讓愛因斯坦教你看懂

讓愛因斯坦教你看懂《星際穿越》戰(zhàn)爭(zhēng)下的廣義相對(duì)論愛因斯坦1914年6月2日在柏林普魯士科學(xué)院發(fā)表院士就職演說(shuō)，話音未落，8月1日第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，德國(guó)絕大部分知識(shí)精英立刻狂熱投身“愛國(guó)”熱潮，愛因斯坦卻冒天下之大不韙加入反戰(zhàn)聯(lián)盟“新祖國(guó)”，并毫不猶豫地在反戰(zhàn)的“致歐洲人宣言”上簽名，立遭廣大“愛國(guó)”科學(xué)家瘋狂圍攻。在德國(guó)科學(xué)家充滿“愛國(guó)”熱情的歇斯底里圍剿之下，在人類第一次全球大規(guī)模屠殺同類的腥風(fēng)血雨之中，愛因斯坦在柏林完成廣義相對(duì)論，并于1915年11月4、11、18和25日分4次在普魯士科學(xué)院宣讀結(jié)果。因此，按知識(shí)產(chǎn)權(quán)分，廣義相對(duì)論確實(shí)要算職務(wù)發(fā)明。德國(guó)人宣布愛因斯坦是德國(guó)人，從知識(shí)產(chǎn)權(quán)來(lái)看，不能說(shuō)完全沒道理。1916年3月愛因斯坦53頁(yè)的“廣義相對(duì)論基礎(chǔ)”發(fā)表于《物理學(xué)刊》，其基礎(chǔ)即愛因斯坦三年前與數(shù)學(xué)家格羅斯曼共同署名的論文“廣義相對(duì)論綱要和引力論”。那篇論文由愛因斯坦負(fù)責(zé)物理部分，格羅斯曼則負(fù)責(zé)將其歸納為數(shù)學(xué)方程式。這本專著標(biāo)志著廣義相對(duì)論誕生。同年，愛因斯坦決定將11年前（奇跡年）發(fā)現(xiàn)的相對(duì)論定名“狹義相對(duì)論”，而新的理論定名“廣義相對(duì)論”。因此，廣義相對(duì)論純粹是戰(zhàn)爭(zhēng)下的蛋。但這個(gè)蛋卻下了人類全新的宇宙。廣義相對(duì)論被譽(yù)為人類歷史上單個(gè)科學(xué)家所取得的最偉大的科學(xué)成就。講愛因斯坦也躲不過(guò)廣義相對(duì)論，在下這個(gè)業(yè)余愛因斯坦愛好者就再次麻起膽子來(lái)講下鄙人理解的極簡(jiǎn)版科普相對(duì)論。再次聲明，說(shuō)錯(cuò)了不負(fù)刑事責(zé)任啊。什么叫物理學(xué)？物理學(xué)聽起來(lái)很高深。漢語(yǔ)什么東西加個(gè)“學(xué)”就不得了，其實(shí)“物理”就是“世界萬(wàn)物到底是什么？”它是跟我們關(guān)系最密切的科學(xué)，因?yàn)槊總€(gè)人都會(huì)問(wèn)“太陽(yáng)是什么？”，“地球是什么？”，“人為什么會(huì)死？”物理學(xué)源于古希臘圣哲亞里斯多德，其代表作之一即《物理學(xué)》（physic），其哲學(xué)稱為“metaphysic”，譯為“形而上學(xué)”，其實(shí)按字源說(shuō)意思是“物理之后”。就是說(shuō)，先有物理，后有哲學(xué)。從根兒上說(shuō)，最機(jī)智的相對(duì)論科普版來(lái)自愛因斯坦本人。他晚年對(duì)青年學(xué)生說(shuō)：“如果你和一個(gè)美女一起坐了兩小時(shí)，你會(huì)認(rèn)為僅僅過(guò)了一分鐘；如果你在通紅的火爐上坐了一分鐘，你會(huì)認(rèn)為已經(jīng)過(guò)了兩小時(shí)。這就是相對(duì)論?！毕鄬?duì)論的偉大并不僅僅在于它說(shuō)明了美女和屁股及火爐的關(guān)系，而是超越了此前人類歷史上最偉大的科學(xué)理論：牛頓力學(xué)。那么，哪個(gè)是牛頓？牛頓是亞里斯多德之后物理學(xué)世界第一大師。就物理而言，愛因斯坦的偉大還要超過(guò)亞里斯多德。問(wèn)個(gè)問(wèn)題：一個(gè)10公斤鉛球和一個(gè)1公斤鉛球同時(shí)掉下來(lái)，哪個(gè)先落地？像我這樣的科盲想都不會(huì)想就會(huì)說(shuō)10公斤鉛球先落地。亞里斯多德也這樣說(shuō)。他這句話人類信了將近兩千年。其實(shí)不確。17世紀(jì)初出了個(gè)欺師滅祖的伽利略，這個(gè)楞頭青從比薩斜塔上同時(shí)扔下大小倆鐵球，兩者同時(shí)落地，大家才發(fā)現(xiàn)亞里斯多德說(shuō)得不對(duì)。伽利略1642年去世，同年他的轉(zhuǎn)世靈童牛頓出生。按金庸說(shuō)法，轉(zhuǎn)世靈童功力都比前世更高。牛頓證明金庸是對(duì)的。牛頓被公認(rèn)為英國(guó)至今最偉大的科學(xué)家，身兼物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家等一大堆家，提出著名的萬(wàn)有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)三定律，后者更被譽(yù)為人類歷史上最偉大的十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一?？垂夙氈?，公元1500年時(shí)地球上大部分人的生活與公元前1500的人差不多，然而，這之后的500年，人類陷入翻天覆地的偉大革命之中，至今尚未結(jié)束。這革命幾乎都?xì)w功于科學(xué)，而揭竿而起發(fā)動(dòng)這場(chǎng)科學(xué)革命的，就是牛頓。牛頓之前歐洲知識(shí)界是神學(xué)天下，當(dāng)時(shí)歐洲人咸以為人類對(duì)世界的一切認(rèn)識(shí)都來(lái)自上帝，亞當(dāng)夏娃被逐出伊甸園，就是因?yàn)樗麄z結(jié)伙偷吃智慧之樹上的蘋果，不依靠上帝就可以認(rèn)識(shí)世界，嚴(yán)重得罪上帝老倌兒，所以他倆的后代一一就是俺們一一就有了“原罪”，即生下來(lái)就是罪犯，俺們活著就是為了贖這個(gè)罪。幾百年后傳言牛頓被同一棵樹上掉下來(lái)的蘋果擊中腦袋，于是有了萬(wàn)有引力。牛頓力學(xué)代表作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（1687，康熙二十五年）在好友、天文學(xué)家哈雷（后來(lái)有個(gè)老來(lái)騷擾地球的大尾巴彗星就以他命名）的再三堅(jiān)持下才勉強(qiáng)拿去付印，結(jié)果一炮而紅。該書最基本的觀念就是“絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間”：在絕對(duì)空間中，空間和時(shí)間都固定不動(dòng)。這個(gè)話現(xiàn)在說(shuō)起來(lái)稀松平常，當(dāng)時(shí)卻是個(gè)超級(jí)原子彈。此前歐洲人深信宇宙是上帝老倌兒替俺們安排好了的，當(dāng)然包括空間和時(shí)間，怎么會(huì)“絕對(duì)”？“絕對(duì)”的意思就是它們跟上帝沒關(guān)系。牛頓擔(dān)任英國(guó)皇家學(xué)會(huì)主席長(zhǎng)達(dá)24年，被視為世界上活著的最偉大的人。當(dāng)時(shí)世界科學(xué)水平的代表是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，而這個(gè)學(xué)會(huì)全體成員畢恭畢敬屏息吞聲地傾聽牛頓每一句模糊不清的話；他不點(diǎn)頭，任何人不能當(dāng)選皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。牛頓62歲封爵，1727年3月去世后下葬英國(guó)名人封神榜西敏寺，墓志銘直接就是萬(wàn)年馬屁：“讓人類歡呼如此偉人曾經(jīng)光臨塵世”。出生晚牛頓45年、素以狂放不羈著稱的英國(guó)詩(shī)人蒲伯只表?yè)P(yáng)過(guò)一個(gè)科學(xué)家，就是牛頓，其頌詞等于諂媚：“自然界和自然規(guī)律都隱藏在黑暗之中，上帝說(shuō)，讓牛頓出生吧！于是一切都是光明！”因此，哪個(gè)是牛頓？牛頓，就是上帝之下、人類之上的那個(gè)半人半神。但這個(gè)半人半神最著名的科學(xué)論斷“絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間”有明顯毛?。骸敖^對(duì)”就是不依賴于任何事物而獨(dú)立存在，可如果它們跟任何事物都沒關(guān)系，那我們?cè)跄苤朗澜缟洗嬖跁r(shí)間和空間呢？這問(wèn)題牛頓答不上來(lái)，最后只好推給上帝，宣布絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間是上帝創(chuàng)造的。這個(gè)毛病太明顯，所以批牛頓的人絡(luò)繹不絕。德國(guó)哲學(xué)家萊布尼茨批了一回，沒批倒，19世紀(jì)奧地利物理學(xué)家馬赫又批了一回，還是沒批倒。愛因斯坦橫空出世之前，以“絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間”為金字招牌的牛頓力學(xué)經(jīng)兩百多年發(fā)展已臻完美，在解決地球上低速運(yùn)動(dòng)物理問(wèn)題時(shí)取得了無(wú)以倫比的輝煌成就，直到20世紀(jì)初，“絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間”在物理學(xué)界依舊神圣不可侵犯，當(dāng)時(shí)物理學(xué)家都認(rèn)為“后世物理學(xué)家可做的事情已經(jīng)不多了！”愛因斯坦發(fā)現(xiàn)相對(duì)論毫無(wú)跟牛頓過(guò)不去的意思，但相對(duì)論卻處處跟牛頓的萬(wàn)有引力過(guò)不去。舉個(gè)例子：詹姆斯大力傳球給你，你能看到籃球吧？可牛頓力學(xué)說(shuō)速度必然相加，因此球出了詹姆斯手之后就有一個(gè)向你而來(lái)的球速，這時(shí)球反射到你眼中的速度就是光速+球速。如果真是這樣，我們根本沒法兒看籃球賽，因?yàn)檠劬Φ倪\(yùn)動(dòng)只能達(dá)到光速，永遠(yuǎn)跟不上加了一個(gè)球速的籃球。廣義相對(duì)論正是源于對(duì)這個(gè)問(wèn)題的追根究底：如果光速不變，時(shí)間和距離必須是變量，我們才能看NBA。因此，時(shí)間和空間肯定不是固定不變的，也就是說(shuō)，它們不是絕對(duì)的。愛因斯坦的結(jié)論是：時(shí)間、距離會(huì)因運(yùn)動(dòng)快慢而變化。地球上過(guò)了一小時(shí)，在一艘以每秒26萬(wàn)公里飛行的飛船上，鐘才走了5分鐘。這理論聽起來(lái)科幻，實(shí)際上石破天驚，因?yàn)樗蚱屏伺ｎD的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間，也就從側(cè)面否定了上帝的存在。廣義相對(duì)論的正式發(fā)表，一石激起千層浪，牛頓力學(xué)一統(tǒng)天下200多年的物理學(xué)界當(dāng)場(chǎng)分裂。看官須知，1905年狹義相對(duì)論的出生仿佛如鯁在喉，不吐不快，全世界物理學(xué)家都沒日沒夜為伊消得人憔悴，因?yàn)榇蠹叶济靼?，此劍不出物理學(xué)徹底沒的玩兒了，愛因斯坦捷足先登，不過(guò)證明他才思敏捷。廣義相對(duì)論的出現(xiàn)完全不同。它象晴天霹靂一樣沒有任何先兆，它是愛因斯坦天才最強(qiáng)有力的證據(jù)?？梢哉f(shuō)，沒有愛因斯坦，今天咱們也未必就能發(fā)現(xiàn)它。即使沒有廣義相對(duì)論，也不妨礙火箭發(fā)射、衛(wèi)星上天和計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。但是，廣義相對(duì)論繼狹義相對(duì)論之后，又一次掀起了人類時(shí)空觀大革命。這場(chǎng)大革命到底有多大？翻開初中一年級(jí)幾何課本，扉頁(yè)里就是人所共知的平行公理：“在平面內(nèi)，過(guò)已知直線外一點(diǎn)，只有一條直線和已知直線平行?！睔W幾里德幾何第5公設(shè)！公元前300年歐幾里德將它寫入《幾何原本》，它和其它幾個(gè)公理組成的歐幾里德幾何橫掃世界，隨之導(dǎo)出的大批定理已成人類根深蒂固的觀念：三角形內(nèi)角和等于180度，直角三角形斜邊長(zhǎng)度的平方等于兩直角邊的平方（勾股定理），等等。歐幾里德幾何是人類創(chuàng)立千年完美數(shù)學(xué)大廈最重要的那塊兒基石，人類文明中，從平常無(wú)奇的桌椅到氣勢(shì)恢弘的宮殿，從隨時(shí)可能毀滅人類的原子彈到俯瞰人間的衛(wèi)星，無(wú)不閃爍著歐幾里德幾何直線的耀眼光彩。AnymoreQuestion？1加1難道不等于2嗎？結(jié)果，18世紀(jì)末德國(guó)出了個(gè)“數(shù)學(xué)王子”高斯，他就不擇冒昧出來(lái)question了一下。他是第一個(gè)懷疑歐幾里德幾何的數(shù)學(xué)家。他與俄羅斯的羅巴切夫斯基和匈牙利的波爾約分別獨(dú)立提出非歐幾何，經(jīng)艱苦論證，終創(chuàng)與歐氏幾何分庭抗禮的非歐幾何。正是非歐幾何救了愛因斯坦。他發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論之后大吃一驚，因?yàn)閺V義相對(duì)論得出的幾何結(jié)果實(shí)在太出意料，連他自己也不大相信。幸虧格羅斯曼向愛因斯坦介紹了非歐幾何之后的黎曼幾何，愛因斯坦方茅塞頓開。看官須知，如果讓愛因斯坦自己再去創(chuàng)立一套新幾何，縱有格羅斯曼力助，也勢(shì)如挾泰山以超北海，在所不能。想當(dāng)年，高斯的高足黎曼為這套幾何可是耗盡了一生的心血。這黎曼也是德國(guó)人，他緊跟老師高斯徹頭徹尾跟歐幾里德唱反調(diào)，黎曼幾何最基本的原則就是：“在同一平面內(nèi)，任何兩條直線都有交點(diǎn)”。What？黎曼根本不承認(rèn)平面內(nèi)存在平行線！黎曼幾何告訴愛因斯坦童鞋，我們的宇宙并非只有長(zhǎng)、寬、高三維，還得加上時(shí)間，因此它是四維時(shí)空。這個(gè)四維時(shí)空并非人類一直相信的那樣平直，而是一個(gè)彎曲空間。說(shuō)了半天，到底啥子是“彎曲空間”？彎曲空間就是，如果你站在地球邊上向宇宙發(fā)出一束光，若干年后，如果地球還存在的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)光從你背后繞了回來(lái)。愛因斯坦是對(duì)的：宇宙空間遵循的是黎曼幾何，而不是歐幾里德幾何。當(dāng)你精確測(cè)量空間三點(diǎn)連成的三角形之內(nèi)角和，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它大于180度。歐幾里德空間是平直的，而黎曼空間是彎曲的，彎曲程度取決于空間中物質(zhì)的分布，物質(zhì)密度越大的地方（比如有個(gè)銀河系或黑洞懸在那兒），引力就越大，相應(yīng)地，空間彎曲就越厲害。兩點(diǎn)之間直線最短，這句話沒問(wèn)題吧？實(shí)際上，兩點(diǎn)之間最短的是條曲線，即愛因斯坦提出的“世界線”。么么噠，啥子是世界線？在地圖上的北京與紐約之間劃條最短的線，那是條直線，遵循的是歐幾里德歐幾何°Allright？可你找個(gè)地球儀，再在北京與紐約之間畫條線，你會(huì)發(fā)現(xiàn)那是條曲線。為啥子？因?yàn)榈厍蚴菆A的！它只在地圖上才是平的。在真正的地球上，北京與紐約之間最短的線不是直線，而是一條曲線，這段距離稱之為“度規(guī)”（metric）。光線的傳播同理。在宇宙中，光線在引力影響下發(fā)生彎曲，意味著兩點(diǎn)之間最短距離是曲線一一世界線。世界線涉及到等效原理。啥子是等效原理？想當(dāng)年還沒有狹義相對(duì)論，物理學(xué)家研究加速運(yùn)動(dòng)把后腦勺都撓爛了。1907年德國(guó)諾貝爾獎(jiǎng)獲主斯塔克約愛因斯坦給他編輯的《輻射學(xué)年鑒》寫篇文章介紹狹義相對(duì)論，結(jié)果，愛因斯坦“坐在伯爾尼專利局辦公桌前椅子上”思考這篇文章時(shí)，那個(gè)幸福的靈感突然降臨：一個(gè)人從屋頂摔下來(lái)時(shí)，他無(wú)法感覺到自己的體重?？垂俨恍牛磕遣环磷约号郎?8層樓頂摔下來(lái)一回試試，反正物理上這點(diǎn)已被驗(yàn)證。此即等效原理。愛因斯坦在《輻射學(xué)年鑒》發(fā)表的這篇狹義相對(duì)論論文“相對(duì)性原理及其結(jié)論”提出著名的“封閉箱”：在完全封閉的箱子中，觀察者無(wú)法確定他自己究竟是靜止呆在一個(gè)引力場(chǎng)中，還是處在沒有引力場(chǎng)卻在做加速運(yùn)動(dòng)的空間中。此即慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量“等效”。到底是啥子意思嘛？意思就是：如果馮教授今天被所有22個(gè)女朋友集體甩了，憤而跳下162層高的迪拜塔自殺，跳下時(shí)扔出身上帶的222根兒每根兒重22公斤的金條，這些金條將跟馮教授同時(shí)下落。在落地摔得腦漿迸裂之前，如果馮教授倆眼兒只盯著金條，他根本無(wú)法判斷自己和金條到底是在同時(shí)下落呢，還是跟金條一起在空中自由漂浮。翻譯成愛因斯坦的話，就是：馮教授自由下落時(shí)看著金條的這個(gè)小參照系“等效于”沒有引力作用時(shí)的慣性（大）參照系（迪拜塔和地球）。根據(jù)等效原理，愛因斯坦提出高速運(yùn)動(dòng)會(huì)讓時(shí)間變慢。正是在這一點(diǎn)上，廣義相對(duì)論超過(guò)了狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論把相對(duì)性擴(kuò)展到時(shí)間與空間，即時(shí)間的快慢取決于運(yùn)動(dòng)的速度；而廣義相對(duì)論再進(jìn)一步，把相對(duì)性擴(kuò)展到慣性系與非慣性系，于是，時(shí)間的快慢不僅取決于運(yùn)動(dòng)速度，還要取決于物質(zhì)分布的密度。廣義相對(duì)論用空間結(jié)構(gòu)的幾何性質(zhì)來(lái)描寫引力場(chǎng)，一統(tǒng)幾何與物理。在這個(gè)四維時(shí)空中，引力速度等于光速。廣義相對(duì)論證明，我們之所以只能看見三維空間，是因?yàn)槿祟愃季S早已習(xí)慣三維空間，我們只想看見三維空間。說(shuō)了半天，愛因斯坦發(fā)明這一堆理論，到底是啥子意思三？愛因斯坦的意思是:萬(wàn)有引力根本就不是力!牛頓認(rèn)為太陽(yáng)吸引地球，而地球吸引蘋果，最后蘋果掉下來(lái)砸到牛頓腦袋上。事實(shí)居然并非如此！無(wú)論地球還是蘋果，它們都不過(guò)是義無(wú)反顧地選擇了最近的路，而它們的路之所以是彎的，以至我們錯(cuò)誤地認(rèn)為它們受到萬(wàn)有引力的影響，僅僅是因?yàn)槿魏挝矬w的存在都會(huì)導(dǎo)致自己周圍的空間彎曲，重量巨大的物體（如黑洞或銀河系）會(huì)使空間明顯彎曲。換句話說(shuō)，如果宇宙中什么東西都沒有，它就是平直的歐幾里德空間；它之所以是彎的，就是因?yàn)榇嬖诤诙?、銀河系、馮八飛教授這些東西。舉個(gè)例子：我們把床單繃在長(zhǎng)方形框架上，然后放個(gè)橙子，它會(huì)凹陷下去，之后我們?cè)俜乓粋€(gè)小石子，石子會(huì)自動(dòng)滾向凹洞中的橙子。這并非因?yàn)槌茸泳哂小叭f(wàn)有引力”而吸引了石子，而是橙子在床單上壓出的那個(gè)坑讓石子義無(wú)返顧地選擇最短的路順著坑壁滾了下去。地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，蘋果落向牛頓的腦袋，同理。廣義相對(duì)論誕生過(guò)程的惟一現(xiàn)場(chǎng)目擊者是愛因斯坦第二任妻子羅愛莎。她曾向卓別林講述，后被卓別林記入自傳，原文是這樣的：博士像往常那樣穿著睡袍下樓吃早餐，可那天他什么都沒吃。我想一定出了什么大事兒，于是就問(wèn)到底啥事兒讓他魂不守舍？他回答說(shuō)：“親愛的！我突然有了個(gè)巧妙的想法?！焙韧昕Х群笏呷椾撉?，幾次停下來(lái)在紙上記錄，然后重復(fù)說(shuō)：“我有了個(gè)巧妙想法，非常奇妙的想法?！彼f(shuō)：“這很困難，我仍需工作。”他繼續(xù)彈鋼琴，并在紙上寫來(lái)寫去。半小時(shí)后他上樓去書房，告訴我不要打擾他。他一直留在書房里兩個(gè)星期，每天我上樓給他送飯，傍晚時(shí)他散一會(huì)兒步當(dāng)作運(yùn)動(dòng)，回來(lái)繼續(xù)工作。最后，他走下樓來(lái)，把兩張紙放在桌上，臉色蒼白地說(shuō)：“這是我的發(fā)現(xiàn)?！边@就是廣義相對(duì)論！為什么說(shuō)廣義相對(duì)論偉大?因?yàn)閺V義相對(duì)論解決了人類的兩大問(wèn)題。第一個(gè)是引力。狹義相對(duì)論圓滿解釋力學(xué)、熱力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)物理規(guī)律，卻無(wú)法圓滿解釋引力。牛頓的引力理論是超距的，他認(rèn)為兩個(gè)物體之間引力的傳遞是瞬時(shí)的，即傳遞速度無(wú)窮大，而廣義相對(duì)論認(rèn)為光速恒定30萬(wàn)公里。第二個(gè)是非慣性系。狹義相對(duì)論與牛頓力學(xué)以及其它物理學(xué)原理一樣只適用于慣性系，但事實(shí)上我們很難找到完全的“慣性系”。例如狹義相對(duì)論無(wú)法解釋“雙胞胎佯謬”:雙胞胎的哥哥乘宇宙飛船以亞光速航行，高速運(yùn)動(dòng)讓時(shí)間變慢，哥哥回到地球時(shí)弟弟已經(jīng)比哥哥老多了。這事兒大家都知道。可大家不知道的是，按照相對(duì)性原理，飛船相對(duì)于地球高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上也等于地球相對(duì)于飛船高速運(yùn)動(dòng)，弟弟看哥哥變年輕了，哥哥看弟弟也應(yīng)該年輕了。因此他倆看上去應(yīng)當(dāng)一樣。這問(wèn)題簡(jiǎn)直沒法兒回答。那么，狹義相對(duì)論錯(cuò)了嗎？沒錯(cuò)。這里的問(wèn)題就出在慣性系。狹義相對(duì)論討論的運(yùn)動(dòng)，其速度都是恒定的（即慣性系），而雙胞胎哥哥要回地球，他乘坐的飛船必須減速（即非慣性系）才能降落地球?？瑟M義相對(duì)論并不討論減速運(yùn)動(dòng)的事兒，因此無(wú)法解釋雙胞胎佯謬。廣義相對(duì)論介末偉大，可它對(duì)我們?nèi)祟惖降子猩队媚?？無(wú)用之用相對(duì)論馮八飛上回說(shuō)到廣義相對(duì)論是人類有史以來(lái)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。那么，這個(gè)最偉大的理論到底有啥用？啥用都沒有。它既不能讓我們變得年輕漂亮，也不能讓我們大吃大喝同時(shí)減肥，更不能幫助我們找到又輕松掙得又多的工作。世界上真正偉大的東西，通常都沒有實(shí)際的用處。沒聽說(shuō)過(guò)無(wú)用之用？廣義相對(duì)論的用處無(wú)窮，經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)版面金貴，我就在這里挑些我覺得重要的說(shuō)下。廣義相對(duì)論最大的用處，不過(guò)就是告訴我們，宇宙到底是啥樣。夠不夠有用！看官須知，直到1917年，整個(gè)人類最聰明的大腦包括偉大的牛頓，都認(rèn)為我們的銀河系就是整個(gè)宇宙，而且這個(gè)宇宙永遠(yuǎn)固定不變。從有人類這種東西開始，我們最大的問(wèn)題就是：為什么有我們？為什么有這個(gè)世界？為什么月球不離開地球，地球也不離開太陽(yáng)？基督教說(shuō)，上帝規(guī)定月球與地球必須呆在一起。牛頓說(shuō)，是因?yàn)槿f(wàn)有引力。愛因斯坦說(shuō)，那是因?yàn)榭臻g彎曲。牛頓說(shuō)引力是了解宇宙萬(wàn)物的紐帶，引力將太陽(yáng)和地球吊在空間中，并且自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)。愛因斯坦說(shuō)，其實(shí)宇宙根本沒什么萬(wàn)有引力，那是我們?nèi)庋劭床灰姷目臻g彎曲造成的假象。牛頓認(rèn)為宇宙空間是平直的。愛因斯坦認(rèn)為宇宙就象一張繃在方框上的床單，質(zhì)量巨大的星系就象放在這張床單上的鉛球。鉛球在床單上壓出的坑，豎起來(lái)看就相當(dāng)于哈哈鏡，而光線通過(guò)這些哈哈鏡時(shí)會(huì)使我們產(chǎn)生宇宙廣闊無(wú)邊的幻覺。愛因斯坦預(yù)言，如果我們站的位置合適，我們可以看見一個(gè)遙遠(yuǎn)星體的數(shù)個(gè)幻像。這就是天文學(xué)上著名的引力透鏡”，后來(lái)被天文學(xué)證實(shí)，我們才知道：空間居然真的彎曲！我們這時(shí)才發(fā)現(xiàn)，牛頓不過(guò)看見了自己的鼻子尖，而愛因斯坦看見了萬(wàn)里之外的大海。如此開闊而精彩的大海！空間可以彎曲，我們很難理解，因?yàn)槲覀兩钤诼俚厍蛏希惺懿坏娇臻g是彎曲的。牛頓的萬(wàn)有引力之所以容易理解，就是因?yàn)樗⒃谌祟惾粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)之上。牛頓不僅認(rèn)為太陽(yáng)系是平的，他認(rèn)為宇宙也是平的，所以他帶領(lǐng)我們發(fā)現(xiàn)了三維世界，即萬(wàn)物都有長(zhǎng)、寬、高。牛頓提出的萬(wàn)有引力是物理學(xué)的偉大革命，問(wèn)題是一直到這場(chǎng)革命結(jié)束他都無(wú)法說(shuō)明引力來(lái)自何處。史上最大的科學(xué)暴動(dòng)發(fā)起人牛頓用萬(wàn)有引力否定了上帝，但這個(gè)偉大的暴動(dòng)者最后卻不得不回到上帝溫暖的身邊：牛頓宣布引力源于上帝。西方文明老祖兒亞里斯多德認(rèn)為世界轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)自“第一推動(dòng)者”，基督教神學(xué)狂批亞里斯多德幾百年后出了個(gè)意大利神父阿奎那，他宣布亞里斯多德的“第一推動(dòng)者”就是上帝（其實(shí)亞里斯多德本人從未說(shuō)過(guò)這句話），歐洲歷史上最為黑暗的政教合一中世紀(jì)隨這句話降落人世。順便說(shuō)一句，這個(gè)阿奎那是中世紀(jì)天主教最偉大的神學(xué)家之一，著作據(jù)說(shuō)達(dá)1,500萬(wàn)字。愛因斯坦根本否認(rèn)宇宙空間是平的，他認(rèn)為宇宙就象一幅放了無(wú)數(shù)棉花球和鉛球的床單，床單被這些球壓出深淺不一的坑。牛頓之所以認(rèn)為宇宙是平的，是因?yàn)樗豢吹搅藥缀鯄翰怀隹拥拿藁ㄇ颉厍?。想在宇宙空間中壓出明顯的坑來(lái)，需要巨大的質(zhì)量（即重量）。太陽(yáng)這么大的星球也只能壓出幾個(gè)原子大小的坑（即坑深只相當(dāng)于幾個(gè)原子的直徑），這樣的坑，我們用現(xiàn)在最先進(jìn)的儀器也測(cè)不出來(lái)。所以，要找到地球人看得見的坑，必須放眼整個(gè)宇宙。相對(duì)論的第二個(gè)用處是發(fā)現(xiàn)黑洞。廣義相對(duì)論問(wèn)世后德國(guó)物理學(xué)家史瓦西證明，如果把太陽(yáng)壓縮成半徑3公里的球體，引力的強(qiáng)烈擠壓會(huì)使太陽(yáng)密度無(wú)限增大，隨后產(chǎn)生災(zāi)難性崩塌，使太陽(yáng)的時(shí)空變得無(wú)限彎曲，在這樣的時(shí)空中，連光都不能逃出來(lái)！由于無(wú)法反射光，崩塌后的太陽(yáng)與宇宙就分割成兩個(gè)截然不同的區(qū)域，而那個(gè)分割的球面就是“黑洞視界”，即我們眼睛能看到的盡頭，超過(guò)這個(gè)盡頭，我們就看不見了。也就是說(shuō)，如果太陽(yáng)變成黑洞，我們站在地球上就看不到太陽(yáng)，卻能看見太陽(yáng)前后的其它星球。這就是黑洞！以他命名的“施瓦西度規(guī)”說(shuō)，當(dāng)我們接近黑洞達(dá)到一定半徑之后，時(shí)空彎曲會(huì)變得無(wú)窮大，這時(shí)我們不再像是下緩坡，而是突然從懸崖邊上掉下去了——你走得太遠(yuǎn)了，已經(jīng)無(wú)法找到回家的路。此即“施瓦西半徑”，即黑洞的半徑。任何東西包括光線進(jìn)入施瓦西半徑后將無(wú)法逃走，最后一定會(huì)被黑洞撕碎吞掉。黑洞質(zhì)量巨大，最大黑洞的質(zhì)量據(jù)說(shuō)超過(guò)太陽(yáng)10億倍?？垂夙氈?，太陽(yáng)相當(dāng)于130萬(wàn)個(gè)地球！130萬(wàn)乘10億，相當(dāng)于多少，大家可以拿手機(jī)自己算下。如果黑洞是地球，地球大概相當(dāng)于一粒芝麻。然后，這粒芝麻上還有很多細(xì)菌那么大根本看不見的小人兒，因?yàn)闆]當(dāng)上處長(zhǎng)或者沒發(fā)財(cái)而郁郁一生！有意思的是，當(dāng)時(shí)所有科學(xué)家，包括愛因斯坦本人和證實(shí)相對(duì)論的愛丁頓，全體斷然否認(rèn)存在黑洞。愛因斯坦還宣布他可以證明沒有任何星體可以達(dá)到密度無(wú)限大。黑洞這個(gè)名稱也是50年之后才由美國(guó)物理學(xué)家惠勒命名的。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)黑洞并非星球，它只是宇宙中的一塊兒地方，這地方跟宇宙互不通連，黑洞視界將它們徹底分隔。黑洞視界以外光可以任意相互了解，就是說(shuō)我們可以看見所有的東西，這就是我們的宇宙。黑洞視界以內(nèi)，光線不能自由傳播，而是向中心集聚，這就是黑洞。在黑洞內(nèi)部，物體向黑洞墜落的過(guò)程中潮汐力越來(lái)越大，在中心區(qū)域，其引力和起潮力都是無(wú)限大。因此，在黑洞中心，除了質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量以外，原子、分子等等都將分崩離析，根本不存在我們?nèi)祟愐阎娜魏挝矬w”。在黑洞中心，全部物質(zhì)被極為緊密地?cái)D壓成為一個(gè)體積無(wú)限趨近于零的幾何點(diǎn)，任何強(qiáng)大的力量都不可能把它們分開。這就是“奇點(diǎn)”！廣義相對(duì)論無(wú)法說(shuō)明“奇點(diǎn)”，量子論才能說(shuō)明，于是令人啼笑皆非的情況出現(xiàn)了：廣義相對(duì)論發(fā)現(xiàn)了黑洞，卻在'奇點(diǎn)”失效，被迫讓位給量子論，可廣義相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)者愛因斯坦與量子論的發(fā)現(xiàn)者玻爾，卻水火不相容！廣義相對(duì)論的第三個(gè)用處是宇宙常數(shù)。在愛因斯坦天文學(xué)中，宇宙不是膨脹就是收縮。那宇宙如何在膨脹與收縮之間保持平衡呢？創(chuàng)立廣義相對(duì)論的第2年愛因斯坦發(fā)表論文《廣義相對(duì)論的宇宙學(xué)應(yīng)用》，否定傳統(tǒng)物理定論“宇宙無(wú)限”。他把宇宙看作一個(gè)具有有限空間體積的自身閉合的連續(xù)區(qū)，推論宇宙在空間上“有限無(wú)邊”。這是天文學(xué)史上最大膽的推測(cè)。從此，人類對(duì)宇宙的研究擺脫了閉著眼睛瞎猜，真正睜開眼進(jìn)入了現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域。愛因斯坦認(rèn)為宇宙在膨脹與收縮之間保持平衡的原因是“宇宙常數(shù)”一一一個(gè)與引力相反，但強(qiáng)度完全一樣的斥力，它隨著天體之間距離的增大而增強(qiáng)，完全抵消引力，從而讓宇宙保持穩(wěn)定，避免宇宙崩潰。這是啥子意思？意思就是：愛因斯坦認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的?？?922年俄裔美籍物理學(xué)家弗里德曼通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)宇宙隨著時(shí)間在不斷膨脹。1927年，比利時(shí)天文學(xué)家、頂級(jí)橋牌大師喬治斯?勒梅特得出同樣的計(jì)算結(jié)果。愛因斯坦拒絕接受動(dòng)態(tài)宇宙。他堅(jiān)信宇宙是靜態(tài)的，除了時(shí)間變化，其它一切都不變。因此他尖銳地批評(píng)弗里德曼和勒梅特。這時(shí)，哈勃閃亮登場(chǎng)。1929年，現(xiàn)代天文學(xué)之父哈勃觀察宇宙深處星云的紅移現(xiàn)象后證實(shí)，所有星系都在高速離銀河系而去，而且，無(wú)論我們站在宇宙中哪個(gè)星系中，看到的情形也都一樣：別的星系也在高速逃離我們所站的這個(gè)星系。距離越遠(yuǎn)的星系，逃離的速度越大。這又是啥子意思？意思就是，整個(gè)宇宙在不斷膨脹，即：宇宙是動(dòng)態(tài)的。哈勃得意洋洋地把觀測(cè)結(jié)果拿給愛因斯坦看，愛因斯坦當(dāng)場(chǎng)啞口無(wú)言，不得不宣布放棄宇宙常數(shù)并公開收回對(duì)弗里德曼的批評(píng)。按照哈勃定律，如果將宇宙的膨脹反推，就意味著在非常非常遙遠(yuǎn)的過(guò)去，最早的宇宙是半徑為零的一個(gè)點(diǎn)。1948年美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫根據(jù)哈勃定律提出宇宙大爆炸理論，認(rèn)為原始宇宙誕生于一次壯觀的大爆炸，立刻變成意見領(lǐng)袖。50年后天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙不只在膨脹，而且這種膨脹還是加速度的，即所有星系逃離銀河系的速度都越來(lái)越快。這是啥子意思？意思就是，一定有某種神秘的力量在暗中以加速膨脹的方式撕扯著宇宙的所有星系。這種力量科學(xué)家稱之為'暗能量”。近年來(lái)，科學(xué)家通過(guò)觀測(cè)和計(jì)算證實(shí)暗能量不僅存在，而且還是宇宙的主流，約占宇宙總量的73%,此外，暗物質(zhì)”約占23%，而我們?nèi)搜勰芸匆姷挠钪嫖镔|(zhì)如地球月亮星星等，僅占4%！咱們從小就知道，天上星，數(shù)不清。愛因斯坦告訴我們，數(shù)不清的滿天星只是宇宙中的“一小撮”，宇宙的絕大部分我們知之甚少，或者干脆毫無(wú)所知。夠不夠驚心動(dòng)魄？夠不夠有用！人類認(rèn)識(shí)的道路永遠(yuǎn)如此：我們對(duì)最重要的東西總是視而不見。我們知道得越多，就越發(fā)現(xiàn)自己實(shí)際上非常無(wú)知。記得蘇格拉底那句話吧：我最大的知識(shí)即“我知我無(wú)知”。暗能量給宇宙常數(shù)平了反，證明它起碼從思路上是正確的。宇宙常數(shù)以暗能量的面目滿血復(fù)活，它產(chǎn)生的洶涌澎湃的斥力令整個(gè)宇宙為之色變。暗能量和引力之間的戰(zhàn)爭(zhēng)自宇宙誕生起就從未停止?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)證明現(xiàn)在暗能量的密度已大于物質(zhì)的密度，即引力已經(jīng)戰(zhàn)敗，宇宙正在以前所未有的速度加速膨脹?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，再過(guò)200億年宇宙將迎來(lái)動(dòng)蕩的末日，恐怖的暗能量終將把所有行星、恒星、星系一一撕碎，宇宙將只剩下沒有盡頭的寒冷。和黑暗。記不記得《菜根譚》下篇第12節(jié)那句話：“山河大地已屬微塵，而況塵中之塵；血肉身軀且歸泡影，而況影外之影。非上上智，無(wú)了了心。"Takeiteasy。當(dāng)沒當(dāng)上處長(zhǎng)或中國(guó)首富，拿沒拿諾貝爾獎(jiǎng)，真沒那么重要。愛因斯坦雖然拿了諾貝爾獎(jiǎng)，但卻深得其中三昧。話說(shuō)有天他在朋友家吃飯，忽然來(lái)了靈感，拿起筆找不到紙，居然直接把公式統(tǒng)統(tǒng)寫到主人家雪白的新桌布上。這則膾炙人口的愛因斯坦幽默故事實(shí)際源于一個(gè)誤會(huì)：我們沒明白，當(dāng)愛因斯坦在桌布上寫公式時(shí)，他腦海中浮現(xiàn)的是宇宙的終極毀滅。跟黑洞、暗能量、200億年后的宇宙末日相比，一塊新桌布和主人痛心疾首的白眼，算哪把夜壺？廣義相對(duì)論還有一個(gè)用處是發(fā)現(xiàn)了引力波。愛因斯坦的這篇文章1916年發(fā)表于《普魯士科學(xué)院學(xué)報(bào)》。引力波理論進(jìn)一步完善了廣義相對(duì)論。啥子是引力波？廣義相對(duì)論說(shuō)，質(zhì)量巨大的星系在宇宙中壓出深坑的同時(shí)還會(huì)形成'引力波”。任何被外力彎曲的物體在連續(xù)時(shí)間里都會(huì)形成“波”，比如風(fēng)吹西湖會(huì)產(chǎn)生水波。這種星系彎曲過(guò)程中在宇宙中形成的“波”，就是引力波。引力波處處存在。聲波和光波無(wú)法穿越墻壁，更不用說(shuō)地球了，而任何物體對(duì)引力波而言都是透明的。引力波形成后就攜帶能量和波源物體的密碼在宇宙中游蕩，永不消逝。聲波和光波為人類打開了地球的奧秘之門，而引力波為人類打開了一扇了解宇宙的全新窗口。凡是有質(zhì)量的物體進(jìn)入加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)發(fā)射引力波：一個(gè)李娜發(fā)出的網(wǎng)球，一個(gè)散步的馮八飛，月亮圍繞地球運(yùn)動(dòng)不過(guò)，對(duì)人類來(lái)說(shuō)，引力波實(shí)在太弱了，太陽(yáng)這么大的星球發(fā)出的引力波，我們用現(xiàn)有儀器也無(wú)法測(cè)量。要測(cè)引力波，只能把目光投向宇宙中那些質(zhì)量巨大的恒星。天狼雙星產(chǎn)生的引力波功率可達(dá)1.1x1015瓦，其能量足以推動(dòng)太陽(yáng)那么大的恒星。不過(guò)，它們的引力波穿越遼闊的宇宙到達(dá)地球時(shí)僅剩下1.3x10-24瓦，微弱得只能震動(dòng)一個(gè)原子，根本測(cè)不出來(lái)。我們只好想別的辦法。1974年美國(guó)射電天文學(xué)家胡爾斯及泰勒在宇宙深處發(fā)現(xiàn)了射電脈沖星PSR1913+16，它以每秒自轉(zhuǎn)200圈，同時(shí)以不到8小時(shí)一圈的公轉(zhuǎn)繞其伴星旋轉(zhuǎn)，在這場(chǎng)高速的“二人轉(zhuǎn)”舞蹈中，其能量在它們自己激起的時(shí)空巨浪中逐漸損耗，結(jié)果兩者越來(lái)越近，轉(zhuǎn)速越來(lái)越快，預(yù)計(jì)在距離剩下500公里時(shí)它們就會(huì)以亞光速撲向?qū)Ψ?，直到碰撞融合，成為黑洞。這個(gè)碰撞的慘烈程度是我們用人類語(yǔ)言無(wú)法描寫的，它相當(dāng)于宇宙中發(fā)生一場(chǎng)巨型時(shí)空海嘯。我們津津樂道的什么“火星撞地球”在它面前連個(gè)土鞭炮都不如。根據(jù)計(jì)算，這場(chǎng)宇宙大沖撞將于3億年后發(fā)生?？伤鼈冸x地球如此遙遠(yuǎn)，如果沖撞今天發(fā)生，以我們今天的科技，我們甚至聽不到它們合二為一時(shí)發(fā)出的歡叫。胡爾斯與秦勒的觀測(cè)證實(shí)引力波存在。如果我們對(duì)引力波的了解達(dá)到聲波和音波的水平，我們就可以看見地球內(nèi)部到底有什么、黑洞到底是什么、甚至有可能看見137億年前宇宙是不是真的發(fā)生過(guò)大爆炸。我們尋找外星生命都是通過(guò)電磁波和聲波，其實(shí)它們連墻壁都無(wú)法穿透，在宇宙中到底能走多遠(yuǎn)很值得懷疑。也許外星人早就用引力波跟我們了解過(guò)了，只是我們的耳力如此不好，從來(lái)沒聽到過(guò)而己。我們仰望夜空，總覺得宇宙無(wú)限美麗寂靜，其實(shí)那是因?yàn)橛钪鏇]有空氣，聲波無(wú)法傳送，所以宇宙無(wú)聲。如果我們有引力波喇叭，宇宙將變得萬(wàn)聲鼎沸，引力波能讓我們聽到宇宙所有的故事:耀眼的超新星爆炸的聲音像爆米花一樣;中子星碰撞和黑洞產(chǎn)生像一場(chǎng)《歡樂頌》大合唱；你甚至能聽見宇宙炸開、但光子還沒跑出來(lái)之前那陣空前絕后的巨響。光波讓我們看見遠(yuǎn)處的東西，而引力波則能讓我們聽見