1905年,爱因斯坦发表了5篇具有开创性的论文,其中最重要的就是《论动体的电动力学》也就是狭义相对论。可是,当时大多数的学界精英并不拿刚出道的相对论当回事。还好,颇有名望的物理学家普朗克慧眼识珠。他认识到相对论在时空上的开创性,并大力推广。渐渐地,狭义相对论为世人所接受。当人们都开始为时间膨胀、长度收缩、质能关系等种种狭义相对论带来的神奇预言而疯狂时,爱因斯坦却意识到狭义相对论一个巨大的不足。
狭义相对论只能描述匀速运动和惯性系,对于加速运动或非惯性系却束手无策。但是,我们生活的现实世界几乎不存在匀速运动和惯性系。我们脚下的地球在围绕太阳转,太阳又带着八大行星围绕银河系中心旋转。如此说来,狭义相对论根本没有实用性,广义相对论的构想随之萌发。
爱因斯坦为了建立新理论,苦思冥想了好几年。一天,他在报纸上看见一则新闻,一位装修工人在工作时,不小心从大楼顶层坠亡。就好像苹果落下砸中牛顿,万有引力定律从此诞生。爱因斯坦由这次坠亡事故领悟到了广义相对论支柱之一,等效原理。他进行了那个闻名后世的思维实验——电梯实验。
当实验者准备乘电梯从摩天大楼顶层至底楼时,他进入全封闭的厢式电梯。突然,电梯线缆断裂,电梯加速坠向地面。实验者在电梯里就会有失重的感觉。那如果我们把这截全封闭的电梯带到太空,里面的实验者同样也会有失重的感觉。但是在全封闭的电梯里,实验者是无法分辨到底是因为加速度还是引力的原因造成自己失重的。
这就说明,星球的引力和电梯加速运动所带来的惯性力是等效的。
爱因斯坦打通这一关节,使广义相对论向前迈进了一大步,可随后的定量化却让爱因斯坦犯囧。因为这里面涉及大量高深的数学知识。爱因斯坦一直对数学不够重视,认为它只是记录工具而已。上大学更是经常翘数学课,导致如今在数学上如此抓狂。
他首先想到的外援是大学同学兼挚友数学家格罗斯曼。格罗斯曼帮爱因斯坦找到了描述弯曲四维时空的数学工具——黎曼几何与张量分析。爱因斯坦专门花时间自学了这些数学知识。一年后,爱因斯坦完成了引力方程。但是这个方程有大量的假设、变量,不是爱因斯坦心目中完美的引力方程。爱因斯坦为此绞尽脑汁。
正巧在1914年8月21日,会发生一次日食,是检验广义相对论引力使光线偏折效应的绝佳机会。爱因斯坦立刻给全球的天文台写信寻求帮助。随即,年轻的德国天文学家欧文芬利与同伴远赴俄国克里米亚半岛进行观测,希望验证爱因斯坦的理论。不幸的是,血腥的一战爆发了。德国与俄国正好是交战双方,欧文芬利被以间谍罪逮捕。他们所携带的观测仪器也被没收。这次验证相对论的远征只得以这样的方式结束。
虽然这次观测以失败告终,但是新生的广义相对论却因祸得福,免受学界批判,爱因斯坦的声誉也因此未受影响。因为爱因斯坦很快意识到,按自己的理论计算出来的数值会是实际观测到的偏折度的一半。为什么会出现这样的错误?归根到底,还是在构建广义相对论时,爱因斯坦在数学上的短板导致的。
屋漏偏逢连夜雨,爱因斯坦与妻子米列娃的关系急剧恶化。他们此时,已是分居两地,爱因斯坦独自迁居在德国柏林,米列娃则带着孩子留在瑞士苏黎世。爱因斯坦和表姐艾尔莎的关系越来越暧昧,这让米列娃彻底变成了一个毫不讲理的怨妇。她屡次写信向爱因斯坦要钱,并阻止孩子与父亲通信,这让爱因斯坦十分痛苦。
一战的阴云已经笼罩整个德国,身为战争策源地,上至皇室高官下至平民百姓都陷入了战争的疯狂。肆无忌惮的复仇情绪和盲目的民族仇恨把许多学者也卷入其中,排犹主义的浪潮一浪高过一浪。爱因斯坦已经明显感觉身边同事对他的疏远。
在这样巨大的压力下,爱因斯坦仍不放弃广义相对论,执着而孤独地追寻着真理。
广义相对论终于迎来了第二个数学外援。他就是哥廷根大学著名的大数学家希尔伯特。顶尖的物理学家与数一数二的大数学家两人惺惺相惜。希尔伯特认真地指点了爱因斯坦在数学上的问题,爱因斯坦修正了方程的协变性,伟大的新理论已经呼之欲出。
1916年广义相对论正式发表。它由等效原理和广义相对性原理作为支柱。广义相对论弥补了狭义相对论的不足,使之能够描述非惯性系的运动。从其本质上说,狭义相对论是描述平直(曲率为零)的时空,光线在里面沿直线传播。而广义相对论是描述弯曲(曲率不为零)的时空,光线在里面沿曲线传播。
广义相对论对引力的诠释更是堪称经典——时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何如何弯曲。
广义相对论除了光线偏折,还有许多不可思议的预言:强大的引力会使时间变慢;大质量天体发出的光,受到强大的引力,其光振动周期比同一种元素在地球上发出光的振动周期长,由此引起光谱向红光波段偏移;宇宙中存在引力大得连光线都吞噬的暗黑天体——黑洞;还有时空的涟漪——引力波 等等。
这些不可思议的预言在接下来的一个世纪一一被验证。
感谢这位科学巨匠,奉献给全人类如此精妙绝伦的理论。爱因斯坦曾自豪地说:“若是没有我,学界在五年内就会发现狭义相对论。但是,如果没有我,五十年都不可能有人提出广义相对论。”
其实,何止。若是没有爱因斯坦的相对论,恐怕在一个世纪后的今天,人类仍在时空的迷雾中,苦苦摸索。