爱因斯坦的容错系数

1917年，爱因斯坦阐述：物体之间不是相互产生吸引力，实际上，物体会使其周围的时空构造发生弯曲，在时空中形成一个凹陷，而其他物体会滑入这个凹陷。打一个合理的比方，这就像把保龄球放在床垫上。保龄球会在床垫上压出一个坑，吸引物体向它靠近。同样，太阳也会把行星吸引过来。

爱因斯坦关于时空连续体曲率的预言在1919年的日食中得到证实，当时来自遥远恒星的光线路径在太阳的吸引下发生了偏移，而且偏移量与爱因斯坦广义相对论的预测完全一致。理论上成立的假说有了实证。

阿尔伯特·爱因斯坦出生于德国乌尔姆，12岁就自学了代数和几何，并自己证明了毕达哥拉斯定理。他记得自己在那个年纪，就认为自然可以被理解为一种“数学结构”。我在那个年纪只能给我的卧室天花板添上一块棕褐色污渍……爱因斯坦在苏黎世的公立大学苏黎世联邦理工学院（它的德语名称真是拗口，相比之下我工作的圣三一大学生物化学及免疫学学院都显得没那么拗口了）学习数学和物理，并在伯尔尼的瑞士专利局找到了一份职员的工作。在那里，他研究了狭义相对论，并于1905年发表了重要论文。该理论描述了空间和时间之间的关系，即著名的公式E = mc2，其中E代表能量，m代表质量，c代表光速。他发表的论文还影响了量子力学的发展。量子力学是关于原子和亚原子粒子的物理学，玛丽·斯克罗多夫斯卡·居里和埃尔温·薛定谔等名人也参与其中（稍后将详细介绍他们）。

1915年，爱因斯坦发现了广义相对论，1929年，他在美国自然历史博物馆举办的关于广义相对论的演讲引起了极大的轰动，甚至被迫调用了额外的警力，因为4 500名观众“砸开了铁门，互相殴打”。如果现在科学也能引发如此轰动就好了。

用通俗易懂的语言解释爱因斯坦的相对论几乎是不可能的。当一位记者要求他用三言两语解释时间膨胀和洛伦兹收缩时，他只是说：“它们是专业术语。”相对论太诡异了。不过，有一个简明易懂的实验能很好地说明这个理论。1971年，物理学家约瑟夫·黑费勒和天文学家理查德·基廷证明，一个物体移动时，相对于移动速度更慢的物体，前者的时间流逝会变慢。他们把4台精度极高的原子钟带上了商用客机，环绕地球飞行了两圈，先是向东飞行，然后向西飞行。他们认为飞行时间足够长，可以确定运动是否会减慢时间流逝的速度，并将这些带上飞机的时钟与其他放在美国海军天文台的陆地时钟进行了比较。对那些快速移动的时钟来说，时间流逝变慢了。二者的时间差异很小。如果我们乘坐飞机，时间流逝确实会稍微变慢，但这种差异小到可以忽略不计。因此，时间流逝的速度并非一成不变，而是相对的。不过，我们仍然不知道为什么会这样。

显然，爱因斯坦的研究对天文学，尤其是哈勃的工作产生了影响。1915年，爱因斯坦发现根据自己的广义相对论，宇宙要么在膨胀，要么在收缩。你不觉得这两者之间差别很大吗？他无法分辨究竟是哪种情况，因此在他的方程式中引入了一个“容错系数”。但是，当爱因斯坦得知哈勃的研究成果后，他意识到宇宙一定在膨胀，他认为这个系数的引入是自己一生中最大的错误。他甚至上门拜访哈勃，和哈勃讨论宇宙膨胀的问题。

尽管如此，广义相对论产生的巨大影响力仍然可以和牛顿运动定律相媲美，尤其是在天文学领域。它使人们认识到星系可以聚集成巨大的超星系团，其内部存在各种有趣的结构，包括中子星（它可以用城市大小的体积容纳下恒星的所有质量，打个更通俗的比方，一块方糖大小的中子星就有珠穆朗玛峰那么重——重是重，不过也相当甜蜜）和黑洞。黑洞的密度非常大，连光都无法逃脱其引力。

2019年，科学家拍摄到了一幅位于M87星系中心的黑洞的照片。凯蒂·布曼是参与其中的科学家之一，她编写了一个计算机程序来帮助生成图像。这个黑洞距离地球5×1020 千米。布曼说，她难以置信地看着史上第一张黑洞照片出现在她的电脑屏幕上。科学家观察到黑洞周围的时空发生了扭曲，这再次证明爱因斯坦的理论是正确的。有些黑洞的质量是太阳的数十亿倍，当它们与恒星相互作用时，会释放出巨大的能量。它们出现在大多数（如果不是全部）星系的中心。

当黑洞相撞时，它们会发出爱因斯坦所说的“引力波”——不过，他只是在理论上预测了它的存在，直到2015年激光干涉引力波观测台（LIGO）才探测到它们。研究黑洞是一件非常时髦的事情，因为人们对黑洞有各种各样的想法。如果你能穿越一个黑洞，会发生什么呢？时间流逝会变慢吗？你会抵达宇宙的另一端吗？科幻小说家在黑洞题材上做了不少文章。