# “牛顿啊，请原谅我。” By [LouisL.eth](https://paragraph.com/@86815) · 2022-10-08 --- 2019年4月10日晚21时。 全人类都在激动地等待一张照片的公布。 公布前，科学家们显得非常高调、自信。 当照片一出，即刻在朋友圈刷屏，有好奇，有赞美，也有疑惑——这是人类第一次确认了黑洞的存在！ ![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/35b62e22fdb50b44c6cb5810221d2e68a5da36ad910c513a4a5271c345ad8c76.png) 图：黑洞，“事件视界望远镜”组织发布 左图，是科学家根据现有宇宙理论计算出来的黑洞，右图则是此次真实拍出的。可见，两者已经非常相似。这说明理论预测又一次取得了重大成果，人类在“从哪儿来，到哪里去”这个终极问题上又进了一步。 那又是什么理论如此富有远见？ 本文把时光倒推105年，1915年那一年，爱因斯坦提出了广义相对论。有了相对论，我们才逐渐知道了黑洞这种东西。 星际穿越 在上面这张照片公布前，人们对黑洞印象最深的一幕，也是最接近真实黑洞的，来自科幻大片《星际穿越》。2020年8月至今，该片还在各大院线重映呢。 影片中讲了这么一个故事：地球黄沙席卷，农作物灭绝，自然环境恶化，人类剩下的光景无几。NASA的科学家在土星附近发现了一个“虫洞”，通过这一“时空隧道”，就可以突破人类科技极限，去寻找延续生命的星球。35岁的主人翁库珀告别10岁的女儿墨菲，执行这一宇宙飞行任务。然而，宇宙飞行1个小时相当于地球上的7年。 在太空中，库珀经历了时空扭曲、掉进了黑洞、进入了超维空间。当库珀再次见到女儿时，已经124岁，但生理年龄37岁，而女儿生理上和现实中都已经99岁。也就是说，爸爸比女儿年轻62岁。 ![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/170558779f8dc74b45df0875576ec3aa608b525f171d65b23423c842de9bb8f1.png) 图：《星际穿越》中的父女变化 这种情形，是相对论所揭示的：“时间变慢的机制”，物体的运动速度越快，其时间流逝就越慢。以超高速飞行的爸爸库珀，在太空遨游一圈，变得比女儿“年轻”，是完全符合物理学原理的。 同理，常年在天上的飞行员和空姐，要比地面上的同龄人要年轻一点。当然，只是一丁点，因为飞机的速度还远远不够快，飞一辈子也年轻不到一秒。要实现“天上一天，人间一年”的效果，要求你把速度提高到接近光速才行。 《星际穿越》中的超远距离旅行，借助了“虫洞”，虫洞是时空弯曲下，连接空间两部分的小隧道。打个比方，从北京到西雅图，经地球表面飞过去需要很远、很久，但如果在地球上打一个洞穿过去，就大大缩短了路程。同理，在宇宙中，经过虫洞，我们就可以从太阳系穿越到另外一个星系。 ![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/c94ed79819f7e4ab9b635999d4eb3fb7dbc7dcf419eac7b2431b48d2e84df066.png) 图：虫洞，来源：《星际穿越中的科学》 库珀又带领我们走进了黑洞。黑洞的引力特别强，任何东西掉进黑洞，就永远回不来了，包括光。人掉进去的体验是怎样的呢？将被潮汐力从侧面挤压成面条，而且身体下半部分的引力比上半部分的引力强很多，最终引力之差会把你撕裂。不过，影片中采用的是“温和奇点”的说法，没有把库珀撕碎。 ![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/ce5a7d44199950c5183581b9b133965b4d655a8b635a1591f7b80c18eb7fd32b.png) 图：《星际穿越》中的黑洞。为了呈现黑洞，剧组召集了30人的科研小组，耗用几千枚CPU运算了一整年，才计算出电影中的黑洞。 虽然《星际穿越》有一些槽点，但千万不要以为剧情都是异想天开。其中，虫洞、黑洞、奇点……都是根据广义相对论推演出来的。影片的科技指导基普·索恩还因在引力波观测方面的决定性贡献，荣获2017年诺贝尔物理学奖，他也是是黑洞提出者约翰·惠勒的传人。 毫不夸张地说，今天关于宇宙太空题材的科幻，种种脑洞大开的奇思妙想，几乎都是广义相对论的推论。 著名物理学家杨振宁如此赞美道，“作为科学革命，广义相对论在人类历史上是独一无二的；其设想宏伟、美妙、广邃，催生了令人敬畏的宇宙学，而且它是一个人独自孕育并完成的，这一切让我想起《旧约》里的创世篇。” 这个创世者就是：阿尔伯特·爱因斯坦。 创世前 20世纪初，经典物理学的大厦已经建成。德高望重的开尔文勋爵在英国一场讲演中自信地说：“当前，物理学中已经没有什么新东西可以发现了，剩下的就是把测量做得越来越精确而已。” 不过，晴朗天空中的远处，飘来令人不安的乌云。 1905年，在西方，距离“牛顿奇迹年”已经过去了整整240年，在东方，则是清朝光绪31年。在瑞士，26岁的伯尔尼专利局的助理鉴定员爱因斯坦，上着每周六天的班，领着3500法郎的薪水，养家糊口勉强凑合。他这份工作，还是托同学的老爸走后门找来的。 这份工作最大的好处就是清闲，没事就琢磨他那个被常人视为疯子的思维实验——“假如我和光飞得一样快，那我会看到什么？” 这一想，可不得了。 ![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/2726f2c2eccd497f2ce373d61f0701b17f53ac203fdeda1b24fda76ccbb96590.png) 图：1905年的爱因斯坦，来源：视觉中国 这年6月，爱因斯坦发表论文提出“光量子假说”，开启了“量子论”先河，并因“光电效应”于1921年获得诺贝尔奖。 7月，爱因斯坦测定了分子和原子的存在。 9月，创立了狭义相对论。 11月，根据狭义相对论推导出E=MC2。没有这个公式，就没有原子弹。 就这样，爱因斯坦用半年时间，连发五篇神作般的论文，如闪电划破黑夜，把整个物理学的乌云刮跑了，犹如球场上26岁的马拉多纳，在物理世界中“连过五人”，演绎“世纪进球”。 可是！以上这些都是“事后诸葛亮”。在1905年，真实情况不是这样的。 这些金光闪闪的论文，既没有帮他得到博士文凭，也没有帮他获得一份教职，哪怕是在中学教书。假如他这时放弃理论研究，物理界也毫不惋惜。 1907年，伯尔尼大学拒绝了他无俸讲师职位的申请。 夏天，物理届大佬普朗克，就是量子物理的奠基人，派助手冯·劳厄去接触爱因斯坦。劳厄到了瑞士，惊讶地发现爱因斯坦竟然不是伯尔尼大学的教授。“所以我没跟他打招呼，”劳厄回忆说，“他给我递了一支雪茄，它难闻极了，我将它丢到了河里。” 窘迫的爱因斯坦，看到苏黎世一所高中招聘几何老师，就去应聘了，还附上了狭义相对论论文，在21名申请者中，他早早被刷了。 后来，他勉强当上了伯尔尼大学的无俸讲师，他讲授热理论，听课者三人；他讲授辐射理论，听课者一人，最后课程取消了。 好吧，“冷漠的人，谢谢你们曾经看轻我。”爱因斯坦于1907年11月开始，独自踏上了通往物理学史上最优雅、最震撼人心的征途——广义相对论的证明。 几年之后，他将名扬天下，他此前上课的每一次散乱、支吾和邋遢也将成为世人的美谈。 广义相对论 秋去冬来。 转眼到了1915年的11月，距离“狭义相对论”提出已经整整十年，距离证明“广义相对论”已经八年。爱因斯坦要放大招了。 牛顿过去说，苹果是从树上砸下来的，因为地心引力。他提出了“万有引力”理论。 爱因斯坦说，不对，苹果掉下来，是因为它正在落到地球质量造成的时空小坑里。 举例来说，先看图： ![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/7a555c686e14e7c12c6a5cb09c939503c27a35c9c086704cedfd07600ea49567.png) 图源：[www.uh.edu](http://www.uh.edu) 把宇宙时空想象成一张蹦床，蹦床原本是平的，现在往上面放个球，有球的地方周围就压成弯曲的了，弯曲了周围的时空。随后，小球就会沿着大球四周凹陷进去的地方绕转滚动。地球围绕太阳公转也就是这个道理。广义相对论解释，这叫“物质告诉空间如何弯曲”。 这与牛顿说的地球因太阳的引力而转动截然不同。在广义相对论里，引力的本质，就是空间的形变，它影响了物质的运动，这叫“空间告诉物质如何运动”。 理解了这张图，就可以说是广义相对论入门了。 最伟大的理论，最简洁的思想。 1915年11月末，爱因斯坦在普鲁士科学院讲演《引力的场方程》时，完成了广义相对论的解释。一起来欣赏一下“宇宙之美”的方程： ![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/1ac374f582a78739bc8769fda6720bd574be064fc56d256962c680bf0f70935e.png) 此时，36岁的爱因斯坦对宇宙做出了历史上最具想象力的修正。对于这个方程，量子力学奠基人、诺奖得主玻恩称赞“人类思考自然的最伟大成就，哲学洞察、物理直觉和数学技巧最令人惊叹的结合”。有了相对论，人类的时空观将发生彻底改变。 可是！在当时，除了圈内一些人认可外，社会上对这一过于超前的理论普遍懵懂，更不可能相信牛顿能被推翻。 现在，还需要一场实验来证明相对论的正确。 运气 过去的常识里，人们认为光在真空中永远走直线。 但根据爱因斯坦的解释：引力会使光线弯曲，他还预言了光经过太阳附近的强引力场时弯曲的程度。 证据呢？ 困难之处在于太阳光太刺眼，周围的星光都被太阳给掩盖了。最佳时机唯有等待日全食的出现，用月亮挡住太阳光。如果这时，藏在太阳正背后的恒星发出的光，能够观测到，就说明太阳弯曲了光的路线，很好证明。 ![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/3ddcae94c7def98e4f5c8c0dbb93151dbaf723e9ca56bb251462613876883af4.png) 图源：[www.bbvaopenmind.com](http://www.bbvaopenmind.com) 证明爱因斯坦这种极富远见、极为宏观的理论，需要耗费巨大的人力、财力。很多伟大的理论猜想创立者，在老去甚至逝世多年之后才得以证明其价值，像日心说、大陆漂移说、费马大定理……当时还是一战期间。更别提，日全食数十年才有一次，并且需要发生当天观测点还不能下雨。 可见证明广义相对论，不仅需要智力，更重要的是运气。爱因斯坦是非常幸运的。 第一份幸运是，这一天来得很快，三年后的1919年5月29号，就有一次日全食。而错过这一次，要等到20多年后的1937年6月8日。 第二份幸运是，遇到了正确的人。在反德情绪高涨的英国，剑桥天文台台长阿瑟·爱丁顿与皇家天文学家弗兰克·戴森爵士，却被相对论深深吸引，极力游说政府找到了经费，说服了英国海军部，在下一次日全食期间率领一支远征队去检验广义相对论。 第三份幸运是，天空作美。爱丁顿率队前往最佳观测点非洲普林西比岛。日全食当天早上，雨下得很大，但日食临近时，天空开始放晴。爱丁顿抓拍了16张照片，日珥非常明显， 1.7弧秒的偏折，符合爱因斯坦的预言。 半年后。 1919年11月6日下午，英国皇家学会与皇家天文学会齐聚在皮卡迪利大街的伯林顿会馆，大厅中悬挂着牛顿的巨幅肖像，威严地俯视着全场，议程唯有一项：听取关于日食观测的报告。爱丁顿宣读了观测结果：广义相对论，说得对。 11月7日，伦敦的《泰晤士报》刊登了以下三行大标题： 科学中的革命！ 新的宇宙理论！ 牛顿思想被推翻！ 爱因斯坦声名大震，获得了世界性声誉。远在柏林的爱因斯坦听到这一消息后，买了一把新小提琴以示庆祝，他后来写道：“牛顿啊，请原谅我。” ![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/f9f128f50cede90991b8e1301394a9973fd9ecf7eb425db67473ef6ae447b832.png) 图：拉小提琴的爱因斯坦，来源：视觉中国 到此，这篇略显烧脑的思维穿越旅行结束了。105年来，时间旅行、原子裂变、宇宙大爆炸、暗能量、黑洞、虫洞、引力波……从简洁美妙的相对论公式里，人们时不时从中解出关于宇宙的奥秘，今天，还有很多未知的内容等待我们去发现、去完善。 【参考文献】 《爱因斯坦传》，沃尔特·艾萨克森 《爱因斯坦的机遇与眼光》，杨振宁 《星际穿越》影片 《星际穿越中的科学》纪录片 --- *Originally published on [LouisL.eth](https://paragraph.com/@86815/Ywut3UfJwrtqkGOlG7qF)*