原子序數，產(chan) 生了與(yu) 原先元素不同的新元素，並導致產(chan) 物的質量低於(yu) 反應物的質量。

　　不過，牛頓學說麵臨(lin) 的兩(liang) 個(ge) 挑戰似乎比其他的都加重要。

　　第一個(ge) 挑戰是令人困惑的水星軌道觀測結果。其他所有行星都遵循牛頓定律，達到了測量精度的極限，而水星卻沒有。盡管考慮到近日點進動與(yu) 其他行星的影響，水星的軌道仍與(yu) 預測的結果存在很大偏差。水星每世紀的近日點進動差值為(wei) 43角秒，這使得許多人猜測水星內(nei) 側(ce) 還存在一顆行星，即“祝融星”（Vulcan，又稱火神星），但後來的研究者並未發現這顆行星。

　　第二個(ge) 挑戰可能更令人費解：當物體(ti) 接近光速時，它們(men) 就不再服從(cong) 牛頓的運動方程。如果你在一列時速100公裏的火車上以每小時100公裏的速度向前扔出一個(ge) 棒球，球的速度就將達到每小時200公裏。在直覺上，這一結果很符合你的預期，而且也得到了實驗的驗證。

　　但如果你在一輛向前行駛的火車上，向前、向後，或任何方向打出一束光，它都會(hui) 以光速移動，不管火車運動的速度如何。事實上，無論觀察者眼中光線移動的速度有多快，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(ge) 球，但火車和球的速度都接近光速，那我們(men) 一貫認為(wei) 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(hui) 是光速的120%，而是光速的大約88%。盡管我們(men) 能夠描述這一過程，但無法做出解釋。這個(ge) 時候，愛因斯坦出現了。

　　祝融星的假設位置。這顆假想的行星被認為(wei) 是19世紀觀測到的水星異常進動的原因。事實證明，祝融星並不存在，這一結果也為(wei) 愛因斯坦的廣義(yi) 相對論鋪平了道路。

　　愛因斯坦的研究突破

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

　　（1）質能方程E = mc²。當原子衰變時，它們(men) 會(hui) 失去質量。如果不守恒的話，這些質量會(hui) 去哪裏？愛因斯坦給出的答案是：質量被轉化為(wei) 了能量。此外，愛因斯坦還給出了最終的答案：質量與(yu) 能量的轉化比例就如這個(ge) 著名方程E = mc²所描述的那樣，反之亦然。從(cong) 那時起，我們(men) 就基於(yu) 這個(ge) 方程，以物質-反物質對的形式，從(cong) 純粹的能量中創造了質量。在任何情況下，E = mc²都是正確的。

　　（2）狹義(yi) 相對論。當物體(ti) 接近光速時，它們(men) 會(hui) 出現什麽(me) 樣的行為(wei) ？盡管它們(men) 以各種違背直覺的方式運動，但都可以用狹義(yi) 相對論來描述。宇宙具有一個(ge) 速度極限：真空中的光速；在真空中，所有無質量的實體(ti) 都以光速進行精確的運動。如果是具有質量的實體(ti) ，就永遠無法達到光速，隻能接近光速。狹義(yi) 相對論規定了接近光速的物體(ti) 將如何加速，如何提高或降低速度，以及時間尺度會(hui) 如何膨脹和收縮。

　　（3）光電效應。當你把光線直射到一塊導電金屬上時，它會(hui) 將金屬上最鬆散的電子“踢”出去。如果增加光線的強度，會(hui) 有更多的電子被踢出，而如果降低光線強度，則踢出的電子會(hui) 更少。但奇怪的是，愛因斯坦發現該效應並不是基於(yu) 光的總強度，而是基於(yu) 超過某個(ge) 能量閾值的光強度。紫外線隻會(hui) 引起電離，可見光和紅外線則不會(hui) 這樣，無論其強度如何。愛因斯坦證明了光的能量可以被量子化為(wei) 單個(ge) 光子，“電離光子”的數量決(jue) 定了多少電子被踢開；沒有別的方式能夠做到這一點。

　　（4）廣義(yi) 相對論。這是愛因斯坦所有革命性突破中最偉(wei) 大和最艱苦的一項：一種全新的引力理論，適用於(yu) 整個(ge) 宇宙。空間和時間不是絕對的，而是構成了一種結構；其中的所有物體(ti) ，包括所有形式的物質和能量，都在這種結構中穿行。物質和能量的存在和分布，導致了時空的扭曲和演變，反過來，扭曲的時空也決(jue) 定了物質和能量將如何運動。在牛頓學說失敗的地方，愛因斯坦的相對論經受住了考研，它解釋了水星的軌道，並預測了星光在日食期間將如何偏轉。從(cong) 廣義(yi) 相對論第一次被提出以來，還沒有任何實驗或觀測能將其推翻。

　　除了以上這些，愛因斯坦還在其他許多領域發揮了重要作用。他發現了布朗運動；他與(yu) 其他研究者共同發現了玻色子運行的統計規律；他通過愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論（簡稱EPR悖論）為(wei) 量子力學的建立做出了重大貢獻；此外，他還提出了通過蟲洞（稱為(wei) “愛因斯坦-羅森橋”）進行時空旅行的概念。可以說，愛因斯坦在科學領域的貢獻是絕對的傳(chuan) 奇。

　　在這張1934年的照片中，愛因斯坦站在黑板前，為(wei) 一群學生和旁觀者推導狹義(yi) 相對論。盡管狹義(yi) 相對論現在被認為(wei) 是理所當然的，但該理論第一次被提出時無疑具有革命性的意義(yi) 。

　　如果沒有愛因斯坦，物理學能否取得同樣的進步？

　　盡管愛因斯坦的科研生涯舉(ju) 世無雙，但我們(men) 有許多理由相信，如果沒有他，其他研究者也會(hui) 在很短的時間內(nei) 取得同樣的成就。當然，我們(men) 無法確認這一點。我們(men) 讚美“愛因斯坦式的天才”，他作為(wei) 獨一無二的例子，展示了無與(yu) 倫(lun) 比、足以改變我們(men) 對宇宙認知的能力——他確實這麽(me) 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(hui) 實現。

　　在愛因斯坦之前，早在19世紀80年代，電子的發現者、英國物理學家約瑟夫·湯姆孫便開始認為(wei) 具有移動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。這很複雜，但自學成才的英國物理學家奧利弗·亥維賽通過一組簡化的假設，對此進行了計算：他確定帶電粒子攜帶的“有效質量”與(yu) 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是4/3，與(yu) 他在1889年計算的真值1不同；弗裏茨·哈澤內(nei) 爾在1904年和1905年也計算出了同樣的結果。亨利·龐加萊在1900年獨立推導出了E = mc²，但他還未完全理解這一推導結果的含義(yi) 。

　　在沒有愛因斯坦的情況下，已經有物理學家接近完成他這個(ge) 最著名的方程；不難想象，即使沒有愛因斯坦，其他的物理學家也很有可能在短時間內(nei) 完成餘(yu) 下的任務，這是有現實依據的。

　　這張“光子鍾”的插圖顯示，當你處於(yu) 靜止狀態時（左），一個(ge) 光子如何以光速在兩(liang) 個(ge) 鏡子之間上下移動。當你向前推進（向右移動）時，光子也以光速移動，但需要更長的時間在底部和頂部鏡子之間振蕩。因此，相對運動的物體(ti) 與(yu) 靜止物體(ti) 相比，時間發生了膨脹。

　　同樣，其他物理學家也已經非常接近狹義(yi) 相對論了。邁克爾遜-莫雷實驗證明了光總是以恒定的速度移動，推翻了最流行的以太模型。亨德裏克·洛倫(lun) 茲(zi) 發現了決(jue) 定速度如何增加以及時間如何膨脹的變換方程，並與(yu) 喬(qiao) 治·菲茨傑拉德各自確定了長度在運動方向上是如何收縮的。在很大程度上，這些都是引導愛因斯坦發展出狹義(yi) 相對論的基礎。當然，的確是愛因斯坦將這一切綜合了起來。同樣，很難想象洛倫(lun) 茲(zi) 、龐加萊和其他研究電磁學和光速相互作用的人不會(hui) 取得類似的突破。即使沒有愛因斯坦，這些研究者也已經非常接近狹義(yi) 相對論了。

　　邁克耳孫幹涉儀(yi) （上圖）顯示，如果伽利略相對論是正確的，則光幹涉圖樣（下圖，實線）的變化可以忽略不計（下圖，點線）。無論幹涉儀(yi) 的方向是什麽(me) ，包括與(yu) 地球在太空中的運動方向一致、垂直或相反，光速都是一樣的

　　馬克斯·普朗克對光的研究為(wei) 光電效應的發現奠定了基礎；無論有沒有愛因斯坦，光電效應都肯定會(hui) 被發現。

　　在量子力學中，粒子可以分為(wei) 玻色子與(yu) 費米子。費米和狄拉克對費米子（玻色子之外的另一類粒子，包括誇克和輕子）進行了統計，而統計玻色子的人則是印度物理學者薩特延德拉·玻色——保羅·狄拉克為(wei) 紀念他而給出了這一命名——愛因斯坦隻是玻色信件的收信人。

　　這張銀河係中心附近恒星的20年延時圖像是由歐洲南方天文台（ESO）於(yu) 2018年發布的。可以看到，這些特征的分辨率在接近尾聲時逐漸變得銳利，靈敏度也逐漸提升；與(yu) 此同時，中心恒星一直在圍繞一個(ge) 看不見的點——銀河係的中心黑洞——運行，這些都與(yu) 愛因斯坦廣義(yi) 相對論的預測相符

　　可以說，如果沒有愛因斯坦，量子力學一樣也會(hui) 發展得很好。

　　當然，廣義(yi) 相對論是最重要的。愛因斯坦已經掌握了狹義(yi) 相對論，開始著手研究引力。1907年，愛因斯坦提出了著名的等效原理——加速運動所受到的慣性力與(yu) 引力在本質上是等價(jia) 的，觀察者無法對二者進行區分。愛因斯坦本人將這一原理稱為(wei) “他最感快樂(le) 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(yi) 相對論應用到水星軌道上，發現可以解釋觀測到的大約20%的“額外”近日點進動；

　　無論是在一枚加速的火箭當中（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(ge) 例證。在局部區域測量加速度的結果表明，重力加速度和其他形式的加速度之間沒有區別；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(liang) 種情況將產(chan) 生相同的實驗結果。

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

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

　　·也許最令人信服的是，數學家大衛·希爾伯特也在研究非歐幾何，並提出了一個(ge) “作用量”，與(yu) 愛因斯坦為(wei) 引力背景下的運動所提出的作用量實際上是等同的，之後該作用量又引出了愛因斯坦引力場方程。盡管希爾伯特並沒有完全正確地理解其中的物理含義(yi) ，但我們(men) 今天仍然稱之為(wei) “愛因斯坦-希爾伯特作用量”。

　　在愛因斯坦取得的所有科學成就中，廣義(yi) 相對論尤為(wei) 超前。當愛因斯坦提出該理論時，其他同輩科學家還遠遠落後於(yu) 他。不過，盡管可能落後幾年甚至幾十年，但毋庸置疑的是，有一些科學家已經非常接近愛因斯坦的思維，並且正沿著相同的路線展開思考。這讓我們(men) 相信，即使沒有愛因斯坦，廣義(yi) 相對論最終也會(hui) 出現在人類的星空体育官网入口网站領域中。

　　對於(yu) 科學的發展，人們(men) 往往習(xi) 慣於(yu) 這樣一種敘述：某個(ge) 人憑借天才般的靈光一現，就發現了其他所有人都忽略的關(guan) 鍵突破或思維方式；如果沒有這樣一個(ge) 人，人類就永遠無法積累起非凡的星空体育官网入口网站成就。

　　這個(ge) 動畫顯示了當一個(ge) 質量實體(ti) 穿過時空時，時空會(hui) 如何反應；從(cong) 定性的角度來看，時空不僅(jin) 僅(jin) 是一個(ge) 結構整體(ti) ，而是整個(ge) 空間本身會(hui) 因宇宙中物質和能量的存在及其屬性而發生扭曲。請注意，在描述時空結構的時候，我們(men) 不僅(jin) 需要知道大質量物體(ti) 的位置，還必須知道該質量在整個(ge) 時間中的位置。瞬時位置和過往位置決(jue) 定了物體(ti) 在宇宙中運動時所受到的力，這使得廣義(yi) 相對論的微分方程比牛頓的理論還要複雜。

　　然而，當我們(men) 更細致地審視這些科學研究時，就會(hui) 發現，許多科學成就在出現之前，就已經包含了眾(zhong) 多研究者的貢獻。事實上，當我們(men) 回顧曆史時，會(hui) 發現同一時期已經有很多人取得了相似的認識。阿列克謝·斯塔羅賓斯基在阿蘭(lan) ·古斯之前，就已經把許多關(guan) 於(yu) 宇宙暴脹的理論成果綜合在一起；在哈勃之前，喬(qiao) 治斯·勒梅特和霍華德·羅伯遜就構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·費曼之前就完成了量子電動力學的計算。

　　在許多引人注目的物理學前沿問題上，愛因斯坦是第一個(ge) 跨越終點線的人。但如果他從(cong) 來沒有來到這個(ge) 世界上，也會(hui) 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屬於(yu) 他的耀眼天才，但幾乎可以肯定的是：天才並不像我們(men) 通常認為(wei) 的那樣獨特和罕見。通過大量的努力和一點點運氣，幾乎任何受過適當訓練的科學家，隻要在正確的時間找到正確的方法，就能取得革命性的突破。

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