爱因斯坦是有史以来最伟大的科学家之一，其贡献堪与艾萨克·牛顿比肩。许多历史学家将他列入过去的千年里一百位最有影响力的人物之一。本书用通俗易懂的语言，提供一个关于爱因斯坦的开创性工作的全新的视角，从简单的物理学图景出发审视他的恒久遗产，有可能会得到更为精确的图像。他的远见卓识为当前在外太空和高级物理实验室里正在进行的变革性的实验提供了养分，同时也在促使当代人加紧研究，实现他生前痴痴追寻的梦想：万物至理。

爱因斯坦的理论有着无穷的含义。但他却是通过简单的物理图景进行思考的——加速的火车、坠落的电梯、火箭、走动的钟表等等。对宇宙的认知产生重大影响的相对论，正是源自两幅这样简单的图景。第一幅图景从爱因斯坦16岁起就一直萦绕在他脑际。在这幅图景中，他考虑的是如果自己追随一束光运动，光会是什么样子。这最终导致了相对论和E：mr这一方程式的诞生。这个方程式揭示了恒星的秘密。

在伯尔尼专利局工作的时候，爱因斯坦坐在椅子上，想起了第二幅图景：如果自己落下去，会出现什么情景？这一有点滑稽的情景使他想到空间和时间的弯曲，从而超越了牛顿学说中神秘的引力。这一图景反过来也使我们了解了黑洞和大爆炸。

爱因斯坦之所以未能建立将所有自然法则纳入一体的统一论。其根源在于他一直未能找到第三幅图景。但是加来道雄雄辩地证明了爱因斯坦晚年学术生涯中所产生的一些观点，虽然曾被认为和物理学无关，却在后来不断催生出新的科学领域、新的技术，甚至还包括好几个诺贝尔奖。另外。他那种探索的精神仍然存在于弦理论之中。现在弦理论在理论物理学中处于核心位置。

前言 重新审视爱因斯坦的遗产

致谢

第一部 第一幅图景与光速赛跑

 第1章 爱因斯坦之前的物理学

 第2章 爱因斯坦的早年生活

 第3章 相对论和“奇迹年”

第二部 第二幅图景弯曲的时空

 第4章 广义相对论和“一生中最幸福的思考”

 第5章 新哥白尼的诞生

 第6章 大爆炸和黑洞

第三部 未完成的图景统一场论

 第7章 统一场论和量子的挑战

 第8章 战争、和平以及E=mc2

 第9章 爱因斯坦预言性的遗产

注释

参考书目

译后记

爱因斯坦之前的物理学

一位记者曾经问过阿尔伯特·爱因斯坦这位自艾萨克·牛顿之后最伟大的科学天才，请他说一下自己的成功公式。这位伟大的思想者想了一下，回答道：“假设A是成功，那么成功的公式就是A—X+Y+Z，其中X是工作，Y是游乐。”

记者问：那Z代表什么呢？

“少说话，”爱因斯坦答道。 

物理学家、王公贵族以及公众，觉得爱因斯坦最令人亲近之处是不论他在为世界和平呐喊还是在探索宇宙奥秘的时候，所表现出来的博爱、无私和睿智。

连孩童都喜欢凑到一起，去看普林斯顿大街上的这位物理学泰斗，而他则会摇动一下耳朵，算是对他们的好奇心的回报。爱因斯坦尤其喜欢和一个五岁的小男孩交谈。这个小男孩喜欢陪他一路走到普林斯顿研究所。一天，他们散步的时候爱因斯坦突然放声大笑。小男孩的妈妈问他跟爱因斯坦都说了些什么，小孩回答说：“我问爱因斯坦今天去厕所了吗。”孩子的妈妈很惶恐，但是爱因斯坦回答说：“有人问了我一个我能答得上来的问题，我很高兴。”

物理学家杰里米·伯恩斯坦(Jeremy Bernstein)曾说：“任何亲自和爱因斯坦接触过的人都会被他的崇高品格所打动。人们反复说他是多么多么的善良、博爱……这些都是他的人格里让我们亲近的地方。” 

不论是对乞丐、孩童，还是王室贵族，爱因斯坦都一样的慷慨与和善，而且对科学殿堂里的前辈，他也十分谦恭。科学家，和其他的富有创造力的个人一样，有可能非常嫉妒同行的才能，从而牛发m许多鸡毛蒜皮的公案。但爱因斯坦从不讳忌谈论自己的思想是源自哪位物理学先贤，这其中包括艾萨克·牛顿、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)等。他把他们的肖像摆在自己书桌和墙上的显著位置。牛顿力学和麦克斯韦的电磁学构成了19和20世纪之交科学的两大支柱。最令人瞩目的是，几乎所有的物理学知识，都蕴含在了这两大成就之中。

人们很容易忽略这一事实，即在牛顿之前，对于地球以及空间的物体为何会动，一直无人能解释。许多人相信人类的命运是精灵和魔鬼控制的。魔法、巫术、迷信等在欧洲最有学问的地方都是热门话题。我们现在心目中的这种科学那时尚不存在。

尤其是，在希腊哲学家和基督教神学家的作品里，他们将物体的运动归结为它们具有和人类一样的欲望和情感。亚里士多德的信徒则认为，运动物体之所以会停下来，是因为它们会“累”。他们还写道，物体之所以会掉到地面，是因为它们“渴望”和地面会合到一起。

而将秩序引进了这个神灵控制的混沌世界的人，从某种意义上说，和爱因斯坦的性格脾性是截然相反的。爱因斯坦从不吝惜时间，面对媒体记者也总是妙语连珠。牛顿则不同，他非常不合群，而且有偏执狂的倾向。他对别人总是充满怀疑，为了地位等问题总是和其他的科学家存有芥蒂。他的沉默寡言是出了名的。1689～1690年期间，他是英国议会的议员。他唯一一次面对全体议员说话是有一次他手中的稿子掉到了地上，他请引座员把窗户关上。据传记作家理查德·威斯特法(Richard S.Westfall)记述，牛顿是一个“苦闷的人，特别的神经质，甚至到了崩溃的边缘，尤其是中年阶段。”

不过论及科学，牛顿和爱因斯坦都是真正的大师，他们之问有许多相似之处。两个人都能连续几个星期甚至几个月沉浸在深度的思索中，直到身体快吃不消。两个人都能将宇宙的奥秘以简单的图形的方式加以想象思考。

1666年，牛顿23岁，他彻底驱逐了困扰亚里士多德学派的精灵，引入了一整套力学机制。牛顿提出了力学三定律，指出物体之所以移动，是因为受到了力，而且这些力可以测量，并能以简单的公式表达出来。牛顿不再把物体的运动看作是它们的欲望驱使的，而是能够计算出每一种物体的运动轨迹，从落叶，到腾空飞起的火箭、炮弹以及云朵等，办法是将其受力计算清楚。这不仅是一个纯学术的问题。它奠定了工业革命的基础，蒸汽机牵引着巨大的火车头和轮船，创造了新的帝国。现在人们可以充满自信地建造桥梁、大坝、摩天大楼等，因为我们可以计算出每一块砖，每一根梁的受力。牛顿的力学理论取得了巨大的成功，他还在世时就已经成了名人，著名诗人亚历山大·蒲柏曾写下……P3-5

重新审视爱因斯坦的遗产

天才。心不在焉的教授。相对论之父。蚀刻在我们心目中的阿尔伯特·爱因斯坦的形象，总是一头爆炸的头发，不穿袜子，上身是特大号的毛衣，嘴里叼个烟斗，对周围世界好像并不注意。传记作家丹尼斯·布莱恩曾这样描述他：“与埃尔维斯·普雷斯利和玛丽莲·梦露齐名的流行偶像。他那神秘莫测的形象经常出现在明信片、杂志封面、T恤衫和比真人还要大的招贴画上。好莱坞有个经纪行专门经营他的形象图片，供电视广告使用。他要是见了这些可能都会生气。”  

爱因斯坦是有史以来最伟大的科学家之一，其贡献堪与艾萨克·牛顿比肩。因此，《时代》周刊选他作世纪人物毫不奇怪。许多历史学家将他列入过去的千年里一百位最有影响力的人物之一。

考虑到爱因斯坦在历史上的地位，有多个原因值得我们重新审视他的一生。首先，他的理论极为深刻，其在几十年前作出的预言至今仍占据着报纸头条的位置，因此我们极有必要尝试去理解这些理论的本源。随着新一代仪器的出现(其中包括卫星、激光、纳米技术、超级计算机、引力波探测器等)，这些在1920年都是不可想象的，人们可以探索宇宙外围以及原子内部。爱因斯坦当年的预言不断为科学家赢得诺贝尔奖。即便是爱因斯坦餐桌上的面包渣都会为科学开辟新的前景。例如，1993年的诺贝尔奖就授予了两位证实引力波存在的物理学家。而引力波是爱因斯坦在1916年分析双中子星运动时所预言的。2001年的诺贝尔物理学奖则由三位物理学家共享，他们证实了玻色一爱因斯坦凝聚的存在。这种物质在接近绝对零度时的新的状态是爱因斯坦在1924．年预见到的。

他的其他预言现在也正被一一证实。黑洞曾被看作爱因斯坦的理论所推出的一个奇怪的东西，而现在哈勃太空望远镜和甚大阵射电望远镜都已找到了黑洞。爱因斯坦环和爱因斯坦透镜现在不仅已经被发现，而且业已成为天文学家观测外太空不可见对象的关键工具。

即使是爱因斯坦的“错误”现在都被认为是对宇宙认识的意义深远的贡献。2001年，天文学家找到了令人信服的证据，证明“宇宙常数”这个一度被看作爱因斯坦最大的失误，实际上包含宇宙中最大的能量，而且它将决定宇宙最终的命运。因此，从实验的角度来看，随着越来越多的证明累积起来，验证了他当年的预言，对于爱因斯坦的遗产的认识问题，出现了“复兴”。第二，物理学家正重新评价爱因斯坦的遗产，尤其是他的思维过程的价值。近年来，为他作传的传记作家不厌其详地研究了他的私人生活，以寻求其理论的本源。但是物理学家却越来越清醒地认识到，爱因斯坦的理论与其说是建立在神秘的数学之上，(更不要说他的爱情生活了!)倒不如说更多的是建立在简单而优雅的物理图景之上。爱因斯坦经常评论说，某个新的理论，若不是建立在连儿童都能理解的物理图景之上，那么它极有可能毫无价值。

因此，本书就以这些图景，即爱因斯坦的科学想像力所带来的成果为主线，并围绕这些图景描述其思维的过程和最伟大的成就。

第一部叙述的是爱因斯坦第一次在16岁时所想到的图景：如果追随一束光运动，光会是什么样子。另外，这幅图景很可能是受到他小时候读的儿童书籍的启发产生的。通过想象和光束赛跑可能发生的情形，爱因斯坦将当时最伟大的两个理论一一即牛顿力学和麦克斯韦的理论——的矛盾之处找了出来。通过思考解决这一对矛盾，他知道这两者之中必有一方是错误的。事实证明牛顿学说出了问题。从某种意义上说，整个狭义相对论(这一理论后来揭示了恒星和核能的奥秘)就蕴含在这一图景中。

在第二部，我们领略的是另一幅图景：。爱因斯坦想象，行星就像是玻璃弹球，沿着以太阳为中心的弯曲的平面滚动。引力是时空弯曲造成的。通过将牛顿所说的万有引力替换成平滑表面的曲率，爱因斯坦使我们对引力有了全新的、革命性的认识。在这一新的思维框架中，牛顿所说的“万有引力”其实是空间弯曲所造成的假象。这一简单的图景所带来的结果，包括黑洞、大爆炸以及宇宙最终的命运。

第三部没有相应的图景。这一部分其实叙述的是爱因斯坦在探索统一场论中，由于缺乏图景的指引所遭受的挫折。假如有了这样的图景，爱因斯坦也许能够找到正确的路，摘取人类2000年来在探寻物质和能量的法则中的最高荣誉。到了这个阶段，爱因斯坦的直觉帮不上多少忙了，因为当时对于原子核和亚原子粒子的力，人们几乎一无所知。

未完成的统一场论，和他生命中最后30年对“万物至理”的探索绝不是一个失败——虽然这一点只是最近才为世人所认识。当年他的同时代人把这看作愚蠢的行为。比如．物理学家兼爱因斯坦的传记作家亚伯拉罕·派斯就抱怨说：“在他生命的后30年中，他一直勤于研究。但是假如他放下工作，钓鱼去也，其声名，即使不会比现在更高，至少也不会丝毫受损。”换言之，如果他在1925年就离开物理学，而不是1955年，他所留下的遗产可能更伟大。

不过，最近10年来，随着“超弦理论”、“M理论”的提出，物理学家开始重新评价爱因斯坦后期的研究工作及其遗产。全世界物理学的研究中心，又回到了统一场论之上。万物至理的研究，成了新一代有抱负的科学家的最高目标。曾几何时，统一场论被视作老迈的物理学家学术生涯的坟墓，现在，它已然是理论物理学压倒一切的主题。

我希望通过本书提供一个关于爱因斯坦的开创性工作的全新的视角。从简单的物理学图景出发审视他的恒久遗产，有可能会得到更为精确的图像。他的远见卓识为当前在外太空和高级物理实验室里正在进行的变革性的实验提供了养分，同时也在促使当代人加紧研究，实现他生前痴痴追寻的梦想：万物至理。我觉得，从这一角度来解读他的生活和工作，应该是他最喜欢的。

许多院校英语专业使用的《高级英语》第2册课本选了一篇文章，作者是阿西莫夫(Asimov)，介绍了狭义相对论。我上学时，照例这篇文章老师是不讲的，理由是相对论太难了，不是常人能懂的东西；而且，在我上学前老早，作为惯例，此文也是不讲的，理由同上。后来，记得该教材修订的时候，将此文章去除了，理由可能也同上。

可惜了阿西莫夫的这篇好文字，也可惜了诸位英语专业的学子中某些脑筋尚未完全“文科化”的人，无缘借助阿西莫夫的文字，领略爱因斯坦的相对论这一人类大脑思维的最高成就。我就不信邪，当时把阿西莫夫的文章读了一下，也没发现有什么艰深之处——本来嘛，人家写的就是科普文章，是给对科学尚存点兴趣的文科脑袋看的。当然，当时到底理解到了哪一步，自己也不记得了。

没想到，时隔我啃读阿西莫夫十几年后，加来道雄再次使我有缘温故人类思想的这一明珠。我是文科出身，但对科学一直怀有浓厚的兴趣。讲课的时候我常会告诫我的英语专业的学生：不要让自己的脑子彻底“文科化”了，最好多读一些科学方面的书。当然，这话其实是我自己的自勉之辞。在此，我要感谢加来道雄，他以流畅清晰的文笔，使我有机会领略相对论的神奇，领略人类思维的神奇。

相对论难吗？无疑是难的。加来道雄的书中就举了这么一则趣事：一个科学家曾问英国科学家爱丁顿：“有传闻说全世界只有三个人理解爱因斯坦的理论。您肯定是其中之一。”爱丁顿听后一言不发。于是那位科学家说：“不要过谦。”爱丁顿耸了耸肩，说道：“我不是过谦。我是在想那第三个人会是谁。”

相对论难吗？也不尽然。有些物理学家会告诉你(如本书的作者加来道雄)，相对论的基本原理，其实初高中水平的人就应该能基本领略。相对论之难，难在爱因斯坦能够用数学的方式，严密地演绎推理出这一宏大的物理学巨构。相似的现象其他的物理学家在观察后可能也曾深思过，但他们或是无法排除常识的干扰，触及现象的本质；或是无力以严密的逻辑证明自己的认识。爱因斯坦的高明之处，就在于其纯用思维的力量来描写宇宙的规则。

亲近一下爱因斯坦吧，亲近一下这位本来在生活中也就从不高高在上的人。当然，我说的亲近，主要还是多去了解一下他的思维．而不是一般人阅读名人传记时所期待、所热衷的名人轶事。对于这一目的，本书即提供了极好的出发点。加来道雄没有在爱因斯坦的生平上作过多叙述，而是摘取了爱因斯坦思维的三个图景，为我们讲述了他思维发展的三个阶段。其中前两幅图景是清晰的：(1)与光速赛跑；(2)弯曲的时空。而最后一幅图景，是爱因斯坦苦苦思索等待了一生所未曾看到的．即指导其实现统一场论这一人类思维的最高成就的图寻。

这里，我想引述本书原作者的话来结束：“也许本书的某个年轻的读者会受到对统一论的追求的激励。去完成这一大业。”

译者

2006年2月

《爱因斯坦的宇宙》使我们以全新的角度，更清楚地了解爱因斯坦赠予我们的遗产。本书不仅叙述了相对论发现的历史，而照还交待了这一理论最近在理论和实验方面的进展。后者是许多科普书未曾交待的。加糙雄在书中阐述了爱因斯坦的观点——包括他的科学观、政治观等。本书行文流畅，文笔清晰。”

——Brian Greene，《宇宙的琴弦》的作者

    “许多有关阿尔伯特-爱因斯坦的书都把他的科学研究当作其由常生活和政治生活的附属品。但是在加来道雄的《爱因斯坦的宇宙》一书中，爱因斯坦被还以物理学家的本来面目。而且是如此的纯粹，如此的简单。因此，大家这一次最好好好坐下来，脱下鞋子，准备好尽情徜徉于幻世纪最具创造力的大脑所作出的发现之中。”  

——Neil deGrasse Tyson，天体物理学家，海顿天文台台长

“所有的物理学理论．都必须能够以儿童都能明白的表述讲清楚。”

——阿尔伯特·爱因斯坦