时空的秘密

    [荷] 霍弗特·席林 著

    胡奂晨 译

    中信出版集团目录

    序言

    前言

    第1章 关于时空的开胃菜

    第2章 “相对”而言

    第3章 检验爱因斯坦

    第4章 波之论与棒之争

    第5章 恒星的生命

    第6章 精密的时钟

    第7章 激光探索.

    第8章 通向完美之路

    第9章 创世故事

    第10章 雪地探索

    第11章 捉住你了!

    第12章 黑魔法

    第13章 纳米级科学第14章 后续问题

    第15章 太空入侵者

    第16章 冲浪引力波天文学

    致谢序言

    爱因斯坦在科学的殿堂中地位独特，且当之无愧。他对时间和空

    间的洞见彻底改变了我们对引力和宇宙的理解。每个人都能认出海报

    和T恤上那位和善而又蓬头垢面的智者。不过，爱因斯坦最出色的工作

    是在他年轻的时候完成的。年仅30岁时，他便享有国际声誉。1919年5

    月29日，发生了一场日食。由天文学家阿瑟·爱丁顿(Arthur

    Eddington)带领的团队观测了日食期间太阳附近的恒星。观测数据表

    明，这些恒星偏离了它们原有的位置，其发出的光线在太阳引力场的

    作用下发生弯曲。这验证了爱因斯坦的重要预言。当该结果被汇报给

    伦敦的英国皇家学会时，全世界的媒体都对这一新闻进行了报

    道。“天空中所有的光都是弯曲的，爱因斯坦理论取得巨大成功”成

    为《纽约时报》最醒目的头条。

    爱因斯坦于1915年提出的广义相对论，是纯粹理性思考和深彻领

    悟的结果。其影响对地球上的我们来说是很微小的。现代导航系统中

    对时钟的轻微调节会用到爱因斯坦的理论，而对于发射和追踪空间探

    测器来说，牛顿的理论就够用了。

    相比之下，爱因斯坦将空间和时间联结起来的想法——“空间告

    诉物质如何运动，物质告诉空间如何弯曲”——对很多宇宙学现象都

    至关重要。但我们很难检验这个理论，它的影响距离我们太遥远了。

    因此，在提出后将近半个世纪的时间里，广义相对论一直被主流物理

    学拒之门外。不过，20世纪60年代以来，有关开创宇宙膨胀学说

    的“大爆炸理论”以及黑洞的证据越来越多，而这二者都是爱因斯坦

    的关键性预言。

    2016年2月，在著名的英国皇家学会会议对这次日食考察的报道约

    100年后，另一份声明进一步证实了爱因斯坦的理论，这一次是在美国

    华盛顿特区的新闻俱乐部。LIGO(激光干涉引力波天文台，Laser

    Interferometer Gravitational-Wave Observatory)探测到引力波的

    存在，这正是霍弗特·席林这本书的主题。他有一个绝妙的故事要

    讲，其跨度超越一个世纪。爱因斯坦大胆地设想引力源自空间的弯曲。当受到引力作用的物

    体改变自己的形状时，它们在空间中激起了阵阵涟漪。当这些涟漪经

    过地球时，我们的局部空间随之发生“抖动”：被拉伸和挤压。但是

    这种效应非常微弱，因为引力是一个弱作用力。日常物品间的引力拉

    伸程度极其微小。如果你挥动两个哑铃，你也会发射出引力波，但仅

    具有无穷小的能量。即使是行星围绕恒星的运动，或者是一对恒星的

    相互绕转，它们所发射出的引力波都达不到可探测水平。

    天文学家认为，LIGO可以探测到的源一定比普通恒星和行星具有

    更强大的引力。最好的选择就是涉及黑洞的事件。我们知道黑洞的存

    在已经将近50年了，大部分黑洞都是比太阳重20倍以上的恒星的残

    骸。这些恒星明亮地燃烧，在它们爆炸的死亡剧痛中(这是由超新星

    发出的信号)，它们的内部坍缩成一个黑洞。组成这颗恒星的物质与

    宇宙的其他部分隔绝，在空间中留下一个引力的印记。

    两个黑洞在形成一个双黑洞系统的过程中，它们将会逐渐地旋进

    在一起。随着它们不断地靠近，周围的空间越发扭曲，直到它们合并

    成一个自旋的黑洞。这个黑洞搅动着空间并发出“鸣叫”，产生更多

    的波动，直至平静下来成为一个孤独的、静止的黑洞。正是这声“啁

    啾”——空间摆动加速和增强直到黑洞合并，然后渐渐消失——能够

    被LIGO探测到。这些“灾难”在我们星系中发生的概率小于每百万年

    一次，但却能够产生可被LIGO探测到的信号，即使它发生在距地球10

    亿光年那么远的地方——数百万个星系都比它要近。要探测到最佳信

    号事件需要灵敏度极高当然也极为昂贵的仪器。在LIGO探测器中，强

    激光束沿着4公里长的真空管前行，再被管道末端的镜子反射回来。通

    过分析激光束，我们便有可能测量出镜子间距离的改变，它随着空间

    的膨胀和收缩而交替地增长和缩短。这个振动的振幅非常之小，约为

    0.000 000 000 000 1厘米——是一个单原子尺寸的几百万分之一。

    LIGO项目有两台大约相距3 000公里远的相似的探测器，一台在华盛顿

    州，另一台在路易斯安那州。单台探测器会记录下微地震事件、驶过

    的车辆等。为了排除这些假信号，实验人员仅关注同时出现在两台探

    测器中的信号事件。

    许多年来，LIGO没有探测到任何东西。但是科学家们对它进行了

    改进，并使之于2015年9月再次上线。历经几十年的挫败，这一探索成

    功了：它探测到了来自10亿光年外的双黑洞合并所发出的那声“啁

    啾”，这开启了一个全新的科学领域——探测空间自身的动力学。遗憾的是，令人兴奋的科学主张被误解和夸大是众所周知的，而

    这本书将讲述这一领域中的这些主张。我自认为是一个很难被说服的

    怀疑论者，然而LIGO项目团队所宣布的内容——高水准科学家和工程

    师们数十年努力的成果——是极有说服力的，我期望这一次的理论能

    够完全令人信服。

    这次探测的的确确是一项重大突破，它和2012年引起巨大轰动的

    希格斯粒子的发现一样，是这个年代最伟大的发现之一。希格斯粒子

    是粒子物理标准模型的拱顶石，发展了数十年。同样，引力波——空

    间结构的轻微振动——是爱因斯坦广义相对论的至关重要且独特的结

    果之一。

    彼得·希格斯(Peter Higgs)在55年前预言了希格斯粒子的存

    在，但是对该粒子的探测及性能的确认必须等待技术的进步。这需要

    一台巨大的机器——位于日内瓦的大型强子对撞机(Large Hadron

    Collider，简称LHC)。引力波被预言得甚至更早，但对它的探测却一

    再推迟，因为这项探索需要检测的效应非常难以捉摸，同样需要规模

    巨大且精度超高的仪器。

    除提供了对爱因斯坦理论的全新的辩护外，这些探测结果也加深

    了我们对恒星和星系的理解。黑洞和大质量恒星方面的天文学证据是

    有限的，以至于我们很难预测有多少事件处在可探测范围之内。悲观

    主义者认为，这些事件太过罕见，以至于改进过的新LIGO探测器在至

    少一两年之内也探测不到什么。但是实验者们遇到了运气极佳的“开

    门红”，他们看上去发现了一种新型的天文学，它揭示了空间自身的

    而非其间所弥漫的物质的动力学。位于欧洲、印度和日本的其他探测

    器也是引力波探测项目的一部分，另外，还有一些向太空发射探测器

    的计划。

    但是太多的科学家都试图回避解释他们的想法和发现，认为它们

    神秘且晦涩。的确，专业的科学家们使用数学语言表达观点，可这对

    于很多人来说简直是一门“外语”。不过，那些关键性的想法却能够

    被一些技巧娴熟的作家用简单的语言表达出来。霍弗特·席林就是其

    中很优秀的一位，他在这本书中超越了自己。他所讲述的故事跨越了

    一个多世纪。这本书用清晰、有趣的语言解释了其中的关键性概念，并将其置于历史背景之中。他还描述了其间形形色色的人物。有的人

    有点儿强迫症，但这没什么好奇怪的——这种执念的确是任何人在一

    项可能没有回报的实验挑战上付出数年甚至数十年努力的前提。而且，这份努力是由团队中数百位专家的协作支撑起来的。霍弗特·席

    林向我们讲诉了这些为了实现超凡精确性而奋斗几十年的科学家和工

    程师们激烈的争辩、遭遇的挫折，以及惊人的技术成就。这群人如何

    成功地揭露了时间和空间本质的线索。这是一个精彩的故事，动听且

    扣人心弦。

    马丁·里斯(Martin Rees) 剑桥大学天文系荣休教授、前英国皇家学会主席前言

    在旋涡星系的“郊外”，有颗绕着一颗黄矮星运转的小小行星。

    它在大约33亿年前由尘埃和鹅卵石积聚而成。来自外太空的有机化合

    物降落到这颗蓝色行星温暖的海洋中，排列成自我复制的分子。到目

    前为止，这片水域布满了单细胞生命体。过不了多久，生命便会找到

    办法扎根于这颗行星贫瘠的大陆。

    与此同时，在这个辽阔宇宙的另一端，两颗超大质量的恒星以超

    新星爆发的方式结束了它们短暂的一生。这起灾难性的爆炸事件遗留

    下一对紧密环绕的黑洞，每个黑洞的质量都比那颗与它们相距遥远的

    黄矮星大数十倍。引力将敢于靠近的气体和尘埃拉入黑洞，并且弯曲

    了附近光线的路径。没有任何东西可以逃离这些宇宙深渊强劲的引力

    拉扯。

    双黑洞的相互绕转形成了阵阵波动，时空中的小小涟漪以光速向

    外传播。这些波带走了能量，使得两个黑洞不断地靠近。最终，它们

    以每秒几百次的速度环绕着彼此，速度为光速的一半。时空被拉伸和

    挤压着，这些微小的扰动逐渐形成了大的波动。接着，在最终的纯能

    量爆发中，两个黑洞相撞并合二为一。场面复归于平静，而最后的那

    股强大的波涛却如同海啸一般蔓延到了太空之中。

    这对双黑洞死亡的哭声传播13亿年后，来到我们的旋涡星系——

    银河系的郊外。那时，它们的振幅已经极大地减弱了。它们仍旧在拉

    扯着前进路上的一切物质，却没有人注意到。在这颗蓝色行星上，蕨

    类植物和树木覆盖着它的表面；小行星的撞击导致这里的巨型爬行动

    物灭绝，而哺乳动物中的一支演化成一种充满好奇心的双腿生物。

    穿过银河系的外围，这些来自遥远黑洞合并的引力波仅花了大约

    10万年就到达了太阳和地球附近。当它们以每秒30万公里的速度向地

    球奔跑时，这里的人们开始探索自己身处的宇宙。他们研磨望远镜的

    镜片，借此发现新的行星和卫星，并绘制出银河系的图景。在这些引力波抵达地球的100年前，它们已历经了这场13亿年光速

    旅行的99.999 99%，一位名叫阿尔伯特·爱因斯坦(Albert

    Einstein)的26岁的科学家预言了它们存在的可能性。半个世纪之

    后，人们才开始认真地探测引力波。终于，在21世纪早期，探测器变

    得足够灵敏。就在启动探测器的几天之后，它们记录下了这些微小的

    振动，其振幅远小于一个原子核的尺寸。

    2015年9月14日，星期一，世界时09:50:45，天文学家终于发现了

    来自遥远星系中黑洞碰撞的一个引力信号，爱因斯坦的百年预言得到

    证实。

    引力波的第一次直接探测被誉为新世纪最伟大的科学发现之一，而且当之无愧。随着设备的灵敏度不断提高，进一步的探测将为天文

    学家提供一种全新的方式来研究这个强大的宇宙，而物理学家也有可

    能最终揭开时空的奥秘。

    在高新LIGO探测器开始运行的几年前，我首次考虑写这本书。我

    想，如果第一次探测到引力波刚好发生在我完成手稿之时，岂不是很

    棒？那样的话，这本书就可以在消息发布不久后出版，并附上带有新

    结果的尾章。

    然而，科学的进展比我预想的要快。几乎没有人想到，高新LIGO

    探测器会在运行伊始就赢得大奖。因此，我大部分的调研和全部的撰

    写工作都不得不在这个巨大的发现之后进行。现在这本书终于完成

    了，我对这个时机感到满意——这个发现如今是故事的一部分，而非

    事后的补充。

    引力波天文学的历史我已经介绍过了。然而，在这本书中，这仅

    仅是故事的一半。《时空的秘密》关注更多的是科学的进程，关于发

    现的方式、今日发生的事件，以及对未来的憧憬——当引力波研究成

    为天文学的成熟领域时的景象。在那个难忘的星期一被科学家们探测

    到的引力波信号——GW150914，不仅是长达一个世纪的追寻成果，也

    是开启全新宇宙探索篇章的起点。第1章

    关于时空的开胃菜

    乔·库珀穿上了他的NASA(National Aeronautics and Space

    Administration，美国国家航空航天局)宇航服，并戴上了宇航帽。

    为了防止发射时发生意外，他需要氧气的保护。技术人员帮助他迈进

    宇宙飞船，坐在高耸的火箭顶上。通过收音机，他听到倒计时的声

    音，感受到肾上腺素在自己的静脉中流淌。库珀从来就不是胆小鬼，但坐在柱体结构的顶端被发射到太空里，难免让他有些紧张。

    很快，库珀和他的三位宇航员同事就上路了。一切都很顺利。在

    飞船的小小窗户外面，蓝色的天空被黑色的虚空所取代。发动机停止

    运作，失重开始了。现在，他们要做的就是追上以高于每秒8公里的速

    度环绕着地球的巨型宇宙飞船，然后与其对接。这听起来好像不难。

    这仿佛一次通往装载着俄罗斯联盟号火箭的国际空间站

    (International Space Station，简称ISS)的常规旅行。跟以往一

    样……或者，真的是这样吗？你不可能听说过一个叫乔·库珀的NASA

    宇航员，库珀也不可能有三位机组同事。每个宇航员都可以告诉你，联盟号其实小到不可能装下4个人，即使三个人也会很拥挤。

    接下来请听听这个故事的后半部分：他们所对接的宇宙飞船叫作

    永恒号(Endurance)，它和国际空间站长得一点也不像。最后，宇航

    员们驾驶永恒号飞船去了土星，他们从一个虫洞消失，紧接着出现在

    另一个星系里，绕着一个叫作“卡冈都亚”(Gargantua)的巨型黑洞

    转动，还拜访了外星人的行星。库珀甚至掉进了高维空间。很明显，出事儿了。

    这 一 电 影 脚 本 来 自 2014 年 的 好 莱 坞 大 片 《 星 际 穿 越 》

    (Interstellar )，由克里斯托弗·诺兰执导，马修·麦康纳饰演宇

    航员库珀。如果你是一个狂热的太空迷，你也许知道乔·库珀这个名

    字。而且，你可能已经看过很多遍《星际穿越》了，这部电影真的很

    精彩。令《星际穿越》从众多科幻电影中脱颖而出的因素之一是它的监

    制阵容：乔丹·戈德堡(代表作是《蝙蝠侠》《盗梦空间》)，杰克

    ·迈尔斯(代表作是《荒野猎人》)，托马斯·塔尔(代表作是《侏

    罗纪世界》)，以及加州理工学院理论物理费曼讲席教授基普·索恩

    (Kip Thorne)(已荣誉退休)。要知道，几乎没几个理论物理学家

    会兼职做一部电影的制片人。

    如果科学家参与到一部科幻电影的制作中，会怎么样呢？你或许

    会期待这部电影能呈现出正确的科学。它做到了，而且做得不错。索

    恩帮助创作了故事大纲。他向电影编剧、导演、视觉效果团队和演员

    们介绍了天文学和广义相对论的相关知识，他甚至为电影中的约翰·

    布兰德教授(由迈克尔·凯恩饰演)写下了黑板上的公式。遗憾的

    是，索恩没有在电影中客串角色。不过，其中有个机器人名叫KIPP，很明显是因他而得名。

    几乎没有人比基普·索恩更有能力担任一部关于黑洞的电影的科

    学顾问了。如果说有什么人理解时空的古怪性质，那非他莫属。1990

    年，索恩在与他的英国同人及好友史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)

    的一场长达15年的赌约中获胜(奖品是男性杂志Penthouse 一年的订

    阅)，赌约的内容是一个名为天鹅座X-1的天文X射线源的真实性质。

    索恩1994年出版的著作《黑洞与时间弯曲》(Black Holes and Time

    Warps )成为年度畅销书。

    2016年年初，索恩的名字再度传遍世界。2月11日，科学家宣布第

    一次直接探测到引力波。在宇宙深处，两个黑洞相互碰撞，合二为

    一，并向时空传送着涟漪。在历经十几亿光年的旅行之后，这些波于

    2015年9月14日到达地球。位于美国的两台巨大的LIGO探测器记录下了

    这个极为微小的振动。LIGO是索恩和他的同事物理学家雷纳·韦斯

    (Rainer Weiss)和罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)的智慧结晶。

    没有人像电影里的主角那样靠近过黑洞，也没有人知道虫洞是否

    真的存在。如果没有那些超高灵敏度的仪器，引力波实在是弱到难以

    探测。空间弯曲，时间变慢这些都太过复杂，远远超出我们的日常经

    验。想真正理解这些现象，你需要掌握阿尔伯特·爱因斯坦的广义相

    对论。有一件关于英国天文学家亚瑟·爱丁顿的著名逸事。在20世纪早

    期，爱丁顿是爱因斯坦新时空理论的主要宣传者之一，我们将在第3章

    与他再次见面。在一场公众讲座结束后，有位观众问他，“爱丁顿教

    授，世界上真的只有三个真正理解广义相对论的人吗？”爱丁顿想了

    一会儿，答道，“谁是那第三个人呢？”

    当然，广义相对论并没有那么难理解。世界上有千千万万名理论

    物理学家理解广义相对论的基本原理。接着，新理论不断涌现，特别

    是在黑洞这一领域，量子效应变得很重要。比如，史蒂芬·霍金的黑

    洞蒸发理论，基普·索恩的虫洞捷径，赫拉德·特·霍夫特

    (Gerard’t Hooft)的全息原理，还有莱昂纳特·萨斯坎德

    (Leonard Susskind)的火墙理论。

    在此，我不会讲述那些细节。即便是世界上的聪明头脑继续发现

    新奇的理论(并不断地进行论证)，广义相对论的全貌也无疑会超出

    他们的掌控。我在此给出的例子只是一些不太牵强的想法。《物理评

    论快报》(Physical Review Letters )杂志也发表了关于十一维时

    空、时间旅行以及多重宇宙的论文。你还觉得《星际穿越》只是猜想

    吗？

    或许这就是很多人对这类知识感兴趣的原因，尽管它们看起来没

    什么用处。竞选总统用不着知道黑洞，引力波探测也无法解决全球变

    暖。我们无须关心广义相对论就能活得潇潇洒洒。(有一个引人注目

    的例外，但我会留到第3章来讲。)尽管如此，它令我们激动而着迷，而且毫无疑问地激发了我们的想象力。也许这个理由就足够了。

    此外，广义相对论向我们解释了世界是如何在最根本的层面上运

    转的。难道不正是对真理的追求，才把人类与其他动物区分开的吗？

    坦诚地讲，几千年来，人类并不擅长理解这个世界。最早的农业

    社会出现在12 000年前的中东地区。当时，人们清楚地意识到太阳和

    月球的周期运动，看到了星星组成的图案，甚至注意到有几颗明亮的

    星星缓慢地在星座间移动。不过这就是他们了解的全部了。他们没有

    关于天体真实本源的线索，甚至没有了解的欲望。太阳、月球和行星

    被视为神灵，高于且超出他们的日常生活。

    直到约2 500年前伟大的希腊哲学家时期，人类对宇宙的认知都没

    有发生太大的变化。其间经历了9 500年——几百代人——却始终没有什么显著的进步。如果我们把12 000年的历史压缩成只有24小时的一

    天，从午夜开始算起，到亚里士多德提出第一个宇宙模型——嵌套水

    晶球的时候，已经过了晚上7点了。我们的祖先当然也拥有智慧，归根

    结底，他们和我们同为智人，只不过对这些不够在意。

    而古希腊人却十分在意这些。他们准确地推断出地球是一个圆

    球，甚至测定了它的周长，其精确度令人惊讶。(一些教科书依然告

    诉你克里斯托弗·哥伦布是第一个发现地球的真实形状的人，但那很

    明显是错的。)尽管古希腊人并不知道太阳、月球、行星或恒星是什

    么，但他们至少尝试去理解它们错综复杂的运动。

    克罗狄斯·托勒密(Claudius Ptolemy)的“地心说”将这些认

    识推向高潮，他生活在大约19个世纪以前的埃及北部地区。(在从农

    业社会算起的24小时的时间轴上，这大概是晚上8点10分。)正如“地

    心说”所暗示的一样，托勒密把地球置于世界的中心，太阳、月球和

    行星在地球周围，共处于一个复杂的二级轨道系统中。托勒密的世界

    观甚至解释了为什么行星看上去会不时地向后移动。

    这是很好的尝试，可惜错了。但人们没有意识到它有什么不对，直到波兰天文学家尼古拉·哥白尼(Nicolaus Copernicus)发表了他

    的“日心说”，这中间经过了很长时间。日心说将太阳而非地球视为

    宇宙的中心，它诞生于1543年(在24小时的时间轴上刚过晚上11

    点)。在此之前的12 000年的大部分时间里，对世界的理解是一个令

    人沮丧的缓慢过程。

    在哥白尼提出“日心说”之后不久，认知世界的速度加快了。很

    多科学家发现大自然这本书是用数学语言写成的，正如意大利物理学

    家伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)所说的那样。伽利略研究了物

    体的运动，证明亚里士多德理论的错误基于一系列的假设，他还使用

    数学公式来表述自己的发现。不久后，约翰尼斯·开普勒(Johannes

    Kepler)在德国提出了著名的行星运动定律。

    这段历史和黑洞、引力波以及时空的奥秘有什么关系呢？关系很

    大。哥白尼、伽利略，还有开普勒，他们共同为艾萨克·牛顿(Isaac

    Newton)于1687年首次发表的万有引力定律打下了基础。而阿尔伯特

    ·爱因斯坦的广义相对论——《星际穿越》背后的理论——则取代了

    牛顿理论。我们对世界的理解只有通过改善他人的工作才能实现。亚里士多德的水晶球和基普·索恩的虫洞是由一个理性思考和发现的大

    圆弧联系起来的。

    另一个发生在17世纪早期的变革是工具的变革。荷兰的眼镜制造

    商汉斯·利伯希(Hans Lipperhey)发明了望远镜，随后这个新仪器

    被伽利略开发升级为天文望远镜。伽利略由此发现了月球上的环形山

    和山脉、太阳上的黑子、木星的卫星，以及银河系中不计其数的恒

    星。最终，更大的天文望远镜为我们带来了双星、小行星、星云和星

    系，当然还有黑洞。如果没有望远镜，天文学研究恐怕还处于婴儿阶

    段。

    现在，让我们来一场虚拟的快速宇宙旅行，以确保我们对全局的

    理解是正确的。

    地球是一颗行星，和其他7颗行星一样，围绕着太阳转动。4颗靠

    近中心的行星(水星、金星、地球和火星)都非常小，由金属和岩石

    构成。而外面的4颗行星(木星、土星、天王星和海王星)则要大得

    多，主要由气体和冰构成。在火星和木星的轨道之间，是一条小行星

    带——太阳系诞生时所遗留的岩状物。在海王星之外，还有一条碎片

    带，主要是冰球和结冰的矮行星，冥王星是其中最大的一个。

    在白天抬头望向天空看，你会看到一个巨大的非常耀眼的气体球

    状物——太阳。太阳系里的行星接收的所有光和热都来自太阳。在夜

    晚抬头望天，你则会看到千千万万个太阳——恒星。它们看起来很

    小，光线暗淡且寒冷，但那仅仅是因为它们离我们实在太遥远了。如

    果把太阳放到同样的距离上，你同样会看到一个光线微弱的小点。

    在第5章，我会告诉你更多关于恒星的事。现在，你只需记住每个

    恒星都是一个太阳，它们中的大部分都可能有一个家族的行星来陪

    伴。事实上，在我写这本书的时候，人们已经发现了超过3 000颗系外

    行星。

    很遗憾我们无法到那里一睹为快，至少在可预见的未来我们还做

    不到。即使是每秒可传播30万千米的光，也要花费4.3年才能从太阳飞

    到距其最近的恒星——比邻星(Proxima Centauri)。这就是为什么天 文 学 家 说 比 邻 星 距 我 们 4.3 光 年 ( 1 光 年 =300

    000×60×60×24×365.25千米，约为9.5万亿千米)。

    你有没有试过数清夜空中的星星？你的裸眼所能看到的只是其中

    的几千颗而已，而且能看到的星星的数量还取决于你那里的天空有多

    暗。它们中的大多数都在几十光年或者几百光年之外，对于大部分人

    来说，这是一个远到难以想象的距离。但在天文学家眼中，它们已经

    很近了，是我们在宇宙中的后院。

    在银河系中，很大一部分恒星都比我们肉眼可见的那些星星遥远

    得多。要看见它们，你必须使用一台天文望远镜。这些恒星颜色不

    同、大小各异，名字也五花八门——红矮星、白矮星、黄色的亚巨

    星、蓝超巨星……让人不禁想起童话森林里的栖居者。如今，天文学

    家认为银河系中有几千亿颗恒星，其中一颗便是我们的太阳。

    我们的银河系并不孤独，因为宇宙里还布满其他星系：像银河系

    和仙女星系一样壮丽的旋涡星系，汇集年老恒星的巨大椭圆星系，小

    而不规则的矮星系。它们各式各样，数量庞大，在横跨上百亿光年距

    离的空间里铺展开来。

    1995年12月，天文学家第一次将哈勃空间望远镜(Hubble Space

    Telescope)对准极小的、看似空无一物的一小块天空。他们将照相机

    的快门连开了10天，得到了一张令人惊叹的照片，照片上呈现出数千

    个暗淡而遥远的星系，当你用手臂远远地举起一枚大头针直指照片

    时，大头针的针头所遮盖的区域中就有上千个星系。沿着一个针头的

    直径向左或者向右移，数千个遥远的星系便会显露出来。

    这就是我们目前所能看到的宇宙景象：辽阔、黑暗、寒冷而空

    虚。但是，散布在这片空间里有大约两万亿个星系，聚集成星系群或

    者星系团。在太空中很远的地方想找到回家的路？那你最好给自己买

    一个超精确的导航系统——宇宙的高速公路上可没有路标。找到传说

    中掉入干草垛的那根针恐怕都比这容易得多。

    如果你能成功找到银河系的位置，并在那里停留几秒钟，你就会

    看到几千亿颗“太阳”排列在美丽的旋臂上，被星团、明亮的星云以

    及暗淡的尘埃云团所环绕。其中的一颗非常不显眼的、位于路中央的

    恒星便是太阳。它栖居在银河系的一个宁静的郊区，位于一条旋臂的

    内侧边缘，这里大部分时间都没有什么事情发生。围绕着那团小小的光点转动的是8颗很小的行星。4颗小行星中的

    一颗就是地球。在这片尘土的尘埃之上，仅仅历经几个世纪，人类便

    开始揭开神秘宇宙的面纱。

    嗯，或者说至少我们在尝试这样做。

    这是一个谦虚的想法。在无垠的空间中寻找智人几乎是不可能

    的，在宇宙的舞台上，我们也只是新人。

    让我们借助一个比喻来理解。假设宇宙的全部历史被记录在一套

    14册的百科全书中。这套书的厚度为14英寻 [1] ，每册有1 000页，印

    刷精美。大爆炸会出现在这套书第一册第一页的第一行，第一代恒星

    和星系的形成会出现在第一册中间的某个地方。但是，太阳及其行星

    的诞生却出现在第十册中，恐龙的灭绝出现在第十四册的第935页，智

    人的出现是在这一册的最后55页中，我们所有可书写的历史则都挤在

    最后一行的后半部分。

    天文学的视角是我们理解世界的方式之一。很多物理学家会另辟

    蹊径，不同于简单地描述我们所看到的一切(星系、恒星、行星)，他们想找出万物是由什么构成的，以及它们是如何运转的。

    假设一个天文学家和一个物理学家同时研究托尔金(J. R. R.

    Tolkien)的《指环王》。天文学家在展示其发现时会描述三部曲的故

    事线、主要角色、隐含的意思、写作风格等。而物理学家则会描述字

    母表、字母出现的频率、标点符号的规则以及语法。

    但是，对于那些有很多特别之处的书也是一样吗？“没错!”物

    理学家会热烈地呼喊道。这是这种方法的迷人之处：你会停止关注这

    些事物的特性，而开始寻找其中的共同原理，从而实现更大限度的理

    解。当然，这两种方法都各有优点和缺点，它们互为补充。

    因此，正如每本书都是由数目有限的不同字母组成，而且必须遵

    守语法规则一样，宇宙中的所有物体也均由几种基本粒子组成，它们

    通过自然界的基本力而结合在一起。

    令人吃惊的是，围绕着你的世界——大头针的头部、人类、行

    星，还有原星系团——仅由三种基本粒子组成：上夸克、下夸克和电子。而且就像字母可以组成单词、句子、段落、书籍一样，这三种粒

    子可以组成原子、分子、化合物，以及你所能想到的任何物体。

    至于自然界的基本力，物理学家们已知的有4种。两种力仅在非常

    小的范围里发生作用，即它们仅在原子核的尺度上有所作为。这就是

    为什么它们叫作强核力和弱核力。剩下的两种——电磁力和引力——

    则可以在宏观世界中被感受到，每个人都能察觉到有人打开了一盏电

    灯，或是摔碎了一个酒杯。

    在这里我就不叙述过多的细节了。中微子、不稳定的基本粒子、反物质、携带力的粒子、著名的希格斯玻色子、暗物质、超对称粒

    子、四夸克粒子、可能存在的第五作用力……这个列表没有止境。如

    果感兴趣，你可以找一本关于粒子物理学的科普书，我就不在这个话

    题上花费篇幅了，尽管在这本书的后面我还会回到中微子和暗物质的

    讨论上来。

    有一个特殊的细节对我们的时空故事和引力波非常重要，那就是

    引力的怪诞。我们对它明显的效应都已经很熟悉了，但不知为什么，和自然界的其他基本力相比，引力表现得尤其不同。在阿尔伯特·爱

    因斯坦看来，这是由于引力和时空有着紧密的联系。

    现在让我们试图把这些解释给艾萨克·牛顿听。诚然，牛顿从来

    就不清楚引力的真正本质。他只是推导出了一个万有引力公式，可用

    于描述两个相距一定距离的质量体间的吸引力。和他那个时代的其他

    人一样，牛顿把空间和时间看作两个独立的、绝对的概念。

    实际上，牛顿对于空间和时间的看法和我们普通人的直观思维一

    样。空间这个三维的虚空就在那里，直到永远。一个物体(比如一个

    基本粒子或者一颗行星)可以待在空间中的某一点，或者从一个地方

    移动到另一个地方。如果我们选择一个特殊的参考点，那么其他所有

    位置都可以用三个坐标表示。从参考点出发，这三个数字可以告诉你

    应该向前或向后、向左或向右、向上或向下移动多远才能到达另一个

    位置。空间有点儿像一张三维的图纸，正是这幅空白不变的背景幕布

    衬托着宇宙万物的表演。

    那么时间呢？在大自然虚构的时钟里，组成枯燥一天的时间无时

    无刻不在流逝，同样，自宇宙诞生以来的每分每秒也在流逝。时间是

    绝对的、从不犯错的宇宙节拍器，为每一个事件留下印记。哦，还有，它是一维的：如果你选择了一个参考时刻，你只需要一个数字就

    能知道某件事发生于哪个时刻。

    我相信，你不费吹灰之力就能像牛顿一样想象空间和时间，我们

    的大脑很容易想到这些场景。

    不过，这可是错的。

    爱因斯坦展现给我们的事实是：空间和时间是相关联的。三维的

    空间和一维的时间实际上交织在一个四维时空中。

    爱因斯坦还向我们揭示：空间和时间并非绝对的，而是相对的。

    这正是他的革命性理论被命名为相对论的原因。空间中两点之间的距

    离是多少呢？答案取决于你问的对象。对于以一半光速的速度在旅行

    的人来说，两点间的距离要比静止(即相对于两点静止)的观测者所

    看到的要短得多。这同样适用于两个事件的时间间隔。你飞行得越

    快，你的时钟流逝得就越慢。唯一绝对的——对所有观测者都一样，独立于他们的运动——就是时空中两个事件(在两个位置)之间的四

    维距离。

    最后，爱因斯坦表示，质量(还有能量)在四维时空中施加了影

    响。直线在大质量物体(如恒星或者黑洞)的影响下会轻微地弯曲。

    (对于更小更轻的物体，比如小行星或者苹果来说，这个效应则完全

    可以忽略不计。)结果就是，沿着直线运动的任何东西，比如一束光

    或者一颗行星，在大质量物体的作用下开始沿着弯曲的轨迹移动。我

    们认为，引力的确是时空弯曲对其他物体运动的影响。既然我们在谈

    论时空弯曲，那么时间自然也会受到大质量物体的影响——越靠近黑

    洞，你的时钟就会走得越慢。

    如果你觉得这些听起来太疯狂了，就去问问《星际穿越》里虚构

    的宇航员乔·库珀吧。与同伴艾米莉亚·布兰德和多伊尔一起，他们

    在一个叫作米勒的行星世界仅待了几个小时，这是一颗围绕着巨

    型“卡冈都亚”黑洞运动的行星。由于行星轨道离黑洞太近了，时空

    弯曲得很厉害，时间像蜗牛爬行一样缓慢。当库珀、布兰德和多伊尔

    回到“永恒号”飞船上时，第四位宇航员尼古拉·罗米利已经变老了

    23岁。同样，在“卡冈都亚”的表面，时空弯曲得也很明显。围绕黑洞

    的是一个扁平的、靠近其赤道的圆盘，由高密度气体组成，物质从这

    里落入黑洞。在一般情况下，你只能看到靠近你这一侧的圆盘。毕

    竟，远的那一侧是在黑洞后面。但是，多亏时空弯曲，来自远的一侧

    的光弯曲后包围了“卡冈都亚”。结果就是，黑洞看起来被一个明亮

    的圆环所包围。

    有时候，我在想，基普·索恩的参与一定给视觉特效工作室

    Double Negative的视觉特效艺术家和电脑动画师们带来不少烦恼，这

    家公司必须把索恩的时空公式变成电影中的精彩片段。有时这位加州

    理工学院的物理学家不得不在科学的准确性上做出让步，正如索恩在

    他2014年出版的《星际穿越中的科学》一书中所说，电影导演克里斯

    托弗·诺兰不想给他的观众带来太多困扰。但最后，索恩对这部电影

    非常满意。“第一次看到这些画面时，我觉得这真是一种享受!”他

    写道，“这是史上第一次，在好莱坞电影里，黑洞及其圆盘被刻画得

    好像我们在实现星际旅行时真正能看到的一样。”

    由此，我们能够描述和想象在光路偏折和时间流逝上的时空弯曲

    效应。但是，我们应该如何想象这个四维结构呢？更别提它的曲率

    了。

    1917年，阿尔伯特·爱因斯坦写了一本关于他的新理论的书，即

    《狭义与广义相对论浅说》。之后，其他人也开始写相对论方面的书

    籍。其中最有趣的一本是《物理世界奇遇记》(Mr. Tompkins in

    Wonderland ，1940年)，是由宇宙学家乔治·伽莫夫(George

    Gamow)写的。由于口碑很好，这本书现在依然在发行。像一个孩子一

    样，我如饥似渴地阅读了《空间和时间之旅》(A Guided Tour

    through Space and Time ，1959年)一书，它的作者是匈牙利物理学

    家伊娃·芬优(Eva Fenyo)。而如果你真的想要了解这个话题，你应

    该读一读基普·索恩于1994年出版的一本令人难忘的书——《黑洞与

    时间弯曲：爱因斯坦的幽灵》(Black Holes and Time Warps:

    Einstein’ s Outrageous Legacy )。它总共有600多页，是写给普

    通读者的。

    让四维空间可视化的诀窍非常简单：忽略其中的一维。当然，我

    们并不想忽略时间维度。但是我们可以将其中一个空间维度抛到水里，然后就剩下了二维空间和一维时间。结果是，时空变成了我们熟

    悉的三维空间。

    在二维空间里，物体只能前后左右移动，这里没有上下。下面我

    们看一下在二维空间(一个水平面上)发生的运动。

    请想象两种在这个水平面上沿直线运动的物体：一种是一束星

    光，以每秒30万千米的速度运动；另一种是一颗行星，与光束沿着同

    一个方向运动，但速度是光束的万分之一，仅为每秒30千米。如果不

    受外界影响，二者都会沿着相同的直线路径运动，尽管速度相差很

    大。

    现在，我们再把太阳也放在这个水平面上，距那条直线路径1.5亿

    千米远。众所周知，太阳的质量造成了时空弯曲。因此，光束和行星

    的运动路径都(受到影响而)弯曲。这时，奇怪的事情发生了：光束

    的路径只被弯曲了很小的角度(我们会在第3章讲述太阳的光线偏折效

    应)。但是，行星(让我们称之为地球)的路径却弯曲得很厉害，直

    到成为一个圆形轨道。这是为什么？如果两者都受到同样的曲率影

    响，难道它们不应该沿着同样的轨迹弯曲吗？

    不，这样想就错了。原因在于，我们所讨论的弯曲路径不是在空

    间里，而是在时空中。如果我们真的想知道发生了什么，就应该把时

    间维度和二维空间加在一起，即考虑三维时空中的运动。在这里，时

    间取代了第三个空间维度(上下)的位置。事实上，我们已经创造了

    一个新的三维坐标系。x 坐标轴和y 坐标轴——在水平面上——在每

    30万千米(光每秒经过的距离)处有一个刻度线。纵坐标z 轴也有相

    同的刻度线。

    让我们来看光束。在零点时，光束位于空间中的一点。一秒过

    后，它移动了30万千米——水平面上的一个刻度。但在三维时空中，它还向上运动了一个刻度。毕竟，已经过去了一秒钟。因此在时空

    中，光束是沿着一条倾角为45度的路径运动的。

    现在，让我们来看地球。一秒过后，它运动了30千米。我们的行

    星需要花费1万秒(也就是2小时47分钟)才能移动30万千米的距离。

    因此地球在三维时空中的运动路径(它的世界线)比光束的倾斜角度

    要小得多，仅为20角秒 [2] 左右。对于一位漫不经心的观测者来说，光束很明显是在沿对角线移动，而行星则沿直线上升——几乎是垂直

    的。

    到目前为止，一切情况都很好。现在，我们让太阳加入其中，会

    发生什么呢？在这个简化的故事里，太阳在空间中是不动的——速度

    为每秒钟0千米。所以，它在三维时空中的移动路径正好是垂直的。但

    是，由于太阳的质量在时空中制造了一个很小的弯曲，因此，光束的

    世界线和行星的世界线都被轻微地弯曲了一点儿。图1-1 在时空中，一束以每秒30万千米的速度移动的光，它的世界线 [3] 倾斜了45度；而以

    每秒30千米的速度移动的行星的世界线则几乎是垂直的(见上图，角度不按比例)。两条世界线都仅被太阳造成的时空曲率弯曲了一点儿(如下图所示)，但如果投影到空间坐标系(水平

    面)上，行星的偏离角度就显得比光束大得多

    光束的对角世界线被轻微地弯曲了，但不会持续很久，因为它的

    速度很快。几乎是立刻，光束便离开了这个被太阳质量所弯曲的时

    空。和之前一样，它沿着直线路径运动，保持45度的倾角，尽管这个

    倾角在一个与之前略微不同的方向上。投影到二维空间的水平面上，我们看到光束的轨迹有了轻微的改变。

    然而，地球仍停留在弯曲的时空区域中。它在时空中沿着几乎垂

    直的路径运动，保持20角秒的倾角。但由于太阳质量场的曲率，这个

    小倾角的方向一直在缓慢地变化。经过大概800万秒(三个月左右)

    后，倾角的方向改变了90度整。把它投影到二维空间的水平面上，我

    们会发现行星走过了绕日轨道的14。

    不过，这个曲率一点儿也不大。在800万秒中，行星在时空中“向

    上”移动了800万个刻度线。与此同时，它在空间中仅移动了2.36亿千

    米，在水平面上还不到800个刻度线。想要用肉眼看到行星在时空中的

    轨迹弯曲是极其困难的，因此它依然是一条近乎完美的垂直线。

    一年之后，地球走完了绕日轨道的一周，对应空间中不过9.4亿千

    米的距离，而这花费了3 150万秒的时间。地球在时空中的螺旋形世界

    线几乎很难和直线区分开来。这是因为太阳并不是特别“重”，它所

    引起的时空弯曲也就很小。尽管如此，如果我们忽略时间维度而只关

    注二维空间，地球的轨迹可以说被弯曲得很厉害，直到变成我们熟知

    的圆形轨道。与此同时，那束超高速运动的光，已经飞过了到最近的

    恒星将近14的距离。

    如果你是第一次听到这些，恐怕很难理解——我甚至还没有让你

    想象四维时空的样子。(如果你已经迷惑不解了，那么你可以在明天

    早晨或者下个礼拜，重新阅读前一页。)无论如何，你现在应该明白

    了，为什么我们日常的直觉在试图去理解时空的特性和广义相对论时

    令人失望。

    这是很好的一课。当我们在和碰撞的黑洞、超强时空弯曲以及引

    力波打交道的时候，我们不能相信自己的直觉。取而代之，我们必须依靠超级计算机基于广义相对论的运算。如果我们相信爱因斯坦的理

    论，我们就必须接受这些计算结果。

    这也是基普·索恩对《星际穿越》这部电影如此满意的原因之

    一。一个像Double Negative这样的视觉特效公司，在这方面的处理

    上，拥有比加州理工学院的理论物理学家们更强大的计算机。最终生

    成的电影镜头，将全新的、宝贵的见解展现给像索恩这样的科学家

    们。正如他在《星际穿越》 [4] 里所写的那样，“对我来说，那些电影

    片段就像实验数据。它们展示了我绝不可能没有模拟靠自己弄明白的

    东西，要是没有那些模拟的话”。

    今天，当科学家们有了新想法或新发现时，他们会怎么做？发表

    一篇论文，这正是索恩所做的。实际上，他发表了两篇论文：一篇是

    关于《星际穿越》中的虫洞，另一篇是关于电影里的巨型“卡冈都

    亚”黑洞。你可以从互联网上找到这两篇论文，第一篇名叫“将《星

    际 穿 越 》 中 的 虫 洞 可 视 化 ” ( Visualizing Interstellar’ s

    Wormhole )，发表在颇具声望的《美国物理学杂志》(American

    Journal of Physics )上；另一篇名叫“自旋黑洞所引起的引力透镜

    效应：在天体物理学和电影《星际穿越》中”(Gravitational

    Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the

    Movie Interstellar )，发表在《经典和量子引力》(Classical

    and Quantum Gravity )期刊上。两篇论文的合作者都有奥利弗·詹

    姆 斯 ( Oliver James ) 、 欧 仁 妮 · 冯 图 兹 曼 ( Eugénie von

    Tunzelmann)及保罗·富兰克林(Paul Franklin)。詹姆斯是Double

    Negative公司的首席科学家，冯图兹曼是该公司的计算机图像主管，富兰克林是该公司的联合创始人及视觉特效主管。对于一名理论物理

    学家来说，在IMDb电影资料库中名列监制队伍是一件很棒的事。对于

    一位特效专家而言，跻身arXiv.org(世界上最大的物理学论文的电子

    信息库)中同样令人愉快。

    不过，索恩必须承受一个小小的失望。一开始，他希望《星际穿

    越》能够提到引力波，毕竟他是LIGO项目的发起者之一，而且据他所

    知，这些难以捉摸的时空涟漪可能会在电影上映的那一年被首次直接

    探测到。遗憾的是，克里斯托弗·诺兰认为这会把电影的故事线变得

    太过复杂。好在直到电影正式上映323天后，人类才第一次成功探测到

    引力波。据我了解，基普·索恩可能会写一部续集。

    [1] 海洋测量中的深度单位，1英寻约为1.8米。——译者注

    [2] 1角秒=13 600度。——译者注

    [3] “世界线”(World line)是爱因斯坦在他1905年发表的论文《论动体的电动力

    学》中提及的概念。他将时间和空间合称为四维时空，粒子在四维时空中的运动轨迹即世界

    线。此处我们将其简化为三维时空。——译者注

    [4] 索恩所著这本书的英文原名为 The Science of Interstellar ，中文引进版译为

    《星际穿越》。——编者注第2章

    “相对”而言

    莱顿是一座诗意的城市。

    在新莱茵河36号的房子一侧，是一首用大字涂写的卡明斯(E. E.

    Cummings)的诗，整首诗有7米多高。

    时间上升 湮没星辰 此刻

    黎明

    进入天空的街道 光线漫步 诗句飘零

    虽然我不确定它的意思是什么，但它读起来很棒。

    卡明斯的诗并不孤独，它是一本诗集中的第23首。在古老的莱顿

    城中心还有上百首题壁诗。莱顿位于荷兰首都阿姆斯特丹南边40多公

    里处。

    有一首诗从众多诗歌中脱颖而出，它被题在布尔哈夫博物馆(荷

    兰国家科学和医学史博物馆)的东墙上。但是，你很难把它大声地读

    出来。它由一门很多人都不熟悉的语言写就，而且只有一行：

    也许它并不像一首诗，它是爱因斯坦广义相对论的场方程。你会

    注意到，这个方程由两部分组成，被一个等号分开，这意味着左边的

    部分等于右边的部分。左边部分描述了时空的弯曲，而右边部分描述

    了物质(和能量)的分布。如果改变物质的分布情况，时空的弯曲程

    度也会随之改变。改变时空曲率，物质运动也会随之改变，正如我们

    在第1章所讲的那样。爱因斯坦的场方程是用数学语言表达的。该方程最好的英文翻译

    则出自美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald

    Wheeler)之手。他是一位才华横溢的物理学家，也是基普·索恩的导

    师。他写道：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运

    动。”归根结底还是一首诗。

    布尔哈夫博物馆外墙上的公式是为了纪念爱因斯坦理论诞生100周

    年而涂写上去的，它亮相于2015年11月的纪念典礼，揭幕者是荷兰物

    理学家罗贝特·迪格拉夫(Robbert Dijkgraaf)。他是美国新泽西州

    普林斯顿高等研究院的院长，爱因斯坦人生的最后21年都在那里度

    过，所以由迪格拉夫揭幕再合适不过了。

    从布尔哈夫博物馆到位于拉姆斯地2号的布尔哈夫仓库步行只需15

    分钟。博物馆的修复主管鲍尔·斯蒂霍斯(Paul Steenhorst)有些东

    西想展示给我看。他带我爬了一层楼来到N1.01房间，这是一个温度完

    全可调控的房间，很多物理学藏品都被摆放在一排排松木橱柜里。鲍

    尔打开J410号抽屉，取出V34180号物品。这是一个很小的深蓝色纸

    盒。盒盖上写着“威迪文牌(Waterman)理想钢笔”几个字。

    一分钟后，我手中握着阿尔伯特·爱因斯坦的钢笔，这是他在

    1912—1921年用来书写一切的钢笔，包括1915年那篇关于广义相对论

    的论文的手稿。时空的弯曲、场方程、引力波……这些都出自这支精

    美的“Füllfeder ” [1] ，爱因斯坦喜欢这样称呼它。

    “六度分隔”(six degrees of separation)这个概念听起来是

    不是有些耳熟？这种观点认为，你和地球上任意一个人之间隔着的人

    不会超过6个。钢笔当然不是人，但从某种意义上讲，我和有史以来最

    伟大的物理学家之间仅隔着一个人。

    当然，我并不是第一个这么评价爱因斯坦的人，他被公认为有史

    以来最伟大的物理学家。至少，这也是1999年《物理世界》(Physics

    World )杂志发起的100位重要的科学家评选的结果。同年，《时代周

    刊》(Time )将爱因斯坦评选为“世纪人物”——请注意，这里的中

    心词不是物理学家，而是人物，后者的评选范围要大得多。人人都知道阿尔伯特·爱因斯坦是谁。大胡子、蓬乱的头发、松

    松垮垮的毛衣、露趾凉鞋……他已经成为偶像级科学家。没有几位科

    学家能令自己的面孔在明信片、咖啡杯和T恤衫上永存。是的，这样的

    声望让爱因斯坦在自己的72岁寿辰庆典上，忍不住对着合众国际社的

    摄影师亚瑟·塞西(Arthur Sasse)吐出了舌头。不过，的确是天赋

    助爱因斯坦平步青云，成为科学界的明星。

    如果我告诉你，你对宇宙的了解其实比爱因斯坦创建广义相对论

    时对宇宙的了解要多得多，你也许会感到很惊讶。然而在那时，没人

    见过月球的背面，冥王星尚未被发现，天文学家们也不知道太阳的能

    量来源是什么，旋涡星云的本质——像银行系一样的星系——还不清

    楚。而且，大多数科学家认为宇宙已经存在永恒的时间了。距离脉冲

    星、类星体及系外行星的发现还有几十年。反物质、中微子、夸克、星系团、伽马射线暴以及暗物质等词语对于1915年的爱因斯坦来说没

    有任何意义。

    1915年，科学家确知的是，宇宙是由引力控制的，尽管事实上引

    力是一种极为微弱的作用力。相比之下，电磁力要强得多。但是，电

    磁力可正可负，即为吸引力或者排斥力。在浩瀚的宇宙中，这些相反

    的力相互抵消。然而引力却总是起到吸引作用(反引力仍属于科幻小

    说范畴内的事物)。因此，恒星和行星的运动——当然还有旅行的人

    们和掉落的苹果——都受引力这一虚弱的力的掌控。图2-1 阿尔伯特·爱因斯坦在普林斯顿，新泽西州，1947年

    为了避免你怀疑引力是一个极弱作用力的观点，我们做一个简单

    的实验来证明它。请把一张小纸片撕成碎片，松手后它们会落在你的

    桌子上。是地球引力让它们飘落下来，也是地球引力防止你慢慢飘到

    天花板上。现在拿起一把小的塑料梳子，在你的头发或羊毛衫上摩擦

    后，再把梳子放到桌上纸屑上方几厘米处。猜猜会发生什么？纸屑立

    刻会被梳子上的静电荷吸引。你看，一把带静电荷的小梳子上的电磁

    力比一颗行星的引力还要大!这说明，引力的确是自然界中比较微弱

    的力。

    古希腊人对电磁力的了解不是很多(他们对强核力和弱核力一无

    所知)，对引力也知道得不多。亚里士多德认为，所有物体都有一种

    向宇宙中心移动的趋势。他还认为，宇宙的中心为地球所占据。因

    此，物体下落就是这么简单。另外，亚里士多德确信，重的物体要比

    轻的物体掉落得更快。谁知道呢，也许他是用羊皮纸或者古希腊双耳

    陶罐的碎片做的实验。

    很可惜，亚里士多德从未看过阿波罗15号飞船指挥官戴维·斯科

    特(David Scott)在月球上同时松开羽毛和锤子的视频(你可以很容

    易地从视频网站YouTube上找到)。月球上是没有大气的，也就没有空

    气阻力。没有了空气阻力，羽毛下落的速度就和锤子一样——这看上

    去很古怪。(它们的掉落速度仅为锤子在地球上掉落速度的16，因为

    月球上的重力仅为地球的16。)

    传说伽利略曾于1589年在意大利的比萨斜塔做了一个类似的实

    验。这个实验的步骤非常简单明了。先准备两个重量不同的圆球，可

    能一个是铅做的，另一个是木头做的。它们应该足够大和重，以避免

    空气阻力的干扰。然后他爬到塔顶，将两个球同时松开。哪一个球会

    先落地呢？如果它们同时到达地面，就能证明亚里士多德的观点是错

    误的。

    然而，并没有可靠的记录证明伽利略的确做过这个实验。是的，他自己是这样描述的，但这很有可能只是一个思想实验。而且就算伽

    利略真的在塔顶上抛下了圆球，那他也并非第一个做这个实验的人。

    1585年，佛兰德斯的科学家和数学家西蒙·斯泰芬(Simon Stevin)

    和他的朋友扬·科奈特·德格鲁特(Jan Cornets de Groot，后成为

    荷兰代尔夫特市市长)在代尔夫特新教堂的塔楼上做了这个实验。这件事被记录在斯泰芬于1586年出版的书中，我对它印象深刻，因为这

    座新教堂离我父亲的出生地很近。

    不管怎么说，到16世纪晚期，亚里士多德的观点终于被证明是错

    误的。(当你阅读第1章时，亚里士多德的地心说已经被哥白尼在几十

    年前否定了。)但是，无论是斯泰芬还是伽利略，都没有比古希腊人

    更好的关于重力本质的看法。和亚里士多德一样，他们从未想过宇宙

    中掌控恒星和行星运动的力，与主宰地球上铅球和苹果运动的力是一

    样的。之后又过了几十年，艾萨克·牛顿才意识到这个问题。(顺便

    提一下，牛顿被从树上掉落的苹果砸到脑袋的故事也只是一个传

    说。)

    牛顿在1687年发表了他的万有引力理论，不过不是在一篇科学论

    文中，而是在一本包罗万象的三卷拉丁文书中，这部著作就是《自然

    哲 学 的 数 学 原 理 》 ( Philosophiae Naturalis Principia

    Mathematica ，简称《原理》)。该书的第一个英文版直到1728年才

    面世，在作者离世一年以后。《原理》出版不到两个世纪后的1879年3

    月14日，在乌尔姆市(今德国)，保利娜·爱因斯坦-科赫(Pauline

    Einstein-Koch)生下了她的第一个孩子——阿尔伯特。阿尔伯特·爱

    因斯坦将证明，牛顿理论是错误的。

    现在，你已经听过了关于伽利略的传说，以及一个关于牛顿的传

    说。而关于阿尔伯特·爱因斯坦的传说则有无数个，简直可以填满这

    本书。幸运的是，他生命中的真实故事至少和这些传说一样令人振

    奋。简直就是传奇，听完后你也许会有这样的感慨。

    当阿尔伯特的犹太裔父母从乌尔姆搬到慕尼黑时，他只有一岁。

    阿尔伯特的父亲赫尔曼(Hermann)和他的叔叔一起开了一家生产电子

    仪器的小型工厂。他的母亲则负责照看房子和家庭，并在1881年11月

    生下了阿尔伯特的妹妹玛雅。阿尔伯特的姨妈范妮时常带着她的女儿

    赫敏、艾尔莎和宝拉前来做客。小阿尔伯特在姐妹的陪伴下长大；他

    很喜欢自己的妹妹，也很乐意和表姐艾尔莎玩耍。

    阿尔伯特是一个特别与众不同的孩子吗？并没有。不过他很安

    静，也很内向。在很小的时候，他便开始学小提琴，而且拉得不错。

    阿尔伯特同时痴迷于其他孩子毫不在意的一些事物，比如父亲在他5岁

    时送给他的指南针。无论你如何转动它，指南针的指针都会指向同一个方向，看起来是受到了时空中的某些东西的影响，这太神奇了!但

    是，赫尔曼从未想过自己的儿子可能会成为史上最伟大的科学家。

    阿尔伯特的父亲有其他更需要操心的事情。他的公司于1894年破

    产，不得已举家迁往米兰——也许幸运会在意大利降临到他头上。同

    时，因为15岁的阿尔伯特还在慕尼黑的路易博德文理中学读书，所以

    他留了下来。那时，他已经对物理学产生了浓厚兴趣，他的目标是考

    取苏黎世著名的瑞士联邦理工学院。

    阿尔伯特对女孩也有强烈的兴趣。(如我所说，他并没有那么特

    别——大多数那个年纪的男孩子都对女生有强烈的兴趣。)女孩子们

    也对阿尔伯特有着浓厚的兴趣，毕竟他是一个帅气的男孩，有一头黑

    色的卷发和一双美丽的黑眼睛。玛丽·温特勒(Marie Winteler)就

    是被他迷住的女孩之一。玛丽是鸟类学家约斯特·温特勒(Jost

    Winteler)的女儿，温特勒是瑞士阿劳阿尔戈夫州立学校的一名老

    师。阿尔伯特在温特勒的房子里度过了他在阿劳的两年学习时间。很

    快，他便和玛丽坠入爱河。

    1896年9月，阿尔伯特以优异的成绩通过了大学入学考试，至少在

    物理科学方面成绩优异。“不怎么懂历史……会说的法语也不太

    多”，山姆·库克(Sam Cooke)1960年的单曲《多美妙的世界》

    (Wonderful World )中的部分歌词，可以说是对爱因斯坦的贴切写

    照。但在物理、代数以及几何几门课上，他获得了最高分。17岁时，阿尔伯特被这所著名的理工学院录取了。

    一个17岁的少年能想到自己会成为解决物理学领域一系列棘手问

    题的人吗？我觉得不会，但阿尔伯特·爱因斯坦的确意识到了。一个

    谜团已经困扰人们数十年了，而且它很有可能对牛顿的万有引力理论

    构成挑战。

    牛顿理论的美好之处在于，它使得天文学家们终于理解了太阳系

    中行星的运动。利用牛顿的公式，我们可以比较容易地预测出行星在

    20年后的位置，或者描绘出一颗行星半个世纪前的状态——这二者基

    本上是同一类计算。我说“比较容易”是因为太阳系是一个复杂场景的切入点。如果

    只有一个太阳和一颗行星，运用牛顿公式就能把这类计算变成小菜一

    碟。而在真实情况下，行星的运动会受到系统中其他行星引力的轻微

    干扰。举个例子，为了预测土星的运动路径，你必须考虑木星的引力

    作用。有时，土星的运动会因木星的引力作用而减慢；其他时候，又

    会加速。计算所有这些干扰并不是一小块蛋糕，而是一整个面包房。

    牛顿理论遭遇的一个重要考验发生于1781年。那一年，英国的天

    文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)发现土星轨道外有一颗新

    行星——天王星。天文学家们马上利用牛顿公式来预测这颗新行星未

    来的轨迹。当然，他们考虑了其他大行星的引力影响。但是很快地，天王星明显偏离了天文学家们所预测的路径。牛顿的万有引力定律居

    然是错的？或者可能还有一颗行星，它拉了天王星一把？

    19世纪40年代，数学家们扭转了牛顿公式所面对的局面。在一般

    情况下，如果你知道所有行星的位置，就可以精确计算出它们的运行

    轨道。但如果做逆向运算会怎样呢？也就是说，你可以从天王星的异

    常轨道入手，计算在哪里可以找到那颗造成天王星偏离预期轨道的未

    知行星。法国数学家奥本·勒维耶(Urbain Le Verrier)接受了这个

    挑战。

    如今，我们可以很容易地利用计算机软件来解决这个难题，这是

    任何一个天文系学生在一天内就能完成的事情。然而，1840年还是写

    字桌、铅笔和纸，以及对数表的时代。勒维耶花费了几个月的时间，才得到一个可靠的答案。

    他的付出得到了回报。1846年9月，在勒维耶计算出的位置附近，科学家们发现了一颗新行星。勒维耶曾将自己的预测写信告知他在柏

    林天文台的同事约翰·加勒(Johann Galle)。在收到信后的几个小

    时之内，加勒及其助手海因里希·达赫斯特(Heinrich d’ Arrest)

    就发现了海王星。

    现在你大概明白为什么海王星有时也被称为“笔尖上的行星”了

    吧，因为它是基于数学计算而被找到的。这些计算运用了牛顿公式，因此海王星的发现，被视为牛顿万有引力定律的胜利。

    这确实是科学的一般运行方式，它始于观测，比如掉落的苹果与

    行星的运动。一些天才想出一些可以巧妙地解释观测结果的理论，比如艾萨克·牛顿和他的万有引力定律。随着越来越多的理论预测得到

    证实，科学家便更加相信该理论的正确性。

    在发现海王星的大约10年后，勒维耶又开始搜寻太阳系的第九颗

    行星。他没有选择在海王星轨道外搜寻，而是选择在太阳系最内侧的

    行星——水星的轨道内搜寻。原因在于，和海王星一样，水星也有些

    异常。

    水星绕太阳的公转轨道并不是完美的圆圈。水星与太阳的距离呈

    现出周期性变化的特点，这确实很古怪。更诡异的是，轨道自身也在

    缓慢地转动，水星离太阳最近的点(近日点)会随着时间的流逝而移

    动。在19世纪中期，这个被称为“近日点进动”的效应已经有很精确

    的测量结果了：大约每个世纪变化16度，这个幅度比牛顿理论的预测

    要大得多。正如勒维耶所计算的，92.5%的水星近日点进动归因于其他

    行星的引力干扰，但还有7.5%(每个世纪变化43角秒)原因不明。海

    王星的发现对研究水星的异常未能提供什么帮助，它实在太远了，而

    且移动得很慢。

    因此勒维耶提出，水星轨道内部一定有一颗尚未被探测到的行

    星。一颗离我们如此近的行星难道有可能不被我们探测到吗？绝对有

    可能。一颗离太阳非常近的行星几乎总是与太阳同升同落，结果就

    是，它只在白天出现在天空中，以至于你无法看到它。只有在两种罕

    见的情况下，你才有可能看到它：一种是在日全食期间，当明亮的太

    阳光彻底被月球遮挡时；另一种是在凌日的情况下，当这颗行星从太

    阳圆盘上经过的时候，从地球上观测它。

    由于勒维耶凭借天王星的反常成功地预测了海王星的存在，他确

    信水星轨道的进动也可以用一颗此前未知的水星内行星来解释。勒维

    耶甚至为这颗假想的被太阳“拥抱”的行星起了一个名字——伏尔甘

    (Vulcan)，这也是罗马神话中火神的名字。

    问题出现了，没有人找到伏尔甘——日食时没有，行星凌日的时

    候也没有。(现在，我们确定它并不存在。)因此，在19世纪末期，当阿尔伯特·爱因斯坦开始在苏黎世学习物理和数学时，他意识到牛

    顿的万有引力定律遇到了麻烦：它不能完全解释水星轨道的缓慢进

    动。是哪里出了问题呢？年轻的阿尔伯特也很清楚另一个棘手的问题，它和光的速度有

    关。

    光的移动快得难以想象，以至于科学家们很难测量它的速度。这

    意味着什么呢？如果有人站在纽约打开激光笔，这束光只需0.013秒就

    能到达洛杉矶(不考虑地球表面的弯曲)。直到17世纪后半叶，丹麦

    天文学家奥利·罗默(Ole R?mer)才对光速做出了很好的估测。如

    今，我们知道光速大约是每秒30万千米。(在完全真空的环境中，精

    确的光速是每秒299 792.458千米。)我们恰好幸运地选择了一个米制

    单位，使得光速与一个完美的整数如此接近。

    1690年，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan

    Huygens)出版了著名的《光论》(Treatise on Light )。他是那个

    时代最杰出的科学家之一，发现了土星环的本质和土星最大的卫星

    ——泰坦(Titan)，他还是第一个看到火星表面有暗斑的人。惠更斯

    极大地提高了力学和光学的研究水平，并发明了摆钟。

    在《光论》(初版为法语版)一书中，惠更斯证明光是一种波现

    象，并把光看作池塘水面上传播的波。就像水波或者声波(以及我们

    即将看到的引力波)一样，光波有很多性质。因此，着手研究任意形

    式的波的一般属性，是一个不错的创意。

    首先，我们看一下波的振幅。对于水波来说，振幅是浪尖和浪谷

    高度差的一半；对于声波或者光波来说，振幅是能量的量度——声音

    的音量或者光的亮度；对于引力波而言，它的振幅是波的强度——越

    强大的波，对时空弯曲的影响就越大。

    其次，我们看一下波的速度。池塘中的细浪以每秒大约1米的速度

    传播；空气中的声波以每秒330米的速度传播；光波和引力波以光速传

    播。

    最后，我们看一下波的频率，即在一个静止的点上所观测到的每

    秒经过的波峰的数量。让一只橡皮鸭漂浮在池塘的水面上，水波的频

    率可以告诉你鸭子上下晃动得有多快。如果波峰挨得非常近(波长很

    短)，频率就会相对快一些，鸭子也会晃动得快一些。如果波长长一

    些，波浪伸展得大一些，则对应较慢的频率及鸭子较慢的晃动。通过观察我们周围的世界，我们可以得出一个结论：波需要通过

    媒介来传播，池塘的细浪通过水来传播，声波通过空气来传播。由

    此，科学家们想到了“以太”—— 一种可以布满整个空白空间的神秘

    物质，并视其为光波的传播介质。

    但问题在于，19世纪末的物理学家们无法找到以太存在的证据。

    如果这种物质存在，我们的星球在绕着太阳运动时就会从各个方向穿

    过它，地球相对于以太便会有一个运行速度。而且，这个速度在光速

    的测量中应该会表现得很明显。

    想象一下，来自遥远恒星的光以每秒30万千米的速度在以太中传

    播，地球绕太阳公转的速度差不多是每秒30千米。如果地球“向上

    游”(逆着光的传播方向)，光波应该以每秒300 030千米的速度到

    达。如果地球“向下游”(顺着光的传播方向)，光的速度则应该是

    每秒299 970千米。(如果太阳系也在以太中运动，情况就会变得更复

    杂，不过大致情况如上所述。)

    现在我们回溯至美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊(Albert

    Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)的时代。1887年春

    天，阿尔伯特·爱因斯坦刚度过他的8岁生日，这两位科学家就在俄亥

    俄州的克利夫兰完成了一个精密的实验。我们没有必要讨论该实验的

    细节，只需要知道他们使用了一台干涉仪，正是这类设备于2015年9月

    第一次探测到引力波。

    迈克尔逊和莫雷的设备足够灵敏，可以测量出光速在各个方向上

    的细微差别。但他们并没有什么发现，无论对着哪个方向测量，光波

    总是以同样的速度移动。这就好比地球拖拽着假想中的以太在空间中

    移动。那时，没人可以就这个观测结果给出令人满意的解释。

    由此，爱因斯坦明白，有两个观测结果不能用当时的任何理论来

    解释：一是水星近日点的过度进动；二是光速的不变性。

    既然如此，就只有一种解决办法了：相对论。

    1896年秋天，时年17岁的阿尔伯特·爱因斯坦，于苏黎世理工学

    院开始攻读为期4年的数学和物理课程。最初他还和他的女朋友玛丽保

    持着联系，但在他认识了米列娃·玛丽克(Mileva Mari?)之后一切都变了。塞尔维亚人米列娃是阿尔伯特班里唯一的女生。和玛丽一

    样，米列娃比阿尔伯特大几岁。但跟玛丽不同的是，米列娃理解物理

    学中的复杂细节。就这样，她和阿尔伯特相恋了。

    4年后，阿尔伯特完成学业并被授予学位，拥有了到中学教数学和

    物理课的资格。然而，比起教书，他更乐意创作他的博士论文，最好

    是在荷兰的莱顿。莱顿大学是亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz)

    的家乡，这位当时最伟大的物理学家之一备受爱因斯坦的钦佩。洛伦

    兹的工作为爱因斯坦的相对论奠定了基础。

    1901年，抱着靠近洛伦兹的期望，爱因斯坦申请了另一位科学巨

    匠——海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)领导的莱

    顿大学低温实验室的一份工作。然而，卡末林·昂内斯根本没有回复

    爱因斯坦。这不仅对爱因斯坦来说是一个损失，也是荷兰物理界的损

    失。爱因斯坦最终成为一名专利局职员，供职于瑞士伯尔尼的联邦专

    利局。好友兼同学米歇尔·贝索(Michele Besso)的父亲热心地为爱

    因斯坦安排了这个职位。这不是一份令人兴奋的工作，但却为他提供

    了充足的空闲时间来研究他的物理理论。

    与此同时，命运对阿尔伯特并不算友好。1901年春天，米列娃意

    外怀上了阿尔伯特的孩子。他们的女儿莉赛尔(Lieserl)在次年1月

    出生，但是关于这个小女孩的更多细节仍不为公众所知，爱因斯坦的

    传记作者们直到1986年才知道莉赛尔的存在。她可能患有精神疾病，而且可能于1903年秋天因患猩红热而夭折，那是阿尔伯特的父亲赫尔

    曼离世的一年后(也有些人认为莉赛尔被米列娃的一个朋友收养，一

    直活到了20世纪90年代)。但无论如何，爱因斯坦似乎从未见过他的

    这个女儿。

    阿尔伯特和米列娃于1903年1月在伯尔尼登记结婚，他们的长子汉

    斯·阿尔伯特(Hans Albert)出生于1904年5月。爱因斯坦并未在养

    育孩子方面投入太多时间，更别提做家务了。在那个时代，这些都被

    看作女人的任务，为此米列娃不得不放弃她在物理上的抱负。而阿尔

    伯特则开始了对水星轨道谜题和光速不变性的探索。

    这个过程分为两个阶段。1905年，狭义相对论诞生，这开启了第

    一个阶段。基于赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann Minkowski)发展出的

    四维时空概念研究，爱因斯坦指出，空间和时间都是相对的概念。两

    点间的距离是多少，这取决于你提问的对象。关于事件发生的时间同样如此。两个做相对运动的观测者会给出不同的答案，而且他们都是

    对的。让我们对牛顿理论说再见吧，世界上不存在绝对的空间或者绝

    对的时间。

    狭义相对论不是一个简单的理论，要想完全理解它的内涵，你需

    要掌握复杂的变换公式。不过，结果却很容易理解。以接近光的速度

    旅行，旁观者会看到你的飞船缩小了——在它旅行的方向上变短了，这叫作“洛伦兹收缩”。此外，当你移动得足够快时，你的家人会看

    到你的时钟变慢了，这叫作“时间膨胀效应”。我们在日常生活中没

    有注意到这些现象的唯一原因在于，光移动得实在太快了。即使是

    F1(一级方程式)赛车手也不能明显感受到洛伦兹收缩和时间膨胀效

    应的影响。

    狭义相对论的基本假设之一是，光速对任何观测者都是一样的，不依赖于其自身的运动或速度。这正是迈克尔逊和莫雷观察到的，爱

    因斯坦把他们的结果视作真实有效的。从爱因斯坦的公式来看，它同

    样遵循了没有任何物体的运动速度超过光速的原则，这是大自然中最

    重要也是最基本的速度限制。

    在1905年发表的第二篇论文中，爱因斯坦推导出闻名于世的公式

    E=mc 2 ，毫无疑问这是史上最著名的公式。该公式表明，能量E 可以

    转换为质量m ，反之亦然。这是狭义相对论的必然结果，同样与光速c

    有着紧密联系。顺便说一下，我们的生命取决于这个方程的正确性。

    我们将会在第5章中看到，太阳发光是因为质量转化为能量——这一点

    爱因斯坦当时还不知道——地球上的所有生命，包括人类，如果没有

    太阳的能量都将无法生存。

    爱因斯坦发表于1905年的其他两篇论文则讨论了其他话题。一篇

    研究了分子的运动，另一篇则讨论了光子(即光的粒子)的存在性，后者为爱因斯坦赢得了1921年的诺贝尔物理学奖。总之，1905年是爱

    因斯坦的“奇迹年”，他还获得了苏黎世大学的博士学位。那一年，他只有26岁。

    爱因斯坦第二个阶段的研究重点是广义相对论。爱因斯坦使

    用“广义”一词，是为了表明它适用于所有情况，而不只是匀速直线

    运动这一特殊情况。广义相对论关注的是加速运动，这种情况发生在

    某些种类的力(比如引力或者敲击火箭的引擎)造成速度或者方向改

    变的时候。广义相对论的研究花费了爱因斯坦10年的时间，在此期间，他从伯尔尼搬到苏黎世，从苏黎世搬到布拉格，从布拉格搬回苏

    黎世，后来又迁往柏林。在此期间，他的第二个儿子(爱德华)出生

    了，他给他的初恋女友玛丽写了一封令人断肠的情书(当时米列娃正

    怀着爱德华)，他还迷恋上了他的表姐艾尔莎。当爱因斯坦在1914年

    搬到柏林的时候，第一次世界大战爆发了，米列娃和两个儿子待在苏

    黎世，阿尔伯特则与艾尔莎和她的女儿伊尔泽、玛格特生活在一起。

    那时，爱因斯坦已经成了一位受人尊重的物理学家。1911年，他

    终于在第一次抵达莱顿大学的时候与亨德里克·洛伦兹见了面。乌特

    勒支大学向他伸出橄榄枝，提供了一个职位。然而，爱因斯坦却选择

    了布拉格。1912年，他与奥地利出生的物理学家保罗·埃伦费斯特

    (Paul Ehrenfest)相识并成为朋友。大约从那个时候开始，他用上

    了“威迪文”牌钢笔，那支我曾在布尔哈夫博物馆的仓库中手握片刻

    的钢笔。之后在柏林，爱因斯坦成为洪堡大学的理论物理教授，并担

    任了新成立的威廉皇帝学会理论物理研究所的所长，以及德国物理学

    会主席(1916年)。

    广义相对论是一个关于引力的新理论。这或许听起来很古怪，但

    实际上不是。这归因于爱因斯坦于1907年首次提出的“等效原理”。

    根据该原理，引力和加速运动之间确实没什么区别。

    假设你抬脚走进一间没有窗户的屋子，你被地球引力拉到房间的

    地板上。现在，请想象你的朋友走进一艘飞船中的一间相似的无窗房

    间，飞船正在虚无的空间中向上加速运动。周围没有行星施加引力，但是他同样被拉到了地板上。这是因为整个房间作为飞船的一部分，正在向上做加速运动。

    爱因斯坦的等效原理指出，这两种情况没有本质区别。换句话

    说，对你和你的宇航员朋友来说，所有可能的实验都会得到相同的结

    果。因此，如果时间在一艘加速的宇宙飞船上变慢了，那它在一个强

    引力的环境中也会变慢。正如爱因斯坦在1911年拜访洛伦兹时所解释

    的一样，你的手表在一幢楼的二楼走得要比地下室略快一点儿，因为

    二楼的地球引力场稍弱。

    在接下来的几年间，爱因斯坦竭尽全力解决这一难题。后来，在

    他的朋友及同学马赛尔·格罗斯曼(Marcel Grossmann)的帮助下，他发展出复杂的数学运算以推动这个问题的解决。1915年秋天，爱因

    斯坦专注于疯狂的脑力活动，几乎没有离开过艾尔莎在哈柏兰大街5号

    的房子的阁楼。老旧的电话机(还有钢笔)摆放在桌上，地板上铺着

    破旧的地毯，墙上挂着艾萨克·牛顿的肖像。

    1915年11月，爱因斯坦完成了4篇在广义相对论的不同方面具有深

    远意义的论文：四维几何，质量、能量和时空弯曲，著名的场方程

    (如今涂写在莱顿布尔哈夫博物馆外墙上)，水星轨道近日点过度进

    动的准确预测。这些都可以用巨大的太阳附近的时空弯曲来解释。

    任务终于完成了。

    爱因斯坦在普鲁士科学院连续4周的“周四会议”上报告了他的论

    文，分别是1915年11月的4、11、18和25日。报告过程中，他会偶尔停

    下来，在黑板上涂写公式。在场的每个资深物理学家都能正确理解爱

    因斯坦的工作吗？答案可能是否定的。他们是否意识到广义相对论将

    会革新物理学？也许吧，但只是一部分人。他们钦佩这位年轻同行的

    天赋吗？这几乎毫无疑问。

    这一年，阿尔伯特·爱因斯坦36岁。

    又过了4年，爱因斯坦成了偶像级人物。此时他已经和米列娃(于

    1919年2月14日)离婚了，16个星期后他娶了艾尔莎。1920年，他被授

    予莱顿大学客座教授职务，此后的很多年里，他每年都会和埃伦费斯

    特(于1912年继任洛伦兹的职位)共度至少一个月的时光。之后，爱

    因斯坦成为荷兰科学院及皇家学会的一名外籍成员。他获得了诺贝尔

    物理学奖，参观了纽约，环游亚洲，还成了查理·卓别林(Charlie

    Chaplin)的朋友。

    1933年年初，阿尔伯特和艾尔莎第三次从美国访问归来后，他们

    决定不再回德国，因为阿道夫·希特勒(Adolf Hitler)当选德国总

    理。毕竟，爱因斯坦有犹太血统。在德国，他的名字出现在敌人名单

    上；他写的书被烧毁了；他们一家人在普斯(离柏林不远)的夏季度

    假小屋被夺走，变成了希特勒的青年营。在比利时停留了9个月后，爱

    因斯坦夫妇搬到英格兰，后来又去了美国。1933年秋，爱因斯坦接受了普林斯顿高等研究院的一个职位。就在几周前，他的好朋友保罗·

    埃伦费斯特饱受抑郁症的折磨而自杀。

    阿尔伯特·爱因斯坦的生命在1955年4月18日走到尽头。在普林斯

    顿医院里，爱因斯坦死于腹部的大动脉肿瘤破裂，享年76岁。他临终

    前给他的好友米歇尔·贝索(1955年3月逝世)的家人写了一封信。他

    在信中说：“像我们这样信奉物理学的人，知道过去、现在和未来的

    区别只是一个顽固而持续的错觉罢了。”终究，时间是相对的。

    爱因斯坦的亲笔书信依然可以在埃伦费斯特的家中找到，地址是

    莱顿威特罗诗大街(Witte Rozenstraat)57号。参观期间，来自全世

    界的同人被邀请在二楼客房外大厅的墙上签名。这些签名就像物理学

    界的名人录：尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)、保罗·狄拉克(Paul

    Dirac)、沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)、埃温·薛定谔

    (Erwin Schr?dinger)……

    离埃伦费斯特家不远，在Groenhovenstraat大街18号，有另一首

    题壁诗，出自阿根廷作家豪尔赫·路易斯·博尔赫斯(Jorge Luis

    Borges)之手。这首诗的结尾是：

    Tu materia es el tiempo, el incesante

    Tiempo. Eres cada solitario instante.

    (你的肉体只是时光，不停流逝的时光

    你是每一个孤独的瞬息。)

    [1] 德语中“钢笔”一词。——译者注第3章

    检验爱因斯坦

    耗资7.5亿美元来证明大家都信服的东西是正确的，这笔钱花得值

    吗？这正是NASA花费在“引力探测器B”卫星身上的金额。该项目于

    2015年测量到了“测地岁差”和“参考系拖拽”两个较为微弱的相对

    论效应，从而证实了爱因斯坦的部分预言。

    然而，在1963年项目启动时，有很多人争论道，宇宙中有如此多

    的新鲜事物等待我们发现，仅为了证实那些已经显而易见的事情而花

    费巨额资金，实在是太浪费了。

    “引力探测器B”首席研究员弗朗西斯·艾维特(Francis

    Everitt)闻言不禁叹了口气；他已经听到过很多次这样的说法了。在

    斯坦福大学的办公室里，他向我悉数这个项目的曲折历史，当然也有

    来自同事们的羡慕眼光。在科学界，如果你得到了钱，你就有了敌人

    ——这是一定的。

    82岁的艾维特在资金问题上有更长远的考虑。从官方第一次公布

    构想到产出科学成果，“引力探测器B”项目历时约半个世纪，这即使

    对一个空间科学项目来说用时也是非常长的。所以，如果把总花费平

    摊开来，你会发现每年的开支仅为1 400万美元，还不到NASA 2016年

    全年预算的0.001%。此外，关于爱因斯坦理论的定量检验一度可谓非

    常罕见。总而言之，艾维特认为，在“引力探测器B”身上花的每一分

    钱都是值得的。

    不过，还有一个问题需要回答：为什么一定要检验爱因斯坦理论

    的正确性呢？毕竟他是有史以来最伟大的物理学家。那么，有人确定

    他的相对论理论是正确的吗？

    事实上，并没有。

    换言之，科学家们对任何事都不会持百分之百确定的态度。明天

    可能有关于宠物理论的新的测量结果，正如当初对水星的轨道测量与牛顿万有引力定律的预测不完全一致一样。请记住科学是这样工作

    的：观测为理论所解释，理论做出预测，实验检验预测。如果结果一

    致，理论的可信度便得到增强。如果不同，其中一定有什么地方出了

    差错，你应该改进理论或者提出一个新理论，重新做一遍实验。这就

    是科学研究的方法。

    因此，检验预言是科学的“谋生之道”。弗朗西斯·艾维特喜欢

    引用伦纳德·希夫(Leonard Schiff，斯坦福大学物理学家，提

    出“引力探测器B”项目设想的第一人)的一句话：“没有实验支持的

    理论，又有什么意义呢？”

    在本章的结尾，我会回到“引力探测器B”“测地岁差”“参考系

    拖拽”上来，并提供更多的细节。现在，让我们先回溯到一个世纪之

    前。阿尔伯特·爱因斯坦刚刚建立了广义相对论。它完美地解释了我

    们身边的一切：下落的苹果、绕转的行星，以及水星近日点的过度进

    动。简直棒极了!但是，广义相对论真的是关于引力和时空的终极理

    论吗？爱因斯坦是对的吗？

    爱因斯坦提出了三种检验新理论的方法。第一种方法是看它能否

    成功解释曾激励爱因斯坦创建新理论的观测现象：水星的那个比牛顿

    理论的预测要旋转得快一些的椭圆轨道。的确，广义相对论完全解决

    了水星的进动问题。

    另外两种检验方法，则基于广义相对论独有的预言：一是星光的

    偏折；二是引力的红移。“试试吧，”爱因斯坦说，“如果我是对

    的，星光会被大质量物体所偏折，光的波长在强引力场中会发生变

    化。如果没有发生任何变化，那我就是错的，我们必须从头再来。”

    让我们从星光的偏折出发。想象一下，从地球上看向太阳，太阳

    的身后是无数恒星。当然，你无法看到它们，因为太阳太过耀眼，但

    它们的确存在。一年中的每一天，我们都知道太阳具体在哪一片天

    空。

    现在请想象一束从某颗恒星发出的光，在太阳边缘附近被我们观

    测到。这颗恒星的光在宇宙中笔直地穿行了几十或者几百年，正对着

    我们望远镜的方向而来。然后光从太阳附近经过。如我们在第1章所见，由于太阳是一个大质量物体，它在时空中造成了局域弯曲。因

    此，光束的路线变弯了。这束光轻微地偏移至另一个方向，从我们的

    望远镜中消失了。

    不过，如果这束光没有到达我们的望远镜，我们还能看见那颗恒

    星吗？答案是：当然可以。这颗恒星的其他光束被发射至空间中略微

    不同的方向上，笔直而来。在其他情况下，那些光束可能擦过我们望

    远镜的边缘。而一旦从太阳身边经过，它们的路线也会被时空曲率所

    弯曲，最终出现在我们的视野里。

    这正是爱因斯坦广义相对论的预言：我们可以观测到被时空曲率

    弯曲了传播路线的星光。如果没有时空曲率，从太阳身边经过的星光

    会令我们看到恒星位于太阳边缘。但是，由于穿行在太阳附近的光的

    确较之前偏转了一个微小的角度，所以我们看到恒星离太阳边缘比实

    际情况要远一点儿。也就是说，我们看到的恒星实际上处于一个“错

    误”的位置上。

    从某种意义上说，太阳就像个透镜，放大了它周围的星域。表面

    上，离太阳越远的地方，这个效应越会小到难以观测。但在太阳边缘

    附近，所有的恒星看起来都像被往外推了一点儿。这就是由时空曲率

    引起的星光偏折。

    奇怪的是，这个故事被人们曲解了。没有多少人知道，牛顿的万

    有引力理论同样预言了星光的偏折。这听起来很奇怪，光不是没有质

    量吗？一个没有质量的物体怎么会被如太阳一样的大质量物体吸引并

    偏转呢？好吧，让我们想象两个以同样距离绕太阳公转的物体：地球

    和苹果。地球的质量远大于苹果，因此，苹果产生的引力要比地球小

    得多。然而，对于小质量物体而言，微弱的引力足够产生同样的加速

    度。事实上，这就是西蒙·斯泰芬和扬·科奈特·德格鲁特所得到的

    实验结果，当他们在代尔夫特新教堂的塔楼上松开几个不同质量的圆

    球之后。对不同质量的圆球成立的规律，对地球和苹果也同样适用。

    它们被赋予了同样的加速度，所以，它们以同样的路径绕着太阳运

    动。

    由此可见，在牛顿理论中，引力加速度是不依赖于质量的。 [1] 苹

    果被加速到与行星一样的速度水平。即使是质量极小的基本粒子(如

    电子)，也会有同样的引力加速度。而行星、苹果及电子的质量根本没有出现在公式中。所以，即使光的质量真为零，牛顿理论也预言了

    引力加速度。(由于光的速度很快，所造成的偏转自然很小。)

    1911年，爱因斯坦第一次预言星光会被太阳偏折。令人沮丧的

    是，他得到了和牛顿一样的结果：刚好小于一个角秒。如果两个理论

    的预测值相同，那就没有实验能够只支持其中一个。不过在1916年，爱因斯坦意识到他犯了一个数学错误。实际上，广义相对论的预测值

    是一个两倍于牛顿理论预测值的值：1.75角秒。

    在日常生活中，1.75角秒的偏折根本不算大。想象你的朋友站在

    120米远处将手电筒的光照向你。你仔细地测量光的方向，然后你的朋

    友将手电筒移动了1毫米，也就是在方向上改变了1.75角秒。我打赌你

    很难测量出这个变化。

    这里还有一个问题，这个效应仅发生在太阳的可见边缘。我们都

    不曾试过在明亮的白天观测恒星，更别提测量它们的位置了。这有点

    儿像试图研究在前景泛光灯背后很远的地方飞舞的萤火虫一样，你会

    希望有人关掉泛光灯，或者至少以某种方式遮住它的光。

    我们可以用类似的方法解决星光偏折的测量问题。太阳会被月球

    暂时遮挡住。在日全食发生期间，太阳明亮的表面完全被月球遮挡

    住，其周围的恒星变得可见。

    所以，可行性计划是这样的：在日全食期间，对太阳周围的恒星

    进行拍照观测，此时没有能够弯曲时空、弯曲光线的太阳挡在前面。

    然后与此前几个月或之后几个拍摄的照片做对比，从而测量出恒星在

    日食期间的位置偏转程度。

    英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿在将这个计划变成现实的过

    程中起到了关键性作用。1916年年初，由于战乱不断，有关爱因斯坦

    广义相对论的消息隔了一段时间才传到英格兰。但是在莱顿，物理学

    家们对这个新理论了解得很清楚。莱顿的一位才华横溢的天文学家兼

    数学家威廉·德西特(Willem de Sitter)在英国的《皇家天文学会

    月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society )

    中提到了它。爱丁顿恰好是皇家天文学会的秘书，因此他成为第一个

    得知爱因斯坦最新理论的英国科学家，并因此成为爱因斯坦理论最狂

    热的粉丝和宣传大使之一。早些时候，德国的研究团队测量了发生于1914年8月21日的日全食

    期间的星光偏折，但是没有成功，主要原因在于战争。不过，爱丁顿

    相信自己会成功，并得到弗兰克·戴森(Frank Dyson)——伦敦东部

    格林威治天文台台长及英格兰皇家天文学家[名誉职位，设于1675

    年，约翰·弗兰斯蒂德(John Flamsteed)任首任台长]——的帮

    助。

    我可以轻松地想象出这两位天文学家是如何论证爱因斯坦的理论

    的。(特别提示：以下对话是我虚构的。)

    “最佳时机是1919年5月29日的日全食。”戴森

    说道。

    “这次日全食有什么特别之处吗？”爱丁顿问

    道。

    “嗯，它持续的时间较长，大约有7分钟，所以

    我们有充足的时间拍摄照片。另外，日全食期间，太阳位于金牛座，被有名的毕星团(Hyades)中较

    亮的恒星所包围。所以，我们有很好的机会观测这

    些恒星的位置。”

    “所有这些听起来都不错，有什么需要注意的

    吗？”

    “嗯……”戴森说，“大部分的全食带是在亚

    马孙热带雨林和非洲的热带丛林，而只有两处容易

    到达的观测地点：巴西东北部的索布拉尔镇，以及

    几内亚湾的普林西比小岛。”

    “太棒了!”爱丁顿答道。“那么我们组织两

    支考察队吧。即使其中的一个地点在日全食期间遇

    到了乌云，也没有关系。如果两个地点都碰上了好

    天气，得到了相同的观测结果，我们就会得到一个

    更令人信服的论据。”

    当然，说比做容易得多。那时候商业航空还没有普及，人、望远

    镜还有照相机都只能靠轮船运输，旅途长达几周时间。在巴西，望远

    镜在高温下无法工作，格林威治天文台的天文学家查尔斯·戴维斯(Charles Davidson)和安德鲁·克劳姆林(Andrew Crommelin)不

    得不使用一台小得多的仪器。与此同时，在普林西比，爱丁顿和钟表

    匠埃温·科廷汉姆(Edwin Cottingham)遭遇了多云天气，他们带回

    来的唯一一张有用的照片是他们设法在日全食的最后一分钟曝光得到

    的。

    很可能你从未见过日全食，大部分人都没有。但很多人都看过日

    偏食——太阳表面仅有一部分被月球遮掩，不过日偏食完全无法与日

    全食相提并论。如果你目睹过一次日全食，我确信你会同意我的看

    法。天空变成了钢青色，昼行性动物变得安静，黑暗降临，天空中的

    行星和恒星显露出来，太阳银白色的日冕包围在月球的黑色轮廓之

    外，这是大自然馈赠给我们的一份珍贵的礼物。无比神奇!

    我看过大概12次日全食(它们太让人上瘾了，只要看过一次，你

    就会想看更多次)，所以我理解爱丁顿和科廷汉姆的感受。1998年2

    月，在阿鲁巴的加勒比岛上，天空阴沉了将近一整天，直到日全食开

    始的时候。所有聚集在那里的人都紧张坏了：如果乌云没有及时散开

    该怎么办？(很幸运，乌云终究还是散开了。)一年半之后，在1999

    年8月的日全食发生前，我带家人赶往土耳其，那里天气晴朗的可能性

    比法国和德国大。尽管如此，我记得自己在日全食前一天看到一小朵

    白云出现在地平线上时，我还是紧张得不得了，虽然我不是去证实爱

    因斯坦的理论的。

    无论如何，在1919年日全食期间，科学家们成功地拍到了照片，从而测定了恒星的位置。同年11月6日，星期四，英国皇家天文学会和

    伦敦皇家学会联合举办了一场会议，爱丁顿在会上公布了观测结果。

    没错，那张照片上的毕星团恒星都从被遮挡住的太阳边缘移走了。而

    且，偏折角度的大小和爱因斯坦的预言表现出很好的一致性。(爱因

    斯坦的一位研究生伊尔泽·施耐德后来问他，如果他的预言没有在

    1919年的实验中被证实，他会有何感想。“我会为上帝感到遗

    憾，”爱因斯坦自信地回答道，“这个理论最终是正确的。”)

    第二天，《伦敦时报》把这一结果写成了一个故事，标题为“科

    学的革命：宇宙的新理论”。两天之后，即1919年11月9日，《纽约时

    报》在头版刊登了这则新闻，所起的4个标题是我见过的最有纪念意义

    的标题了。

    LIGHTS ALL ASKEW IN THE HEAVENS(天空中的光都是歪的)

    MEN OF SCIENCE MORE OR LESS AGOG OVER

    RESULTS OF ECLIPSE OBSERVATIONS

    (研究科学的人或多或少地都在渴盼日全食的观测结果)

    EINSTEIN THEORY TRIUMPHS

    (爱因斯坦理论取得巨大成功)

    STARS NOT WHERE THEY SEEMED OR WERE

    CALCULATED TO BE, BUT NOBODY NEED WORRY

    (星星并不位于它们看起来或科学家计算出的位置，但谁也不必担心)

    我尤其喜欢“但谁也不必担心”这句话，没错，宇宙一片混沌，但我们都不必为此忧虑得夜不能寐。

    终于，在阿尔伯特·爱因斯坦建立广义相对论的4年后，世界上的

    人普遍认识了它，而且喜爱着它。那时第一次世界大战刚结束一年，在经历了战争的恐惧之后，人们渴望听到一些好消息。有什么能比人

    类揭开了宇宙的奥秘更美好的事呢？德国和英格兰之间不再交战，一

    个德国科学家提出的理论被英国的天文学家所证实，这不是很棒吗？

    爱因斯坦和爱丁顿都是和平主义者，而且很多人希望同他们一起，证

    明国际科学合作将成为一种消除战争的手段。几乎一夕之间，爱因斯

    坦举世闻名。

    很久之后，一些科学家开始怀疑爱丁顿观测结果的准确性，甚至

    怀疑他的科学诚信度。毕竟在很早的时候，他就成了广义相对论的坚

    定信徒，还非常急切地去证明爱因斯坦是对的。他会不会有点儿太着

    急了？他会不会删去了与爱因斯坦预言不符的数据，低估了测量的误

    差，只为了得到一个自己想要的结果？我并不这样认为。我承认，1919年的胶片的成像质量的确非常

    低。位置的不确定性很大，大概是一角秒的15。今天的天文学家们要

    求结果必须具有统计学意义，才会被说服。但研究者于1979年对索布

    拉尔和普林西比的照片进行分析，得到的结果和爱丁顿相同，即观测

    数据和爱因斯坦的理论是相容的。

    之后的日全食观测在更高的可信度下也得出了相同的结论。此

    外，多亏空间探测的极高灵敏性，我们不再需要借助日全食来测量星

    光的偏折。欧洲于2013年12月发射的“盖亚”(Gaia)卫星，对恒星

    位置的测量精度可达到140 000角秒。这相当于你的朋友站在距你大

    约8 500千米(而不是120米)处，将手电筒移动1毫米的改变。“盖

    亚”实在是太灵敏了，它能测量出全天空中太阳所引起的光线弯曲效

    应，它甚至还能测量木星和土星这种巨行星造成的极为微小的影响。

    由此，今天的天文学家们得以时常观测由大质量星系和星系团引

    起的引力透镜效应。和太阳一样，它们弯曲了时空，也弯曲了来自背

    景源(在这种情况下，是非常遥远的星系)的光线的传播路径。星光

    的偏折停留于此。爱因斯坦终究是对的，至少在这个方面。

    广义相对论的第二个可检验的预言是引力红移。还记得爱因斯坦

    曾告诉洛伦兹，他的手表在二楼要比在地下室走得快一点儿吗？这是

    因为广义相对论预测钟表的走时在强引力场中会变慢。想象一下，你

    站在曼哈顿下城区的地面上，你的妹妹站在540米高的自由塔塔顶上。

    现在拿出你的激光笔，它的波长通常是532纳米(1纳米是1米的10亿分

    之一，所以532纳米等于0.000 532毫米)。请将激光笔指向你的妹

    妹。(提醒一下，这仅是一个思想实验。永远不要将激光笔指向别人

    的脸，它对眼睛有害。)她看到的波长是多少呢？不是532纳米，而是

    一个比532纳米略长的波长，而且颜色偏红。原因在于，时间对于她来

    说走得更快。

    正如我们在第2章看到的，波长与频率相关。在地面上，激光笔所

    发出的光的波长是532纳米，对应频率为563.5万亿赫兹(每秒经过的

    波峰数目)。(想自己算一下吗？方法很简单，用波长除以光速，就

    可以得到对应的频率。)在自由塔的顶端，激光仍保持着相同的速度。毕竟，根据爱因斯

    坦的理论，光速是不变的。但是塔顶的引力要比地面上弱一点儿，因

    此时间走得稍快一点儿。在564.3万亿个波峰全部通过前，一秒钟已经

    过去了。换句话说，你妹妹观测到的光频率略低、波长略长、能量略

    低，而且颜色偏红。这就是引力红移。

    不用说，这个效应微弱到难以想象。它并不意味着当你从一座高

    塔向下望的时候，你脚下的世界看起来会有些发红。这个效应有多小

    呢？要知道，即使是珠穆朗玛峰的顶峰，那里的时间相较海平面每年

    才快130 000秒。你的妹妹可能需要一个超级灵敏的测量仪，来测量

    这支激光笔的光的非常微小的波长增量，它可能要小于0.000 000 000

    01%。

    哈佛大学的罗伯特·庞德(Robert Pound)和格伦·雷布卡

    (Glen Rebka)就建造了一台这样的测量仪。1959年，在爱因斯坦逝

    世4年后，他们进行了第一次测量引力红移的对照实验。那时，纽约的

    帝国大厦是世界上最高的建筑，但庞德和雷布卡并不需要在那里做实

    验。他们的设备非常灵敏，即使在只有22.5米高的杰斐逊实验室，也

    能探测到微弱到400万亿分之一水平的引力红移效应。

    我不会在此赘述庞德-雷布卡实验的细节。该实验过程非常复杂，用到了放射性铁、充满氦气的聚酯薄膜袋、锥形喇叭、伽马射线吸收

    器、闪烁计数器等物品。我们需要了解的关键信息是，实验很成功，其结果与爱因斯坦的广义相对论相当吻合。

    因此，庞德和雷布卡证实了爱因斯坦的时间随着引力的增强而变

    慢的预言。在相对论看来，没有什么是绝对的，包括时间的流逝。而

    且，不仅是你手表里的齿轮由于引力效应而需要更长的时间绕转一

    周，时间本身也变慢了。每个物理过程在强引力场中都需要更长的时

    间才能完成。

    当我还是青少年的时候，我可以想象我手表上的指针出于一些原

    因走得慢了，但我很难相信自己的心率会变慢，体内的细胞会放慢步

    伐，我甚至会活得更久。这听起来就像魔法或者幻想，而非科学。不

    过，这确实正在发生。

    话说回来，在某种意义上，我的怀疑也是有道理的。当时间本身

    在一个强引力场(如黑洞附近)中慢下来，每一秒比往常更长一点儿。外太空中处于一个不同参考系的人的确会注意到我的心脏跳得更

    慢了，我也会活得更久。但是，我本人完全不可能意识到这些变化，也没有任何方法能让我注意到。我的心率依然是标准的每分钟80次，预期寿命依然是80多岁。变慢的时间对我没有任何好处。我的大脑也

    会慢下来，所以这并不意味着我能拥有多余的时间来读更多的书或者

    学习语言。

    无论如何，在我15岁的时候，我对万物都存在概念理解上的困

    难，我猜很多人也如此。所以，当我读到一个激动人心的实验时，我

    大吃一惊。1971年秋天，物理学家约瑟夫·哈费勒(Joseph Hafele)

    和天文学家理查德·基廷(Richard Keating)乘飞机进行环球旅行，他们携带着非常特殊的旅行伴侣——原子钟，试图测量时间延迟效

    应。费用总计8 000美元，包括观测者的餐饮在内。这一实验不仅令人

    兴奋，还很便宜。

    哈费勒和基廷先将两台原子钟放在一架绕地球向东飞行的飞机

    上，同地球的自转方向一致。然后他们又将原子钟放在一架绕地球向

    西飞行的飞机上，与地球的自转方向相反。关于这个实验有一张非常

    有名的照片，照片上两位科学家和他们的仪器占据着一整排座椅，一

    位年轻的空姐正在查看她的手表，仿佛它会露出任何时间延迟的迹

    象。到我创作这本书的时候，哈费勒和基廷已经与世长辞，但这名空

    姐可能依然在世，只可惜我没能找到她。

    在空中，引力要比在地面上弱一点儿，我们期待看到原子钟走得

    快一点儿。引力时间延迟效应已经被庞德和雷布卡以引力红移的形式

    令人信服地证明了。但运动上的时间延迟效应——爱因斯坦1905年建

    立的狭义相对论所预言的一种效应——还有待验证。简单地说，就是

    你移动得越快，你的钟表走得就越慢。

    引力时间延迟效应对于向东和向西的飞机是相同的。毕竟，两架

    飞机都在几乎一样的高度上飞行，因此这一效应是相同的。但运动上

    的时间延迟效应则不同。向东和向西的飞机以几乎相同的速度飞行，而这只是相对于下方的地面而言。在这种情形下，我不需要考虑相对

    于地球中心的速度。想象一个三维坐标系，原点是地球中心，行星在

    坐标系中自转，地球表面上的每个纬度都有一个确定的转动速度。如

    果你向东飞行，同地球的自转方向一致，那么你相对于坐标系的速度

    会快一点儿。相反，如果你向西飞行，速度则会慢一点儿。不同的飞

    行速度产生了不同的钟表速率。当哈费勒和基廷在华盛顿降落时，他们将实验用的原子钟与美国

    海军天文台的原子钟进行对比。不出所料，这两台原子钟在高速飞行

    中分别增加和减少了几十纳秒，与爱因斯坦的预言完美吻合。

    原子钟依靠原子中电子能级跃迁时的共振频率来测量时间。哈费

    勒—基廷实验巧妙地证明了一个事实：大自然中的每个物理过程都会

    因时间延迟效应而减慢。物理学家们可能仍然不知道时间的本质，但

    他们知道：对于高速移动或者处于强引力场中的观测者来说，时间变

    慢了。

    对宇航员来说，这是一个好消息。国际空间站在地球上空几百千

    米处环绕地球运动，由于引力时间延迟效应，那里的引力变弱意味着

    宇航员的时钟变快了。但是，空间站的飞行速度是每秒约8千米，它使

    得时钟因运动上的时间延迟效应而变慢。对于轨道上的宇宙飞船来

    说，后一个效应比前一个效应大。所以实际效果是，当你在飞船上的

    时候，年龄的增长会比在地面上慢一点儿。一个在空间站待了6个月的

    宇航员可以赢得7毫秒的时间。

    你也许会好奇，为什么这些效应很重要？这些毫秒、纳秒、角

    秒，会对我们的日常生活产生怎样的影响呢？难道这些不只是喜爱多

    维空间、黑洞和奇怪数字的书呆子们的深奥游戏吗？

    从某种意义上说，爱因斯坦广义相对论的重要性超出日常生活中

    的任何事，因为它告诉我们的是世界的基本性质。感受到想要知道、理解的冲动，是我们生而为人的重要部分。

    不过，日常生活中还有其他可测量的效应。虽不是很多，但依然

    存在。比如，如果技术人员没有将广义相对论效应考虑进来，你车上

    的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)就无法正常工

    作，致使你可能驶入一条沟渠或者小溪，而非你想去的餐厅。

    你的GPS只有先知道你在哪儿，才能指导你从纽约如何驾车到旧金

    山，或者穿过一个陌生小镇纵横交错的街道“迷宫”。为了测算出你

    的位置，需要从若干卫星上提取信号。在大约2万公里的高空，约有30

    个这种卫星正绕着地球运行。每一颗卫星都载有一台原子钟，通过比

    较来自三颗或更多颗卫星的原子钟信号，GPS可以计算出你到每一颗卫

    星的距离，然后通过三角几何测算出你的位置——经度、纬度和高

    度。正因为这些卫星在高空中运行，原子钟会受到时间延迟效应的影

    响。如果GPS没有考虑这些效应，测算出的位置就会在一个小时内偏离

    很多米。所以，这就是仅溜走几纳秒的爱因斯坦时间确实会产生重要

    影响的生活情境。下一次当你使用GPS时，你可以想一想。

    庞德-雷布卡实验和哈费勒-基廷实验是比较有名的相对论检验实

    验，此外，还有很多，比如伊维斯-史迪威(Ives-Stilwell)实验、肯尼迪-桑代克(Kennedy-Thorndike)实验、罗西-霍尔(Rossi-

    Hall)实验、弗里希-史密斯(Frisch-Smith)实验。它们中的大部分

    都是以两位白人男性实验者的名字命名的，然而，也有一些例外。比

    如，E?t-Wash实验并不是以物理学家E?t和Wash命名的，而是以罗兰大

    学(E?tv?s Loránd University)和华盛顿大学(University of

    Washington)的名字命名的。我不会在这里具体描述每个实验，但无

    论是涉及快速移动的介子的寿命，还是月球的轨道加速度，这些结果

    都一遍又一遍地证实了狭义相对论和广义相对论，而且精确度更高。

    所以，再花费7.5亿美元做另一个检验可能会遭到非议，尤其考虑

    到哈费勒和基廷只花了8 000美元就做了一个成功的同类实验。

    不过话说回来，设计与建造“引力探测器B”卫星的初衷是验证一

    些从未有人检验过的效应：不是时间膨胀、引力红移、星光偏折，而

    是“测地岁差”和“参考系拖拽”。(为了避免你产生疑惑，在此补

    充一下，没错，之前还有一个“引力探测器A”，这个1976年启动的项

    目是为了得出比庞德和雷布卡的实验结果更加精确的关于引力红移效

    应的观测结果。)图3-1 “引力探测器B”卫星是首个检验爱因斯坦广义相对论预言的太空实验。图中右上方是

    它的望远镜，在4个太阳能板上的扁圆锥形结构是装有陀螺仪的杜瓦瓶

    “测地岁差”有时也叫作“德西特岁差”，得名于在1916年首次

    描述它的荷兰数学家威廉·德西特。(你或许还记得，德西特也是将

    爱因斯坦的广义相对论写入文章并传播到英格兰的人。)它本质上是

    在大质量物体附近时空弯曲的直接结果。

    想象一个孤立的圆球在空无一物的空间中旋转，在没有外力的条

    件下，球的自转轴总是指向同一个方向。现在，让这个旋转的球绕着

    地球公转。牛顿理论预言球的自转轴依然保持原来的方向，如果它指

    向一颗遥远的恒星，它将保持下去，一圈又一圈。但是，爱因斯坦理

    论的预言与之不同。由于地球的存在，行星附近的时空被弯曲。这个

    圆球的自转轴的确在这片弯曲的时空中指向某个固定的方向，但如果

    从时空平坦的远处看，你会发现缓慢的漂移现象。自转轴可能刚开始

    指向一颗遥远的恒星，但在转了很多圈之后，便不再指向那颗恒星

    了。这就是测地岁差效应。

    参考系拖拽效应也很容易想象出来。你可能见过以蹦床上的保龄

    球来比喻时空弯曲的例证。蹦床平坦的表面代表时空，保龄球代表太

    阳或者黑洞之类的大质量物体。正如保龄球将蹦床的表面压弯了一

    样，大质量物体在时空中造成了局域弯曲。

    蹦床的比喻并不完美，但没有一个比喻是完美的。而且，这个比

    喻在解释参考系拖拽效应方面是合适的。想象你正站在蹦床旁，保龄

    球造成的凹陷是完美对称的。现在将你的手放在保龄球上，并使之旋

    转。蹦床的表面也会随之旋转，尽管它无法与保龄球保持同步旋转。

    因此，这个凹陷不再对称，所有的坐标线将扭成螺旋形图案。这就是

    参考系拖拽效应。

    参考系拖拽中的参考系是指惯性参考系，也就是时空坐标系(蹦

    床的表面)。将一颗行星(保龄球)放在时空坐标系中，时空变得弯

    曲。旋转行星时，弯曲的时空也会被一起拖拽，从而产生一个额外

    的、非常小的旋转体自转轴的进动。这种特别的参考系拖拽，被称

    为“转动的参考系拖拽”，于1918年由奥地利数学家约瑟夫·兰斯

    (Josef Lense)和物理学家汉斯·蒂林(Hans Thirring)首次提

    出，因此也被称为兰斯-蒂林效应。在斯坦福大学，物理学家列奥那多·希夫(Leonard Schiff)和

    威廉·费尔班克(William Fairbank)自1960年起就萌生了测量这两

    种效应的想法。1962年，28岁的弗朗西斯·艾维特加入了他们。在伦

    敦，艾维特被培养成一名地质学家。但在古地磁学领域度过5年的时光

    之后，他认为物理学更有意思。于是，他在宾夕法尼亚大学额外花了

    两年时间，专门学习低温物理学。

    希夫和费尔班克提出在实验中使用超精确的陀螺仪——乒乓球大

    小的完美球体——它可以被磁化和冷却到接近绝对零度，从而得出最

    佳测量值。

    这个项目的启动花费了多年时间。一开始，资金非常少，艾维特

    甚至担心希夫和费尔班克无法支付自己的薪水。而且，项目几乎没有

    什么进展。之后NASA加入进来，这既是好事也是坏事：项目得到了推

    动，但有几次却差点儿被NASA扼杀掉。20世纪70年代末，航天飞机项

    目启动，NASA决定将“引力探测器B”卫星装载到飞机上。1986年，挑

    战者号航天飞机爆炸，7名宇航员不幸遇难。NASA因此不再愿意把财力

    投入到一个有潜在风险的物理实验上，就连一次计划好的航天飞机上

    的演示活动也被取消了。

    之后的几年里，NASA的负责人换了又换，致使该项目的预算起起

    落落，在国会山召开了一次又一次听证会。终于，在20世纪90年代

    初，这一项目得到了批准，这主要归功于项目管理人布兰德·帕金森

    (Brad Parkinson)。艾维特始终坚信，20世纪80年代中期帕金森的

    参与是“引力探测器B”项目的不确定历史中的关键性一步。帕金森不

    是一名科学家，而是空军上校、发明家和工程师，他在GPS的实现上功

    劳很大，他知道该如何操控这类系统。另外，斯坦福团队还得到了丹

    尼尔·戈尔丁(Daniel Goldin，1992—2001年任NASA局长)的全力支

    持。

    最终，“引力探测器B”卫星于2004年4月20日在加州范登堡空军

    基地被发射升空。无论是希夫还是费尔班克都未能在有生之年目睹这

    一景象，艾维特此时也已经70岁了，不过对他来说，这样的等待还是

    值得的。

    在大约一年的时间里，“引力探测器B”卫星的4个陀螺仪在密封

    装置杜瓦瓶的保护下，躲开了太阳辐射、微型陨石和温度变化，以几乎不受干扰的自由落体运动绕着地球运转。超过2 400升的液氦超流体

    让灵敏的科学仪器保持在仅超过绝对零度1.8度的温度水平上。

    由于陀螺仪的形状是完美的球形，它的转子稳定地朝着局域参考

    系(地球邻域轻微弯曲的时空)的方向。同时，“引力探测器B”卫星

    的望远镜锁定的是飞马座的一颗遥远恒星。测地岁差效应和参考系拖

    拽效应会造成陀螺仪的转子方向相对于卫星慢慢地漂移。敏感的超导

    量子干涉装置(SQUIDs)测量出磁化转子的方向改变小于0.000 5角

    秒。

    毫无疑问，这与乘坐一艘轮船去普林西比岛拍摄日全食照片有很

    大的不同，甚至比起从杰斐逊实验室顶层发射伽马射线并测量微小的

    波长变化还要复杂得多。相较于让原子钟乘坐商业飞机环游世界，这

    个项目极为昂贵。但是，这个实验提供了一个独一无二的机会来检验

    爱因斯坦的理论。如果有任何与广义相对论不符的微小偏差出现，后

    果将不堪设想。

    对“引力探测器B”卫星的数据分析花费了几年时间。相对论效应

    非常微弱，而测量噪声却很大。最终的结果发表于2011年春天，和爱

    因斯坦的预言表现出良好的一致性。否则，这个项目无疑会出现在当

    地报纸的头版上，毕竟“爱因斯坦错了”是个很吸引眼球的标题。但

    正相反，爱因斯坦再次证明了自己。测地岁差为每年6.6角秒，参考系

    拖拽为每年0.037角秒。这是非常难以想象的微小效应，但几乎刚好是

    爱因斯坦的预测值。广义相对论从未在如此高的精确度下得到检验和

    确认，所以弗朗西斯·艾维特的这个耗资7.5亿美元的项目是值得的。

    那么，我们已经走完验证爱因斯坦理论的征程了吗？

    并没有。

    广义相对论的现有形式很可能并不是关于空间、时间和引力的本

    质的最终定论。原因在于，这个理论与20世纪物理学的另一重大支柱

    ——量子力学完全不相容。我会在第12章中阐述这个问题。科学家们

    迟早会想出一个实验，其结果只吻合其中一个理论的预测值，就像水

    星轨道的异常不符合牛顿理论的预言一样。这些异常就像天边的云朵，一开始很纯粹，但却有着形成雷暴的潜能。这一结果将会令我们

    走上更新更好的理论道路。

    既然如此，2015年9月第一次探测到引力波的成就被誉为几十年来

    最重大的科学突破之一，就没什么可惊讶的了。这曾是阿尔伯特·爱

    因斯坦的一个未被直接证实的百年预言，也是研究宇宙中最高深莫测

    的天体——黑洞的一种崭新方式。

    这个新工具能成为我们打开时空的秘密之门的钥匙吗？

    [1] 引力加速度公式为a=GMR2，a取决于太阳的质量 M ，与运动物体的质量无关。

    ——译者注第4章

    波之论与棒之争

    菲利普·莫里森(Philip Morrison)能做的只是挥舞他的手杖。

    1974年6月10日，星期一，很多科学家聚集在麻省理工学院

    (MIT)的第五届剑桥相对论会议上。讲座、口头报告、海报展示、问

    答环节……这些都和往常一样，似乎是一场并没有什么特别的科学会

    议。

    直到引力波话题被提起，彻底打破了这种平静。两位重要的参会

    者约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)和理查德·加尔文(Richard

    Garwin)展开了讨论，继而变成了争吵，他们冲着彼此大吼大叫。接

    着，他们抬起脚并在众目睽睽之下走近彼此，瞪着愤怒的双眼，咬着

    牙，握紧拳头。到底发生了什么？

    被脊髓灰质炎缠身的莫里森，是麻省理工学院的物理学教授，也

    是这场会议的主持人。他喊着“先生们，先生们”，却没有任何作

    用。此时的每一分每一秒，韦伯和加尔文都有可能以类似酒吧斗殴的

    状况收场。莫里森应该做什么呢？像男巫挥舞着魔杖一样，莫里森举

    起他的手杖来将两位“战士”强行分开。他成功了，没有人流血。

    这场争执到底是怎么一回事呢？简单地说，是因为韦伯声称他探

    测到了引力波，但加尔文不相信他，而且有足够合理的理由质疑他。

    实际上，几乎没有人相信韦伯的话。那个时候，一些物理学家甚至怀

    疑引力波的存在。难怪场面会失控。

    科学家对于引力波的困惑可以追溯到1916年，以及爱因斯坦本

    人。原因是什么呢？要知道，并不是每一个广义相对论的预言都像我

    们想象的那么明确。水星的近日点进动比牛顿理论预言得要快，星光

    被时空曲率弯曲，时间在强引力场中会变慢，这些都是简单的预言。然而，其他的预言就不那么明确了，引力波的存在也是其中之一，至

    少对于爱因斯坦来说如此。

    在数学形式上，广义相对论的场方程与麦克斯韦的电磁学方程组

    有些类似。19世纪60年代，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯

    韦(James Clerk Maxwell)首次提出，电与磁不过是一枚硬币的两

    面。他还提出，光是一种电磁波现象。一个半世纪以后，他的方程组

    依然著名到出现在T恤上(虽然可能只有物理系的学生才会穿)。对于

    爱因斯坦的场方程来说，情况也是一样。

    但是，它们到底有多相似呢？

    麦克斯韦的电磁理论非常容易理解。取一个电荷，令它加速，它

    便会产生电磁波。这一结果在我们周围以光、无线电波等形式表现出

    来。所以，你可能会天真地期待从广义相对论得到同样的结果：取一

    个引力电荷(一个大质量物体)，令它加速，就会产生引力波。这种

    想法听起来很有逻辑，也确实是爱因斯坦在1915年年底时计算出最终

    版本的场方程之后所考虑的事情。

    但是，电磁与引力之间有着巨大的不同。电荷和磁荷可正可负，可相互吸引或者彼此排斥。然而，质量总是正的，世界上不存在负质

    量的物体。其结果就是，引力对物质总是吸引而从不排斥。

    这使得爱因斯坦在1916年年初得出了“不存在像光波一样的引力

    波 ” 的 结 论 。 他 在 给 德 国 数 学 家 卡 尔 · 施 瓦 西 ( Karl

    Schwarzschild)的一封信中提及了这个观点，复杂的论证过程充斥着

    标量、张量密度、偶极子、单模坐标系等术语(你无须知道它们是什

    么，只需要知道广义相对论不像在公园散步那么简单)。

    那一年晚些时候，在威廉·德西特提议使用一种不同的坐标系运

    算之后，爱因斯坦彻底改变了想法。这引起了巨大的变化：爱因斯坦

    断定引力波确实存在，而且它们以光速传播，和麦克斯韦的电磁波一

    样。1916年6月，爱因斯坦向柏林普鲁士皇家科学院呈交了他的最新研

    究结果——《引力场方程的近似积分》。论文题目虽然听起来没那么

    激动人心，但它却是一篇里程碑式的论文，是科学史上第一篇有关引

    力波的著作。

    但是，爱因斯坦竟然错了。1917年秋，芬兰物理学家古纳·诺德斯特(Gunnar Nordstr?m)

    指出，爱因斯坦的工作中存在一个重要的错误。因为这个错误(为了

    满足你的好奇心，我可以告诉你它与伪张量的求导有关)，爱因斯坦

    在1916年建立的引力波方程偏离了目标。因此，也许他发表于1918年1

    月的《论引力波》论文才应该被称为里程碑式的论文。“我必须回到

    这个问题上来，”爱因斯坦开篇便写道，“因为我之前的报告不够清

    楚，而且由于计算方面的一个令人遗憾的错误而大为减色。”诚实地

    面对错误总是一件好事，在科学领域尤其如此。

    1918年的这篇论文并没有令所有人信服。其中的一个格外直言不

    讳的批评者是亚瑟·斯坦利·爱丁顿。没错，他是爱因斯坦最狂热的

    粉丝之一，是广义相对论最初的推广者之一，也是一名卓越的天体物

    理学家。

    爱丁顿认为引力波只是广义相对论的一个数学上的异常，不具有

    任何物理意义。他也不同意爱因斯坦关于光速旅行的推论。1922年，爱丁顿发表著名的声明，称“引力波以思想的速度传播”，这是一个

    说明引力波只是虚构出来的狡猾方法。

    20世纪20年代和30年代初期，几乎没有人关注引力波。毕竟，即

    使它们存在，也微弱到难以探测。科学家们似乎很难确认或者否认这

    个预言，于是大多数人将之抛在脑后。

    直到1936年，爱因斯坦才又回到这个话题上来。那时，他住在美

    国，在普林斯顿高等研究院任职。那儿是绝佳的地方，有着绝佳的人

    和头脑。爱因斯坦尤其喜欢和内森·罗森(Nathan Rosen)一起工

    作，后者的年龄跟爱因斯坦的儿子差不多。他们一起研究广义相对

    论、量子力学、虫洞和引力波，并得出了一个出人意料的结论：引力

    波终究是不存在的，看来爱丁顿一直都是对的。不久之后，他们向

    《物理评论》(Physical Review )杂志提交了一篇论文。论文的标

    题是“引力波存在吗？”，它传达的意思是“不，它们不存在，以及

    为什么”。

    毫无疑问，爱因斯坦和罗森错了。因为LIGO科学合作组织和Virgo

    合作组织在2016年2月宣布人类第一次成功探测到引力波。所以，爱因

    斯坦和罗森的那篇论文最终没被发表是件好事。《物理评论》的编辑

    约翰·泰特(John Tate)将论文交给一位审稿人评议，审稿人建议不要发表。“在我看来，”审稿人写道，“不赞成爱因斯坦和罗森否认

    引力波存在的人并不存在”。

    如今，科学论文被同行匿名评议是惯例，尤其在物理学领域。但

    回溯到那个时代，这却是一件新奇的事情，即使对《物理评论》这样

    的杂志来说也十分少见。爱因斯坦对此更是完全不了解。在欧洲，期

    刊会直接发表科学家们投来的文章。他因此大发雷霆，并不再向《物

    理评论》投稿，而是将论文改投到费城的《富兰克林研究所学报》

    (Journal of the Franklin Institute )，那里未设审稿人制度，论文很快就被接受了。

    然而，1936年秋天，事情发生了变化。内森·罗森离开普林斯顿

    高等研究院前往苏联任职，波兰物理学家利奥波德·英菲尔德

    (Leopold Infeld)成为爱因斯坦的新助手。宇宙学家霍华德·罗伯

    逊(Howard Robertson)向英菲尔德解释了爱因斯坦和罗森的错误。

    (实际上，罗伯逊就是那位审稿人。)英菲尔德将此转告给爱因斯

    坦，爱因斯坦意识到了自己的错误。远在基辅的内森·罗森也遇到了

    这个问题，这是一个极其难懂的数学性质。

    因此，最终发表于《富兰克林研究所学报》1937年1月刊的论文是

    修正后的版本。爱因斯坦还更换了标题，和他在1918年发表的那篇论

    文一样，他将这篇论文也命名为“论引力波”。该文传达的主要信息

    是：我们无法证明这些难以捉摸的波不存在，但我们也不能确定它们

    存在。

    此时距广义相对论诞生已经过去约25年了，但科学家们依然在反

    对这个理论做出的某些预言。这种情况后来又持续了20年。当爱因斯

    坦于1955年逝世时，引力波的存在问题依然备受争议，它们的属性依

    然是未知的。比如，在爱因斯坦去世还不到三个月时，罗森就宣称引

    力波不能携带能量，这是论证引力波并不是物理实在的另一种方法。

    但是一年半以后，学界的观点开始发生转变，特别是在理论物理学家

    菲利克斯·皮拉尼(Felix Pirani)、理查德·费曼(Richard

    Feynman)和宇宙学家赫尔曼·邦迪(Hermann Bondi)证明引力波可

    能携带能量之后。引力波由此进入了真实物理现象的范畴，余下的唯

    一问题就是“捕捉”它们。在我们进行下一步讨论之前，我们需要对引力波有一个基本的印

    象。我确信你听过“时空结构中的涟漪”这个说法，你也许还看过黑

    洞合并的动画，它们在二维平面上产生螺旋形的波动。让我试着用另

    一种方式解释这些神秘莫测的“爱因斯坦波”。(爱因斯坦波并不是

    一个正式名称，不过我喜欢它，而且我会时不时地将它用作引力波的

    同义词。)

    最值得注意的是，引力波不会像水波、声波甚至光波一样在空间

    中“波动”或者“激起涟漪”。它其实是关于时空本身的。为了更容

    易产生联想，我们先考虑一维“空间”—— 一条直线。请想象一条拉

    紧的跳绳，通过让一端有规律地上下摆动，我们可以在绳子上制造波

    动。但如果想要借此理解爱因斯坦波，就大错特错了。记住，我们是

    在讨论空间自身的波动。如果空间是一维的，我们应该想象在那单一

    维度“上”的涟漪。

    一根塑料跳绳有一定的弹性：在一个地方拉伸一点儿，在另一个

    地方压缩一点儿，绳子的总长度不变，依然是一条一维的直线。纵波

    是可以通过绳子传播的。设想在绳子的每一毫米处都画有刻度标记。

    如果有一列纵波沿着绳子传播，你将会看到那些刻度标记先彼此远离

    再彼此靠近。这是一种想象一维引力波的巧妙方式，空间的拉伸和压

    缩交替进行。

    现在让我们进入二维空间，它就像一张坐标纸一样。与一维空间

    完全一样，二维空间中的引力波不应该被描绘成一张上下起伏的坐标

    纸，虽然人们经常会这样做。取而代之，我们应该试着想象在二维平

    面“上”传播的涟漪。其结果是，坐标纸上的某些方格被拉伸，另一

    些方格则被压缩。(或者更准确地说，在某一刻，有一个方格在一个

    特定方向上增长；下一刻，它又收缩回来。)在与引力波垂直的方向

    上，空间的拉伸和压缩交替进行，就好像“空间密度”更高和更低的

    区域正通过平面传播。

    爱因斯坦波在三维空间中又是怎样的呢？其实，我们没必要立刻

    就开始想象这种古怪的涟漪，那只是“空间密度”涟漪的传播。你可

    以想象由许多个立方体构成的三维坐标纸，然后在引力波经过的时

    候，注意观察这些立方体的边是如何在与引力波垂直的方向上拉伸和

    压缩的。三维空间中的波无疑是三维的。流行的图片和电影将它们错误地

    表示成二维的，这给我们留下了“两个绕转黑洞发射出的引力波只发

    生在水平面上”的错误印象。事实不是这样的，这些波是在所有方向

    上传播的，只不过在某个方向上可能比在其他方向上更强，但你不应

    该轻信它们仅在平面上传播。

    所以，这才是将引力波形象化的正确方法。这与密度涟漪穿过一

    碗被轻轻敲击的果冻没多大不同，这里的果冻代表空白的空间。

    引力波的源不同，它们便可能有着极为不同的频率和振幅。想象

    两个非常靠近彼此的绕转的黑洞，每秒完成100圈绕转(是的，这是一

    个非常现实的数字)。根据爱因斯坦的理论，它们发出的引力波频率

    为200赫兹——对于一个与双黑洞相距一段距离的观测者来说，每秒有

    200个波峰经过。由于引力波以光速传播，对应的波长就是1 500千

    米。

    那么振幅呢？引力波的振幅是它强度的量度，它会告诉你时空被

    拉伸和压缩的程度。这里有两点值得注意。第一，振幅随着距离而减

    小。在绕转的黑洞附近，时空的涟漪要比它们传播到远处时强。实际

    上，振幅与距离成反比。简单来说，当这些波传播到5倍远的地方，振

    幅减弱为之前的15。

    这听起来也许很奇怪。毕竟，引力的强度或者光源的亮度随距离

    的平方而减少。将两颗行星间拉大到原来的5倍，它们间的引力变为原

    来的125；将一颗恒星移至原来10倍远的位置上，它的亮度变为原来

    的1100。而对于爱因斯坦波来说，我们讨论的是振幅，引力波的振幅

    大小的确与距离成反比。

    第二，引力波的振幅小到不可思议。我的例子是把空白的空间与

    一碗果冻做比较，实际上，最好将它与一块混凝土相比。如果轻轻地

    敲一下果冻，它就会开始颤抖。但是，即使我用一把大锤猛敲这块混

    凝土，你也很难看到它的振动。这是因为混凝土远比果冻坚硬，同样

    地，时空也无比坚硬。你很难让它绷紧、弯曲、拉伸或者压缩，很强

    的能量才能让它产生极微弱的涟漪。

    所以，双黑洞绕转产生的引力波信号细节如下：速度为光速，频

    率为200赫兹，波长为1 500千米，振幅与观测者及双黑洞间的距离成

    反比，而且极其微小。如果黑洞的质量很大，会怎么样？如果它们依然每秒绕转100圈，引力波的频率(还有波长)会与刚刚完全相同，但是引力波的振幅会

    增大，因为黑洞的质量更大了。

    不过，振幅也取决于黑洞绕转的加速度。如果它们朝着彼此移

    动，就会以更高的速度旋转，振幅会增长得更多。与此同时，频率也

    会增大：随着它们之间的距离变短，黑洞的转动周期也会变短。所

    以，如果两个黑洞螺旋式地向彼此靠近，引力波的振幅和频率会同时

    增大。这正是LIGO探测器在2015年9月所捕捉到的信号，它们记录下了

    第一个爱因斯坦波。

    接下来还有很多的故事要讲，但现在，让我们先回到这一章开头

    两位科学家差点儿大打出手的故事。

    约瑟夫·韦伯对战争了如指掌。在第二次世界大战期间，他是一

    名美国海军中尉指挥官。1942年5月，在日本人将列克星敦级航空母舰

    (USS Lexington )变成一团燃烧的钢铁之后，韦伯勉强从下沉的航

    母中逃生。当时他即将满33岁，他出生于亚瑟·爱丁顿咒骂普林西比

    岛上的乌云的12天前。

    “二战”后，韦伯成为马里兰大学帕克分校的一名电气工程专业

    的教师，该校位于华盛顿特区东北部。在此期间，他获得了微波波谱

    学博士学位，提出了激光和微波激射的基本原理，是最终获得1964年

    诺贝尔物理学奖的研究的工作基础。

    韦伯对相对论和引力的兴趣产生于20世纪50年代中期。当时他正

    在享受为期一年的学术休假，借机和物理大师约翰·惠勒一起去了普

    林斯顿和莱顿。时空弯曲、黑洞、时间膨胀、引力波，这一切简直棒

    极了!他开始着手学习相关的一切，并在1961年出版了一本小书——

    《广义相对论和引力波》。

    那时，韦伯已经发表了一些让他美名远扬或者臭名昭著(也许有

    些人会这样评价)的观点，并着手追踪引力波。多年来，已经有很多

    关于引力波的理论探讨了，是时候卷起袖子建造仪器，通过实验来试

    着捕捉它们了。他的计划很简单，即测量地球上某些物体尺寸发生的极微弱的周

    期性变化。毕竟，引力波会拉伸和压缩它们经过的空白空间，以及其

    中的一切。一块混凝土确实会因为引力波的经过而增大和缩小一点

    儿。然而，这个变化量实在太小了，以至于极难测量出来。更要命的

    是，也不能用尺子来测量，因为尺子也会因为引力波而变长和缩短。

    对此韦伯有一个解决方案：固有频率。

    绝大多数物体都有特定的固有频率，在该频率上的振动趋向于产

    生共振并放大自己。问问住在华盛顿州塔科马市的老居民，他们可能

    还记得1940年11月，一座新建的通往吉塞普半岛的悬索桥戏剧性地坍

    塌了。显然，这是因为大桥的固有频率与塔科马海峡刮起的狂风频率

    形成共振。大桥坍塌的视频在YouTube上可以找到，简直令人惊掉下

    巴。

    韦伯的计划是这样的：用一个大的铝制圆柱体作为探测器，将它

    精确地调至一个特定的固有频率。然后把它悬挂在一根钢丝上，从而

    与外部振动隔绝。出于同样的原理将所有装置放在一个真空箱中，将

    压电传感器与探测器相连。之后静静等待。

    如果引力波存在，它们的频率范围将会很广。超新星爆发、恒星

    碰撞、黑洞绕转……每个天文事件都有其独特的频率。在到达地球

    时，它们会造成铝制圆柱体的微小振动。希望某些爱因斯坦波和铝制

    圆柱体的固有频率相同，从而引起后者的共振。当这种情况发生时，圆柱体的振动会变得更强，强到有可能被探测到。此外，在引力波经

    过的几秒内，这个探测器会持续振动，像一个被击打的音叉那样。压

    电传感器则会记录下探测器的快速拉伸和压缩变化，并将其转化为电

    信号。

    20世纪60年代早期，韦伯和他的博士后鲍勃·福沃德(Bob

    Forward)建造了第一台所谓的“共振型引力波探测器”，也叫“共振

    棒天线”或“韦伯棒”等。他们时不时地捕捉到一些微弱的信号，从

    无时不在的背景噪声中。它们来自一颗遥远星系的超新星，或者宇宙

    后花园中碰撞的中子星，或者银河系核心处不为人知的能量过程？

    当我第一次听说韦伯与罗伯特·福沃德(Robert Forward) [1]

    合作时，我想“真有意思，这个家伙竟然和《龙蛋》的作者同名”。

    那是一本1980年出版的科幻小说，其内容是关于一颗中子星表面的生命。后来我惊讶地发现，原来他们是同一个人。罗伯特在1962年离开

    了马里兰大学。

    1968年，韦伯的实验开始引起人们的关注。他使用了两台相同的

    探测器，一台在马里兰大学帕克分校，另一台则在往西大约1000千米

    的芝加哥附近的阿贡国家实验室。他这样做的目的是消除误报。巴尔

    的摩大道上驶过的卡车可能会引起帕克分校的韦伯棒的振动，但不会

    对阿贡国家实验室的那台有影响。无论如何，一次超新星爆发或者恒

    星碰撞产生的引力波应该会被两台探测器同时记录下来，或者考虑到

    波的速度以及它的原始方向，至少在几分之一秒内两台机器会分别记

    录下引力波的信号。

    两台探测器的天线长度均为1.5米，直径约为65厘米，重1 400千

    克。它们的固有频率是1 660赫兹，与双中子星相撞产生的爱因斯坦波

    的频率差不多。接下来，等待信号同时被两台探测器捕捉到——一种

    所谓的“巧合”现象——就只是时间问题了。

    韦伯无须等待很久。1968年12月30日—1969年3月21日，他的设备

    至少同时探测到17组信号。这想必不是偶然。1969年6月初，他在俄亥

    俄州辛辛那提市的相对论会议上第一次宣布了这些结果，并赢得了大

    家的掌声。6月16日，《物理评论快报》发表了他的论文《发现引力辐

    射的证据》(引力辐射是引力波的一个过时的同义词)。

    但是，兴奋很快就变成了质疑。一开始，天体物理学家们对韦伯

    探测到的引力波信号的数量感到诧异。考虑到韦伯棒天线的灵敏性，中子星碰撞产生的引力波必须在地球周围几百光年的距离范围内产

    生，才有可能被探测到。而在如此小的空间里，三个月内发生17次恒

    星碰撞事件根本不可能。但如果引力波来自更远的地方，比如银河系

    核心处未知的能量过程，它所蕴含的能量就必须无比巨大。

    实验物理学家对韦伯的实验结果也持怀疑态度。实验结果要想被

    科学界认同为有效，就必须是可以复现的。然而，在莫斯科国立大

    学，弗拉基米尔·布拉金斯基(Vladimir Braginsky)却无法重现韦

    伯的实验结果。在新泽西州霍姆德尔镇的贝尔实验室里，安东尼·泰

    森(Anthony Tyson)一无所获。罗切斯特大学的戴维·道格拉斯

    (David Douglass)得出了消极的结果。在格拉斯哥大学，罗纳德·

    德雷弗的实验也以失败告终。而与此同时，韦伯却在不断地报告他在

    马里兰大学得到的最新探测结果。图4-1 约瑟夫·韦伯正在查看引力波实验的显示屏。他的背后是一个真空箱，里面装着一台铝

    制探测器

    安东尼·泰森依然记得他与阿尔·克拉斯顿(Al Clogston，主管

    贝尔实验室的物理研究实验室)的谈话。当泰森谈到他打算做一个实

    验来检验韦伯的探测结果时，克拉斯顿表现得并不热心，因为这对泰

    森和贝尔实验室似乎都没什么好处。如果证实韦伯是错的，他们什么

    都不会得到；但如果证实韦伯是对的，那么获得诺贝尔奖的将是韦

    伯，而不是泰森。尽管如此，泰森还是决定秘密地建造高灵敏度的探

    测器。他先是与戴维·道格拉斯合作，之后两人在1971年又与韦伯合

    作。他们通过比较在贝尔实验室和罗切斯特大学得到的读数，以及与

    马里兰大学共享数据，提高探测器的灵敏度，并改进分析软件。

    但在1972年年末，泰森确认韦伯声称的结果并不存在。韦伯是一

    位聪明的思想家和杰出的工程师，但在数据分析和统计上却比较马

    虎。他从未公布过用于定义和识别来自不同韦伯棒的读数的计算过

    程。如果一个人不断地改变规则，他想要多少次“巧合”，就能得到

    多少次。

    韦伯同样犯了这个愚蠢的错误。他声称捕捉到了来自银河系核心

    的信号，因为这些探测结果发生于银河系核心高悬于天空之前，而与

    沿着水平方向传播的引力波相比，沿垂直方向传播的引力波会产生更

    强的信号。这都没错，但是泰森不得不提醒他，地球对引力波来说是

    透明的。因此，当银河系的信号传播到地表之下的最深处时，信号的

    强度应该相同，但韦伯对此未做任何解释。

    之后，韦伯声称从他的测量结果和贝尔实验室及罗切斯特大学的

    数据中找到了共同的巧合事件——从噪声中显露的信号在完全相同的

    时刻出现。但是泰森和道格拉斯很快就发现韦伯使用的是北美东部时

    间，而他们使用的是世界时，二者相差4个小时。真令人难堪!

    那是约瑟夫·韦伯人生中的“过山车”阶段。他整日在实验室里

    埋头工作，经常遭到别人的指责。1971年夏天，他的妻子由于心脏病

    发作离世。但是韦伯很倔强，他从不放弃自己的工作。1972年3月，52

    岁的他与来自加州的28岁天文学家弗吉尼亚·特林布尔(Virginia

    Trimble)结婚，之后他开始学习舞蹈。

    尽管如此，关于韦伯棒的争论还在继续。1974年，多个韦伯棒实

    验在全世界展开。泰森和道格拉斯操控着一台4吨重的探测器，其中的低温电子与无时不在的噪声进行着抗争。然而，他们依然什么也没有

    探测到。在德国慕尼黑的马普天体物理研究所里，海因茨·比林

    (Heinz Billing)、阿尔布雷希特·鲁迪格(Albrecht Rüdiger)和

    罗纳德·席林(Ronald Schilling)建造了一台巨大的棒状探测器；

    意大利弗拉斯卡蒂的圭多·皮泽拉(Guido Pizzella)和卡尔·梅舍

    贝格(Karl Maischberger)也建了一台。但他们全都一无所获。之后

    是理查德·加尔文，他在纽约约克敦海茨的IBM(国际商业机器公司)

    托马斯·沃森研究中心使用一台小型探测器。该仪器仅有120千克重，只能探测到最强的引力波信号，即便如此，它也徒劳无功。

    加尔文可不是一个可随便戏弄的人。1952年，他年仅24岁，就与

    爱德华·特勒(Edward Teller)一起研究氢弹了。他是一名才华出众

    的物理学家，也是备受尊重的国家安全方面的政府顾问，还在总统科

    学顾问委员会任职达两个任期。此外，他比韦伯更擅长管理数据。

    1972年12月，在纽约市的一场大型会议上，安东尼·泰森和约瑟

    夫·韦伯在引力波的问题上发生了分歧。(那是第六届得克萨斯相对

    论天体物理研讨会。纽约当然不在得克萨斯州，但第一届会议举办于

    得克萨斯，会议名称也就沿袭下来。)不过，那算是一场礼貌性的科

    学争论，尽管在数据上意见不合，但泰森和韦伯彼此尊重。许多年

    后，他们甚至成了朋友。

    然而，1974年6月韦伯与加尔文在剑桥相对论会议上的争论，就是

    另外一回事了。这也许是因为韦伯疲于为自己辩护，或者是因为在他

    的内心深处，他知道自己错了。而真正的原因我们无从知晓。加尔文

    对韦伯进行了具有人身攻击性质的批评，韦伯也做好了反击的准备，直到菲利普·莫里森制止了他们。

    40多年后回顾这段往事时，弗吉尼亚·特林布尔依然感到难

    过。“他们投票让韦伯离开这座岛。”她告诉我，用类似于热播的真

    人秀节目《幸存者》(Survivor )中的游戏规则。“在与韦伯共同生

    活的28年里，我深刻理解了‘争议’这个词的意思。物理学界就是一

    个部落。其中，加尔文是韦伯的头号反对者。对于韦伯而言，加尔文

    就是恶魔的化身。”

    特林布尔本人虽然也是一位著名的天体物理学家和天文史学家，却她从未参与用韦伯棒探测引力波的争论。她的人生没有因为她与韦

    伯的夫妻关系而受到影响。她卖掉了他们在切维蔡斯郡的房子，并利用这笔钱在美国天文学会设立了“约瑟夫·韦伯天文仪器奖”。自

    2002年以来，这个奖项被颁发给有像韦伯那样的工作态度的人：建造

    最好的探测器，直到捕捉到你想要的东西。

    在剑桥相对论会议上的冲突之后，韦伯和加尔文的争论还在继

    续。不过不是在会议上，而是在《今日物理》(Physics Today )的

    通讯栏目。1975年6月，普林斯顿大学的物理学家弗里曼·戴森

    (Freeman Dyson )给韦伯写了一封信，建议他承认自己的错

    误。“一个伟大的人不会畏惧公开承认自己的错误并改正。”戴森写

    道，“你强大到足以承认自己的错误。如果你这样做了，你的对手会

    高兴，你的朋友会更加高兴。”但是，韦伯拒绝认输。

    那时大多数科学家都认为韦伯的说法是没有实据的。这不是因为

    棒状探测器有什么技术错误，而是因为引力波明显弱到无法用这种方

    法来测量。自20世纪70年代中期起世界上多个地方建造了多台探测器

    并陆续投入使用，它们大小不同、形状不同、材料不同、质量不同。

    最好的那台极其灵敏，能够很好地从噪声(比如驶过的卡车)中提取

    信号，可在低温环境(接近绝对零度，即-273摄氏度)中运行，并且

    装备了超导量子干涉装置来探测可能的极其微弱信号。有时某一台探

    测器看似捕捉到了信号，但相关数据却无法令批评者信服，最终大部

    分探测器都停用了。20世纪80年代晚期，韦伯也失去了美国国家科学

    基金会的资助。通过投入一部分自己的积蓄，韦伯让他的探测器维持

    运转，直到2000年9月他离世的那一天。这些设备至今依然躺在马里兰

    大学矮小的、像车库一样的办公楼里，落满尘埃。

    这是一个忧伤的故事，你会不自觉地为约瑟夫·韦伯感到难过。

    但这常常就是开拓者的命运，打开一扇全新研究领域的大门通常是最

    艰难的事情。如果你面对的是容易的事，那一定是很多人都做过的

    事。如果你是某个领域的第一位探索者，不管出于什么原因，你都很

    可能遭遇失败。

    后来因与爱因斯坦波相关的研究而获得诺贝尔物理学奖的一位天

    文学家，并没有参加1974年6月的第五届剑桥相对论会议。当时23岁的

    拉塞尔·赫尔斯(Russell Hulse)正在位于波多黎各的阿雷西博射电

    天文台观测脉冲星，这是他博士论文研究的一部分。那个夏天，他的

    发现给我们带来了引力波存在的第一个(间接)证据。不过在我们详细讲述这个故事之前，你需要先了解中子星是什

    么。来吧，请系好安全带，跟随我来一场天体物理学之旅吧。

    [1] 即鲍勃·福沃德，鲍勃为罗伯特的昵称。——编者注第5章

    恒星的生命

    还记得卡尔·萨根(Carl Sagan)吗？他是行星科学家、天文科

    普作家，以及1980年PBS(美国公共广播公司)推出的电视系列片《宇

    宙》(Cosmos )的主持人。如果那部系列片播出于你出生之前，你可

    以在网上搜索一下，非常值得一看。

    伴随着古典音乐的脚步，第9集在制作苹果派的慢动作特写中开始

    了。一个穿着制服的侍者将苹果派放在一个银盘子中，送到坐在剑桥

    大学餐厅里的萨根面前。萨根面对摄像机镜头优雅地说道：“如果你

    想从头开始做苹果派，你必须先创造出一个宇宙。”

    他说的没错。如果没有大爆炸，就不会有星系、恒星或者行星，更别提苹果派了。你周围的一切都有其独特的历史，无论是椅子、猫，还是车钥匙。要想真正理解它们，你必须知道它们从何而来。

    关于中子星也是这样。借用萨根的话，如果想知道中子星是什

    么，你必须先了解恒星的演化，毕竟中子星是恒星的残骸。为了讲述

    引力波的故事，我们需要对中子星有充分的了解。因此，我将给你们

    上一节关于恒星生命的入门课。最后，我会回到萨根的苹果派。

    恒星是重要的，原因之一在于，它们为生物的存活提供能量。比

    如，地球上的生命完全依赖于太阳的能量。如果没有太阳，地球将会

    是一个黑暗的、冰冷的不毛之地，没有任何生机。

    既然我们如此依赖太阳，我们就应该好好理解它的工作机制和结

    构。太阳所有的能量从何而来？它能持续多久？太阳死后会发生什

    么？直到大约一个世纪前，天文学家们还不知道这些问题的答案。毕

    竟，我们没有办法在实验室里研究太阳，或者在显微镜下检验太阳物

    质的样本。难怪在工业革命初期，一些人认为太阳是由煤——当时的一种新

    能源——组成的。将黑色的煤加热到足够的温度，它就会开始发光。

    19世纪的科学家们比较现实，他们认为太阳可能会慢慢缩小，或者连

    续受到陨石的撞击。这些过程都会释放能量。

    然而他们错了。太阳并没有逐渐缩小，实际上，它在逐渐增大，尽管这种变化缓慢得令人难以察觉。陨石甚至彗星确实会撞击太阳，但这类天文事件发生的概率极低，无法解释太阳发出的热和光。如果

    太阳是一个燃煤发电厂，那么它仅能持续6 000年左右。

    让我们回到塞西莉亚·佩恩(Cecilia Payne)生活的时代。19岁

    时，佩恩听说亚瑟·爱丁顿的日全食考察小组证实了爱因斯坦的广义

    相对论，便对天文学产生了兴趣。4年后，她离开英格兰来到哈佛大学

    天文台，在奖学金的资助下，攻读拉德克利夫学院(前身为女子文理

    学院，后并入哈佛大学)的第一个天文学博士学位。在1925年的博士

    论文中，佩恩指出太阳主要是由氢——大自然中最简单的元素构成

    的。而且，由于这其他恒星的主要成分也是氢元素，这就意味着佩恩

    从本质上发现了宇宙的成分。但令人尴尬的是，大多数人都未曾听说

    过她。

    如今我们知道，太阳是由71%的氢、27%的氦(自然界中第二简单

    的元素)和2%的重元素构成的。所以，太阳不过是一个庞大的热气

    球。可能用“庞大”来形容还不够确切，用“巨大”也许更恰当。它

    横跨140万千米，是地球直径的100倍。如果太阳是一个沙滩球，地球

    就是一颗玻璃球，你可以想象一下。如果太阳像沙滩球一样是空心

    的，那么它能装下130多个地球。太不可思议了!

    所以，一个巨大的充斥着氢和氦的热气球是如何产生恒定的能量

    流呢？答案很简单：核聚变。但也许又没那么简单，美国物理学家汉

    斯·贝特(Hans Bethe)直到20世纪30年代末才找到这个答案。在太

    阳的核心，气体被外层的重量强烈压缩，密度是铅的13倍。在这样的

    极端条件下，原子核聚合在一起，这就是核聚变反应。如果你看过20

    世纪50年代早期美国第一次氢弹试验的视频，你就会知道核聚变可以

    释放能量，而且是很多很多的能量。

    让我们来做一个思想实验。想象我们能够将太阳核心的核聚变反

    应点燃一秒钟，再将它熄灭。在那特殊的一秒钟里会发生什么呢？

    (惊奇预警：接下来发生的事让人难以想象，但却是真实的。)在短短的一秒钟之内，5.7亿吨氢气参与了核聚变反应，这相当于

    一个边长超过600米的混凝土立方体的质量。如果你确实青睐大数字，那么我可以告诉你这也相当于3.4×10 38 个氢原子核。没错，仅在一

    秒钟之内。这些小质量的氢原子核(实际是单个质子)聚变成大质量

    的氦原子核。一个氦原子核大约是一个质子质量的4倍，因此每4个氢

    原子核进入核聚变的黑箱，就会产生一个氦原子核。(这个数量依然

    很大，即将3.4×10 38 除以4得到8.5×10 37 。)

    顺便说一下，我刚刚引入了大数字的科学计数法。假如你对它不

    熟悉，那么我告诉你它与小数点的移动有关。

    比如，3.4×10 38 表示取数字3.4然后将小数点向右移动38次，同

    时补上零。你将会得到：340 000 000 000 000 000 000 000 000 000

    000 000 000。同样，3.4×10 -20 表示将小数点向左移动20次，即

    0.000 000 000 000 000 000 034。天文学是一门关于大数字的科学，不使用科学计数法的天文学书籍将会消耗太多木材。

    因此，在一秒钟的时间内，巨大数量的质子(氢原子核)聚变成

    氦原子核。现在事情到了棘手的部分。我说过一个氦原子核的质量大

    约是一个质子质量的4倍，实际情况是比4倍少一点。每有5.7亿吨的氢

    参与核聚变反应，就会产生5.66亿吨的氦——少了0.7%。那么，余下

    的400万吨质量去哪里了？你也许已经猜到了：它们转化为能量。E=mc

    2 ，爱因斯坦再次登场。

    所以在我们的一秒钟思想实验中，太阳失去了400万吨质量，我称

    之为“有效减肥”。倘若你想知道太阳是如何存活下来的，不妨做一

    下计算。如果在太阳46亿年(145万亿秒)的寿命里，质量的流失是稳

    定的，那么今天的太阳要比它诞生时的质量少6×10 23 吨，而这仅是

    它总重量(2×10 27 吨)的0.03%。所以，我应该收回我的有效减肥的

    说法，因为对于一个质量为100千克人来说，体重的0.03%仅为30克，实在微不足道。

    并不是所有损失的质量都会变成能量。从4个氢原子核到1个氦原

    子核的核聚变过程中还产生了2个正电子和2个中微子。但是，2个正电

    子的质量之和小于1个氢原子核质量的0.1%，而中微子几乎是没有质量

    的。现在，让我们暂时忘掉这些粒子。其结果就是，太阳每秒钟会将

    400万吨质量转化成纯粹的能量。这些能量十分巨大，有400万亿千兆焦耳，约为全人类每年能源消耗量的100万倍。要是我们能够拥有这些

    能量的话，直到1 002 000年我们都不会遭遇能源危机。

    我们的一秒钟思想实验结束了，核聚变反应也奇迹般地终止了。

    这些能量去哪里了？它们以高能伽马射线的形式被释放出来，但却被

    紧紧地锁在太阳内部。请记住一点，太阳核心处的密度非常大，1500

    万开氏度的气体几乎完全不透明。伽马线光子无法传播得很远，它们

    与气体粒子发生激烈的反应。结果就是，在那一秒钟内释放的能量在

    太阳内部各个方向上被吸收、再发射以及散射，循环往复。

    在完美的真空中，光以每秒钟30万千米的速度传播。你可能会由

    此天真地以为太阳内部发出的辐射只需花两秒多钟即可到达太阳表

    面，毕竟这段旅程不过70万千米。实际上，由于太阳气体的不透明

    性，这需要花费10万年的时间。因此，我们的一秒钟思想实验产生的

    400万亿千兆焦耳的核能10万年后，才能到达太阳表面。在那之后，仅

    需再花8分20秒的时间，光就能穿过近乎真空的行星际空间到达地球。

     ......