愛因斯坦被時代雜誌評選為「世紀第一人」，他提出的狹義相對論，就像是一道短促而強烈的光輝，照亮了廣闊的未知領域。廣義相對論的引力理論，把時空和物質完整地結合起來，我們常用的GPS全球定位系統，裡面就有相對論效應。然而科學具有可證偽性，愛因斯坦真的對了嗎？他做了哪些事情？什麼是狹義相對論？廣義相對論還存在著哪些問題？
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員邵立晶演講實錄：
愛因斯坦究竟對了嗎？
如果想問愛因斯坦對了嗎，首先就得知道愛因斯坦何許人也。
大家想必都聽說過，他是一位非常偉大的物理學家。但是大家可能並不知道，他曾經被評為「世紀第一人」。
這是2000年時代雜誌舉辦的一個評選，想選出上一個世紀，即整整100年裡對人類做出了最大貢獻、對人類影響最深遠的一個人。
當然上個世紀有很多事情、很多人，比如發生過兩次世界大戰，也湧現出很多人物。
經過評選，我們一致認為，愛因斯坦可以成為當之無愧的世紀第一人。
他被評為了PersonoftheCentury，即所謂的世紀第一人。
愛因斯坦的奇蹟年
他究竟做了什麼事情呢？這就得從1905年說起。
那時的愛因斯坦其實不太得意，他的工作也沒找好，在一個專利局裡當小職員。平時有點小愛好，喜歡推物理公式，工作之餘算一算東西。
1905年，他破天荒地發表了幾篇文章，人們後來發現這幾個工作非常經典，對我們非常重要。
其中有三個比較重要的工作，第一個是布朗運動。
他看著水裡的一些花粉漂來漂去，由此推出水是由分子組成的，物質是由分子、原子組成的。
這是一個偉大的結論，一個對世界更深一層的認識。
第二個工作叫做光電效應，就是研究光的。
光照來照去，那麼它到底是波還是粒子呢？
於是愛因斯坦就提出，光可以是粒子，也就是所謂的光量子。這個相對於當時的其他物理學家們，提前了很多年，並且有很清晰的量子物理圖像。
第三個非常重要的成果，叫做狹義相對論。
這三個成果之中，第二個成果讓愛因斯坦拿到了一個「小獎」，叫做諾貝爾物理學獎。
可是在這三個工作中，被大家認為最重要的，是狹義相對論。
狹義相對論究竟是一個什麼樣的理論？這就要從當時的歷史情景講起。
當時物理學界有一個權威人物叫牛頓，愛因斯坦可能是去聽了一場報告，叫做「牛頓對了嗎」。
當時牛頓有很多理論非常重要，但它們背後有一個非常深刻的假設，就是他的時空觀。
時空是什麼？
時：時間，連綿不絕。空：空間，無限擴展。
牛頓認為時間和空間是絕對的，而且是互不相干的，這跟我們所認為的時空非常類似，我們就生活在這樣的一個時空裡面，我們在時空裡運動。
可是愛因斯坦認為當時的一個測光速的實驗，就是一束光照向你，你朝著光束跑，和你跟著光束在同一個方向一起跑、逆著跑，測到的光速是一樣的，總是測不出來差別。
如果是牛頓的時空觀，朝著光速跑的時候，應該測到更大的光速，跟光速一起跑的時候，測到的光速會小一點。
可是不是實驗告訴我們，它們是一樣的？
正是基於這一點，愛因斯坦非常敏銳地意識到，光速是不變的，光速就是一個常數。
愛因斯坦提出這一點後，對牛頓的時空觀產生了一個非常大的挑戰，從而他提出了狹義相對論。
狹義相對論被愛因斯坦提出來後，它對了嗎？
在物理學中，對與不對不是由權威說了算的。
物理學是一門實驗科學，需要通過做實驗，去研究它對還是不對，跟實驗相符的就有可能對，跟實驗不相符的肯定是錯的。
舉一個簡單的例子，愛因斯坦的狹義相對論裡有一個著名的推論，叫做質量能量轉化關係，就是質量可以轉化為能量。它的質量大的話，可能能量也大。
但這個東西到底對不對，是需要經過實驗檢驗的。
實驗檢驗有很多種，比如核彈的爆炸，其實就是利用了能量質量轉化關係。
還有核能發電廠，也是利用了能量質量關係。這些關係現在都已經可以檢驗到，精度非常高。
所以狹義相對論相對於牛頓的絕對時空觀來說，是一門更加先進的、正確的理論，它也在物理學界得到了非常好的評價。
德布羅意先生就評價狹義相對論像光彩奪目的火箭，在黑暗的夜空中，突然劃出一道短促而又十分強烈的光輝，照亮了廣闊的未知領域。
可是，愛因斯坦得到狹義相對論後並不滿足，他又在想，狹義相對論挺好，可是是不是還有什麼問題？
比如他發現他的狹義相對論跟牛頓的引力理論在數學上是不相符的，這是需要解釋的。不相符，可能有一個錯了，或者兩個都是錯的。
大家知道，牛頓的引力理論是非常深入人心的。比如蘋果從樹上往地上落，月亮繞著地球轉，天與地的事情都歸它管，它是一個管天和地的理論。
如果說它是錯的，就需要有更加強的證據來說明這件事情。
愛因斯坦發現，狹義相對論與牛頓引力不相符，他想要解釋這個矛盾，這件事情並不被十分看好。
當時有一個叫普朗克的人，他相當於一個前輩。
他碰到愛因斯坦時說：哎呀，愛因斯坦，你做的狹義相對論太好了，非常好，我每天可能都要用一用。可是現在一切都解釋明白了，你為什麼還在忙於另一個問題呢？
十年磨一劍之廣義相對論
另一個問題就是引力問題，愛因斯坦並沒有因此感到沮喪，而是接著做這方面的研究，整整做了10年，從1905年做到1915年。
他終於把這個矛盾解決了，提出了一套廣義相對論的引力理論。這套理論非常厲害，它把時空和物質非常完整地結合起來。
他認為有時空就應該有物質，有物質才會有時空。這是一套非常顛覆人類對時間和空間認識的理論。
對這套理論比較好的總結是：時空告訴物質怎麼去運動。
在這張圖中大家可以看到，因為這個小球是物質，它在動，導致時空彎曲，另外，時空告訴物質怎麼去運動。這是一套關於時空與物質相互作用的引力理論。
給大家解釋一個上世紀最深刻的思想，沒有之一 ，叫做等效原理。
愛因斯坦是第一個把這個東西看得非常高的人，這個問題是這樣的，愛因斯坦站在秤上想稱稱體重 ，他看到有一個體重數。
扔一個球，球會往下掉，因為有引力，放到火星上可能輕一點，但是也有引力。
有一個好事之徒做了一件事，他把愛因斯坦、秤和球同時往下扔。
愛因斯坦還是站在秤上，球還是在往下掉，但是愛因斯坦看這個球沒有往下掉，因為他在和球一起往下掉，而且他看體重器沒有體重，因為秤在和他一起往下掉。
這時，愛因斯坦、秤和球處於一個叫做慣性系的參考系。
相反，愛因斯坦站在地上稱體重，是非慣性系，那麼引力與非慣性系就被等價起來了。
這在數學上可以證明，就意味著時空是彎曲的。
當然 ，愛因斯坦後來想明白了這件事情，在他寫傳記時，把這件事情稱為他一輩子中最美的時光，The happiest moment。
大家可以想一想，為什麼這件事情如此震撼了愛因斯坦？
愛因斯坦在76歲過生日時，有人可能忘了準備禮物，就隨手給愛因斯坦弄了一個東西。
可能是一個一次性紙杯，下面做一個回形針，然後拴一根有彈性的繩子，掛兩個有重量的球。
這個東西很簡單，反正放在桌子上，就像左邊圖的樣子，但是這個時候它不是最自然的狀態，繩子被拉伸了，它最自然的狀態應該是往回縮，怎麼往回縮呢？
把它往下一放，在這個下落的過程中，你可以看到，這根繩子很快就把球縮回去了，它又處於一個最自然的狀態。
也就是說它受引力時，在一個非慣性系裡，做自由落體時，在一個慣性系裡。
這是一個非常深刻的思想，愛因斯坦當時也對這個禮物非常滿意。
這個東西在科幻作品中也有體現，比如太空漫遊，有人在艙板上跑步，可是這時不是應該失重嗎？怎麼能在艙板上跑步呢？
很簡單，有一個環形的太空船把它轉起來，轉起來後就會有一個叫做離心力的力，它就是一個非慣性系，是所謂的人造引力，有了引力就可以跑步了。
楊振寧先生說過一句話：二十世紀物理學有三個大的貢獻，其中兩個半是愛因斯坦的。兩個指的是狹義相對論和廣義相對論，半個指的是光電效應。
科學具有可證偽性
當然，有很多藝術學家也對時空彎曲有自己的解釋，他們做出了非常漂亮的藝術作品。
可是，愛因斯坦的廣義相對論不是一門非常簡單的理論，剛才只是給大家講了一個最核心的思想。這件事情可以從一位記者問愛丁頓爵士的問題中體現出來。
愛丁頓爵士是世界上第一個測量光線偏折的科學家。當時有一個記者問他：愛丁頓爵士，聽說這個世界上只有三個人懂愛因斯坦的廣義相對論。
愛丁頓一愣，除了我和愛因斯坦，誰是第三個呢？
從這件事中可以看到，廣義相對論是非常難的。
還有一個很有意思的問題，就是費曼的故事。
費曼是美國著名的物理學家，也拿過諾貝爾物理學獎。
有一次，他去開一個相對論的會，到了會場，下了飛機以後忘記了地址。
他就找到一個計程車司機問：你有沒有看到這樣一群人，他們腦袋抬得高高的，對周圍的事和人都不關心，嘴巴裡總是說著gee-mu-nu,gee-mu-nu,...？
那個司機一聽，馬上把他送到了正確的地方。
gee-mu-nu是什麼呢？
就是廣義相對論中描述時空特徵的量，這是一個非常有意思的團體。
科學具有可證偽性，愛因斯坦這回又對了嗎？
比如在太陽系中，我們可以通過各種實驗去檢驗愛因斯坦的各種理論。在太陽系中，引力非常弱，愛因斯坦的引力理論與牛頓引力理論相差只在百萬分之一。
但我們的探測精度非常高，能夠達到比這個精度更高的量級，所以能夠去檢驗微小的偏離。在這個微小的偏離上，愛因斯坦的廣義相對論完勝牛頓引力。
還有大家經常用的GPS全球定位系統，裡面就有相對論效應。
如果不考慮狹義相對論效應，那麼一天便會有兩公裡的偏差，如果不考慮廣義相對論效應，一天就會有14公裡的偏差。
那麼愛因斯坦就對了嗎？這麼高的精度的檢驗就對了嗎？他是不是什麼地方都對了？
不一定。
我們又把眼睛望向了遙遠的星空，我們要做更加極端一點的事情，比如我們要考察一個叫做中子星的東西。
中子星的質量比太陽要大一點，它的大小有海澱區這麼大，非常小，所以它的密度非常高。
拿勺子裝一勺中子星的物質，這個物質的重量就比全球人的重量加起來還要多，是非常緻密的一類物體，引力場也非常強，所以是一個檢驗引力的非常好的地方。
比如它在空中會像燈塔一樣轉，會被我們觀測到，每轉一圈都會被觀測到，這是一個非常可靠的穩定轉動的鐘。
我們的探測需要用專業級的大型望遠鏡去看。
這是建在中國貴州的中國天眼FAST望遠鏡，可以看到脈衝星，這是它的一個非常重要的科學研究目標。
脈衝星是一堆鍾在時空中分布，這堆鍾又可以通過這些大型的射電望遠鏡聯繫起來，形成所謂的脈衝星測時陣列，這樣的陣列可以探測引力波。
愛因斯坦在1916年自己算出了引力波，過了幾年他又反悔了，說沒有引力波，他算錯了。
愛因斯坦問，愛因斯坦對了嗎？
過了幾年，他又發現算對了。又問，愛因斯坦對了嗎？
這是一種非常好的習慣，不僅是對權威有質疑，對自身也有質疑，這種習慣在科學中是非常重要的素質。
我們現在其實已經測到引力波了，我們在2015年9月14號測到了引力波，那時我也加入了他們的合作組，當時非常激動 ，我們用了非常長的時間去做這件事情。
這是測到引力波的望遠鏡，這是在美國的有兩根臂長分別是4公裡的引力波探測器。
這是人類所看到的第一例引力波事例，它非常微小需要非常精確的探測技術才能測到它。
其實我們第一例測到的引力波探測的事例是來自於黑洞的，黑洞是另外一個非常神奇的愛因斯坦的廣義相對論預言的天體，它是時空非常扭曲的一種狀態。
去年，事件視界望遠鏡拍到了黑洞的第一張照片，也是對愛因斯坦廣義相對論的一次直接的檢驗。
我也是事件視界望遠鏡合作組的成員，非常有幸，我們在很高的精度上，不僅測到了雙黑洞併合的事例，也測到了雙中子星併合的狀態。
這個併合狀態過程對我們非常重要，因為它生成的一些元素，是地球和太陽系所不可或缺的元素。
愛因斯坦在1955年逝世了，當時他的遺囑執行者念了一首詩來緬懷他。
他說：我們全都獲益不淺，全世界都感謝他的教誨，專屬於他個人的東西，早已傳遍廣大人群，他將像行將隕滅的彗星，光華四射，同他的光芒永相結合。
留住孩子的好奇心
愛因斯坦就是這樣一位世紀偉人。但是愛因斯坦如何評價他自己呢？
他很謙虛地說：我沒有特殊的才賦，我只是非常好奇罷了。
他敢於挑戰權威，有一顆充滿好奇的心，這是我們現在，非常稀缺的一種品質。
那愛因斯坦對了嗎？
愛因斯坦的理論到現在為止，在我們的檢驗上沒有出現偏差或偏離，在現在的實驗精度上，愛因斯坦是對的。
但我們的技術也在發展，可能什麼時候他也會錯，就像牛頓的萬有引力一樣，它在很小的範圍內偏離愛因斯坦的理論，最後被愛因斯坦的理論所取代。
在理論上來說，愛因斯坦的廣義相對論還存在一些問題。
比如它不能解釋的黑洞奇點問題，以及它不能融入量子時空的問題，還有暗物質、暗能量，現在我們還不知道是什麼。
所以我們這個時代也需要能夠挑戰權威、能夠提出問題的人。提問是非常重要的，就像我們做研究的人，經常看到的一幅圖。
這個白色的圈，表示人類的知識，我們做研究，是專門鑽一個很小的點，使勁鑽，最後能做出什麼呢？
可能鑽了一個非常小的點，但是這個點是人類全新的知識，它將永遠被流傳下去。
在這個過程中，好奇心非常重要，它驅使你能夠做這件事情，這件非常不好做的事情，它是不容易做的事情的原初動力。
所以大家一定要好好地留住孩子們的好奇心。
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