活着的传奇

关于阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），传说与事实一样多。我认为其中一个原因是，所有人都知道他是天才，但很少有人能说清楚他究竟做了什么，所以人们编造了一些传说来填补空白。其实，他做了很多事情。

爱因斯坦对科学有许多贡献，包括原子存在的最早证据、量子论的原始版本（他因此获得了1921年的诺贝尔奖(1)）、发现质量和能量可以相互转换（E=mc2），以及发现在空间中移动越快，在时间中移动就越慢——这是狭义相对论的一部分。

爱因斯坦还发明了一种没有活动部件的冰箱。更令人兴奋的是，他发明了一种有收腰皮带的男士衬衫！【1】遗憾的是，他没有因此获得诺贝尔奖，这证明这个残酷的世界没有正义。

然而，爱因斯坦最伟大的创造是发表于1915年的广义相对论，这项创造使他获得了最多的景仰。有很多介绍广义相对论的书，解释爱因斯坦的推导过程，以及广义相对论的内容和意义。在本章中，我们只把它看成最基础的知识点。这既是因为我们不需要该理论的所有数学细节，也是因为我自己几乎不懂这些方程。

首先需要了解的是，我们的宇宙有多少个维度。我们可以用三个维度来描述一个物体的形状和尺寸——长、宽、高。但是，请你想象这样一个物体：存在于上述三个维度，但不存在于任何时间维度。如果你在任意一个时间都不存在，那么你就根本不存在。因此，时间必须被看成是一个独立的维度。

物理学家说，我们的宇宙有（3+1）维。我们不直接说4维，是因为这样表述可以说明时间维度与其他三个维度略有不同——尽管它们密切联系，而且空间维度中的移动方式会影响时间维度中的移动方式。

20世纪10年代，物理学家开始意识到四个维度之间的这种联系，并把它们看成单一背景结构的两个层面，这种结构就叫作“时空”（这个术语来自爱因斯坦的一个偶像，赫尔曼·闵可夫斯基(2)）。

广义相对论的核心命题是，时空物质会因质量和能量的存在而变形。很奇怪的是，爱因斯坦称之为“软体动物”，因为他把时空想象成一种果冻状物质，会因其他物体的作用而扭曲、摆动。【2】在宇宙中，真空的背景时空是平滑和平静的；但在大质量旁边，时空会被弯曲和卷曲。

通常使用的类比是，想象一张铺在房间里的、拉紧的橡胶薄片，中间放着一个很重的球。因为球有质量，橡胶薄片会变形，任何试图沿直线从一端运动到另一端的物体，都会倾向于在橡胶上做曲线运动，并且不自觉地向中心的球偏移。

下面是两幅有用的助记图，比在三维中画曲率更容易想象，但我主要是想画这么两幅图。时空曲率看起来是这样的：

左图表示真空的时空坐标，里面既没有能量，也没有质量。然而，如果把一个物体放在该区域中间，它就会使一切朝它弯曲，看起来就像右图。这个扭曲的立方体的顶部，就类似于橡胶类比中的橡胶薄片。如果你试图沿直线穿过这个弯曲时空（curved spacetime），最终会朝着中心向内偏移。

穿越弯曲时空也可能改变你所测量的任何性质。想象乘坐一枚火箭出发，它装载的燃料足够飞行10千米（6.2英里）。如果火箭碰巧靠近了一颗行星，你就会穿越弯曲时空，突然你会发现燃料只够飞行9千米（5.6英里），这是因为你周围的空间维度被扭曲了。相比于穿越“平直”时空（flat spacetime），经过行星会消耗更多燃料。

这种时空弯曲使有质量的物体相互吸引，我们把它称为物体之间的引力。本质上，引力就是时空弯曲的产物。物体越重，时空曲率越大，由此产生的引力场也就越强。

大质量物体附近的时间也被扭曲了，因为当空间弯曲时，时间也弯曲。这不会影响你的日常生活，但严格意义上来说，你的头比你的脚衰老得更快，因为它离地球的质心更远。由于行星内部的时空弯曲比行星表面更严重，所以地心比地壳年轻两岁半——尽管它们是同时形成的。

广义相对论的数学形式极其复杂（见附录Ⅲ），但结果非常简洁易懂，可以很轻易地概括。时空因能量／质量而变形，有能量／质量的物体受时空影响。物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）说：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何移动。”【3】