牛頓的想象力有多強;牛頓想象力
2019年4月10日晚21時。
全人類都在激動地等待一張照片的公布。
公布前，科學家們顯得非常高調、自信。
當照片一出，即刻在朋友圈刷屏，有好奇，有贊美，也有疑惑——這是人類第一次確認了黑洞的存在！
圖：黑洞，“事件視界望遠鏡”組織發布
左圖，是科學家根據現有宇宙理論計算出來的黑洞，右圖則是此次真實拍出的。可見，兩者已經非常相似。這說明理論預測又一次取得了重大成果，人類在“從哪兒來，到哪里去”這個終極問題上又進了一步。
那又是什么理論如此富有遠見？
本文把時光倒推105年，1915年那一年，愛因斯坦提出了廣義相對論。有了相對論，我們才逐漸知道了黑洞這種東西。
星際穿越
在上面這張照片公布前，人們對黑洞印象最深的一幕，也是最接近真實黑洞的，來自科幻大片《星際穿越》。2020年8月至今，該片還在各大院線重映呢。
影片中講了這么一個故事：地球黃沙席卷，農作物滅絕，自然環境惡化，人類剩下的光景無幾。NASA的科學家在土星附近發現了一個“蟲洞”，通過這一“時空隧道”，就可以突破人類科技極限，去尋找延續生命的星球。35歲的主人翁庫珀告別10歲的女兒墨菲，執行這一宇宙飛行任務。然而，宇宙飛行1個小時相當于地球上的7年。
在太空中，庫珀經歷了時空扭曲、掉進了黑洞、進入了超維空間。當庫珀再次見到女兒時，已經124歲，但生理年齡37歲，而女兒生理上和現實中都已經99歲。也就是說，爸爸比女兒年輕62歲。
圖：《星際穿越》中的父女變化
這種情形，是相對論所揭示的：“時間變慢的機制”，物體的運動速度越快，其時間流逝就越慢。以超高速飛行的爸爸庫珀，在太空遨游一圈，變得比女兒“年輕”，是完全符合物理學原理的。
同理，常年在天上的飛行員和空姐，要比地面上的同齡人要年輕一點。當然，只是一丁點，因為飛機的速度還遠遠不夠快，飛一輩子也年輕不到一秒。要實現“天上一天，人間一年”的效果，要求你把速度提高到接近光速才行。
《星際穿越》中的超遠距離旅行，借助了“蟲洞”，蟲洞是時空彎曲下，連接空間兩部分的小隧道。打個比方，從北京到西雅圖，經地球表面飛過去需要很遠、很久，但如果在地球上打一個洞穿過去，就大大縮短了路程。同理，在宇宙中，經過蟲洞，我們就可以從太陽系穿越到另外一個星系。
圖：蟲洞，來源：《星際穿越中的科學》
庫珀又帶領我們走進了黑洞。黑洞的引力特別強，任何東西掉進黑洞，就永遠回不來了，包括光。人掉進去的體驗是怎樣的呢？將被潮汐力從側面擠壓成面條，而且身體下半部分的引力比上半部分的引力強很多，最終引力之差會把你撕裂。不過，影片中采用的是“溫和奇點”的說法，沒有把庫珀撕碎。
圖：《星際穿越》中的黑洞。為了呈現黑洞，劇組召集了30人的科研小組，耗用幾千枚CPU運算了一整年，才計算出電影中的黑洞。
雖然《星際穿越》有一些槽點，但千萬不要以為劇情都是異想天開。其中，蟲洞、黑洞、奇點……都是根據廣義相對論推演出來的。影片的科技指導基普·索恩還因在引力波觀測方面的決定性貢獻，榮獲2017年諾貝爾物理學獎，他也是是黑洞提出者約翰·惠勒的傳人。
毫不夸張地說，今天關于宇宙太空題材的科幻，種種腦洞大開的奇思妙想，幾乎都是廣義相對論的推論。
著名物理學家楊振寧如此贊美道，“作為科學革命，廣義相對論在人類歷史上是獨一無二的；其設想宏偉、美妙、廣邃，催生了令人敬畏的宇宙學，而且它是一個人獨自孕育并完成的，這一切讓我想起《舊約》里的創世篇。”
這個創世者就是：阿爾伯特·愛因斯坦。
創世前
20世紀初，經典物理學的大廈已經建成。德高望重的開爾文勛爵在英國一場講演中自信地說：“當前，物理學中已經沒有什么新東西可以發現了，剩下的就是把測量做得越來越精確而已。”
不過，晴朗天空中的遠處，飄來令人不安的烏云。
1905年，在西方，距離“牛頓奇跡年”已經過去了整整240年，在東方，則是清朝光緒31年。在瑞士，26歲的伯爾尼專利局的助理鑒定員愛因斯坦，上著每周六天的班，領著3500法郎的薪水，養家糊口勉強湊合。他這份工作，還是托同學的老爸走后門找來的。
這份工作最大的好處就是清閑，沒事就琢磨他那個被常人視為瘋子的思維實驗——“假如我和光飛得一樣快，那我會看到什么？”
這一想，可不得了。
圖：1905年的愛因斯坦，來源：視覺中國
這年6月，愛因斯坦發表論文提出“光量子假說”，開啟了“量子論”先河，并因“光電效應”于1921年獲得諾貝爾獎。
7月，愛因斯坦測定了分子和原子的存在。
9月，創立了狹義相對論。
11月，根據狹義相對論推導出E=MC2。沒有這個公式，就沒有原。
就這樣，愛因斯坦用半年時間，連發五篇神作般的論文，如閃電劃破黑夜，把整個物理學的烏云刮跑了，猶如球場上26歲的馬拉多納，在物理世界中“連過五人”，演繹“世紀進球”。
可是！以上這些都是“事后諸葛亮”。在1905年，真實情況不是這樣的。
這些金光閃閃的論文，既沒有幫他得到博士文憑，也沒有幫他獲得一份教職，哪怕是在中學教書。假如他這時放棄理論研究，物理界也毫不惋惜。
1907年，伯爾尼大學拒絕了他無俸講師職位的申請。
夏天，物理屆大佬普朗克，就是量子物理的奠基人，派助手馮·勞厄去接觸愛因斯坦。勞厄到了瑞士，驚訝地發現愛因斯坦竟然不是伯爾尼大學的教授。“所以我沒跟他打招呼，”勞厄回憶說，“他給我遞了一支雪茄，它難聞極了，我將它丟到了河里。”
窘迫的愛因斯坦，看到蘇黎世一所高中招聘幾何老師，就去應聘了，還附上了狹義相對論論文，在21名申請者中，他早早被刷了。
后來，他勉強當上了伯爾尼大學的無俸講師，他講授熱理論，聽課者三人；他講授輻射理論，聽課者一人，最后課程取消了。
好吧，“冷漠的人，謝謝你們曾經看輕我。”愛因斯坦于1907年11月開始，獨自踏上了通往物理學史上最優雅、最震撼人心的征途——廣義相對論的證明。
幾年之后，他將名揚天下，他此前上課的每一次散亂、支吾和邋遢也將成為世人的美談。
廣義相對論
秋去冬來。
轉眼到了1915年的11月，距離“狹義相對論”提出已經整整十年，距離證明“廣義相對論”已經八年。愛因斯坦要放大招了。
牛頓過去說，蘋果是從樹上砸下來的，因為地心引力。他提出了“萬有引力”理論。
愛因斯坦說，不對，蘋果掉下來，是因為它正在落到地球質量造成的時空小坑里。
舉例來說，先看圖：
圖源：www.uh.edu
把宇宙時空想象成一張蹦床，蹦床原本是平的，現在往上面放個球，有球的地方周圍就壓成彎曲的了，彎曲了周圍的時空。隨后，小球就會沿著大球四周凹陷進去的地方繞轉滾動。地球圍繞太陽公轉也就是這個道理。廣義相對論解釋，這叫“物質告訴空間如何彎曲”。
這與牛頓說的地球因太陽的引力而轉動截然不同。在廣義相對論里，引力的本質，就是空間的形變，它影響了物質的運動，這叫“空間告訴物質如何運動”。
理解了這張圖，就可以說是廣義相對論入門了。
最偉大的理論，最簡潔的思想。
1915年11月末，愛因斯坦在普魯士科學院講演《引力的場方程》時，完成了廣義相對論的解釋。一起來欣賞一下“宇宙之美”的方程：
此時，36歲的愛因斯坦對宇宙做出了歷史上最具想象力的修正。對于這個方程，量子力學奠基人、諾獎得主玻恩稱贊“人類思考自然的最偉大成就，哲學洞察、物理直覺和數學技巧最令人驚嘆的結合”。有了相對論，人類的時空觀將發生徹底改變。
可是！在當時，除了圈內一些人認可外，社會上對這一過于超前的理論普遍懵懂，更不可能相信牛頓能被推翻。
現在，還需要一場實驗來證明相對論的正確。
運氣
過去的常識里，人們認為光在真空中永遠走直線。
但根據愛因斯坦的解釋：引力會使光線彎曲，他還預言了光經過太陽附近的強引力場時彎曲的程度。
證據呢？
困難之處在于太陽光太刺眼，周圍的星光都被太陽給掩蓋了。最佳時機唯有等待日全食的出現，用月亮擋住太陽光。如果這時，藏在太陽正背后的恒星發出的光，能夠觀測到，就說明太陽彎曲了光的路線，很好證明。
圖源：www.bbvaopenmind.com
證明愛因斯坦這種極富遠見、極為宏觀的理論，需要耗費巨大的人力、財力。很多偉大的理論猜想創立者，在老去甚至逝世多年之后才得以證明其價值，像日心說、大陸漂移說、費馬大定理……當時還是一戰期間。更別提，日全食數十年才有一次，并且需要發生當天觀測點還不能下雨。
可見證明廣義相對論，不僅需要智力，更重要的是運氣。愛因斯坦是非常幸運的。
第一份幸運是，這一天來得很快，三年后的1919年5月29號，就有一次日全食。而錯過這一次，要等到20多年后的1937年6月8日。
第二份幸運是，遇到了正確的人。在反德情緒高漲的英國，劍橋天文臺臺長阿瑟·愛丁頓與皇家天文學家弗蘭克·戴森爵士，卻被相對論深深吸引，極力游說政府找到了經費，說服了英國海軍部，在下一次日全食期間率領一支遠征隊去檢驗廣義相對論。
第三份幸運是，天空作美。愛丁頓率隊前往最佳觀測點非洲普林西比島。日全食當天早上，雨下得很大，但日食臨近時，天空開始放晴。愛丁頓抓拍了16張照片，日珥非常明顯， 1.7弧秒的偏折，符合愛因斯坦的預言。
半年后。
1919年11月6日下午，英國皇家學會與皇家天文學會齊聚在皮卡迪利大街的伯林頓會館，大廳中懸掛著牛頓的巨幅肖像，威嚴地俯視著全場，議程唯有一項：聽取關于日食觀測的報告。愛丁頓宣讀了觀測結果：廣義相對論，說得對。
11月7日，倫敦的《泰晤士報》刊登了以下三行大標題：
科學中的革命！
新的宇宙理論！
牛頓思想被推翻！
愛因斯坦聲名大震，獲得了世界性聲譽。遠在柏林的愛因斯坦聽到這一消息后，買了一把新小提琴以示慶祝，他后來寫道：“牛頓啊，請原諒我。”
圖：拉小提琴的愛因斯坦，來源：視覺中國
到此，這篇略顯燒腦的思維穿越旅行結束了。105年來，時間旅行、原子裂變、宇宙大爆炸、暗能量、黑洞、蟲洞、引力波……從簡潔美妙的相對論公式里，人們時不時從中解出關于宇宙的奧秘，今天，還有很多未知的內容等待我們去發現、去完善。
【參考文獻】
《愛因斯坦傳》，沃爾特·艾薩克森
《愛因斯坦的機遇與眼光》，楊振寧
《星際穿越》影片
《星際穿越中的科學》紀錄片
