出圈的相对论，你真的能理解吗？

我在广岛的原子弹灾害纪念馆中，见到一个很大的1905和1915年，爱因斯坦在“上帝神秘的作坊”里，在充满着灵感的人类历史的罕见时刻，完成了狭义相对论和广义相对论，对宇宙概念和时空观念做出了最具想象力和戏剧性的修正。无论误解与否，也无论相对论是否被庸俗化地解读，爱因斯坦的著作都走入了20世纪文化史，深刻影响了第一次世界大战后的人类精神世界。

1905，伯尔尼：“奇迹年”

1905年，爱因斯坦夫妇住在伯尔尼老市区的中心。他们在克拉姆街49号的一室一厅的公寓，位于二楼，要通过一个狭陡的梯子走上去。由于没有书房，爱因斯坦在厨房或起居室的桌子上工作。他的经济状况是低级公务员的收入，有一位妻子和一个孩子，还要赡养寡母。正是在这里，他“从日常生活的焦虑中解脱出来，产生最有创造性的工作”——他有关物理难题的思想实验。

他每天有八小时“不务正业”的时间自由支配，再加上每个星期天，可以用来连续集中思考问题。这时，游离于学术主流之外的爱因斯坦已经发表了五篇不太为人所知的物理学论文。这些论文既没有使他得到博士学位，也没有帮他获得一份教职，哪怕是在中学教书。倘若他在这时放弃理论物理学，科学界丝毫也不会有所注意。

在伯尔尼，爱因斯坦有一个自己的朋友圈子。对新技术和新思想感兴趣的一些年轻人，以“贫穷的波西米亚方式经常聚在一起”，一起读大思想家的著作，讨论他们的思想。他们吃着廉价的香肠、格鲁耶尔干酪和煮过头的鸡蛋，时常彻夜讨论。有时，爱因斯坦会拉小提琴。夏天，他们偶尔会去伯尔尼近郊爬山看日出，在星光下讨论天文学。

19世纪末20世纪初，是一个像文艺复兴时期一样天才群星璀璨的时代。技术上的新发展，比如飞机、无线电报和汽车的出现，改变了人们的空间概念和时间概念。在电影制片技术上，多重画面技术能在画面上描述不同的透视点，使得在系列画面或一个单一画面上描述随时间的变化成为可能。

在科学中，X射线的发现使得内外模糊、不透明的东西变得透明，二维和三维之间的区别变得迷离。在更为抽象的方面，数学家们思考着维度高于三维的几何学。这些思想在欧洲的报纸、杂志上和咖啡厅里被广泛地讨论着，也出现在像亨利·伯格森和亨利·庞加莱的哲学著作中。

17世纪末，牛顿奠定了经典物理学的基础。他根据伽利略等人的发现，提出了描述宇宙的力学定律，使宇宙在相当程度上被理性所统辖。无论是下落的苹果还是沿轨道运转的月球，支配它们的都是关于引力、质量、力和运动的相同定律。原因产生结果，力作用于物体，万事万物从理论上讲都可以得到解释、确定和预言。在牛顿的宇宙中，没有什么东西是不确定的，未来和过去都能一目了然。

19世纪中叶，牛顿力学与另一项重大进展结合了起来。英国实验家法拉第发现了电场与磁场的特性，即电流可以产生磁，变化的磁场也可以产生电流。当磁体在线圈附近运动，或者线圈在磁体附近运动时，线圈中就会产生电流。

接着，苏格兰物理学家麦克斯韦提出了一组电磁方程，规定了变化的电场如何产生磁场，以及变化的磁场如何产生电场。变化的电场能够产生变化的磁场，而变化的磁场又会产生变化的电场，如此无穷交替下去，便会产生电磁波。

麦克斯韦的电磁场论刚开始似乎与牛顿力学相容。麦克斯韦认为，包括可见光在内的电磁波都可以通过经典力学来解释，只需假设宇宙中充满着一些看不见的“承载光的以太”就可以了。电磁波正是通过这种“以太”的起伏振荡来传播的，就像水传播大海的波浪，空气传播声波一样。然而，到了19世纪末，经典物理学基础的裂痕开始暴露出来：科学家们无论如何努力，都无法找到这种光“以太”存在的证据。

没有任何迹象表明，默默无闻的瑞士专利局职员爱因斯坦将在1905年迎来一个“奇迹年”。从1905年3月17日始，在两个月的时间内，爱因斯坦给《物理学年刊》提交了三篇论文。他的论文所关注的正是世纪之交困扰着物理学的那些问题：宇宙是由像原子和电子这样的粒子构成的，还是像引力场或电磁场那样，是一个不间断的连续体？倘若两种描述方法都是有效的，那么当它们交叠时会发生什么？

在这三篇论文中，有爱因斯坦的光量子理论，这一理论引出了可以得到实验证实的光电效应定律；有他关于分子大小的博士论文和他关于布朗运动的论文。就在他写下这三篇论文的时候，他也一直在冥思苦想一种涉及运动物体和光速的理论。关于狭义相对论的灵感，即将降临。

就在寄出布朗运动论文之后一天左右，有关“修正时空理论”的灵感降临了。伯尔尼天气晴好的一天，爱因斯坦去拜访自己的朋友贝索。其间，爱因斯坦向贝索谈到了这个一直令他百思不得其解的困难。就在讨论过程中，爱因斯坦回忆，“我忽然想到了问题的解决办法”。第二天见到贝索时，爱因斯坦极为兴奋，顾不上问候就开门见山地说：“感谢你，我已经完全解决了这个问题。”

在这灵光闪现之后的仅仅五个星期，爱因斯坦寄出了那篇著名的论文《论动体的电动力学》。它没有引用其他文献，也没有提到他人的工作。正如爱因斯坦曾说的那样：“一个新的想法突然出现了，而且在相当程度上是凭借直觉获知的。但直觉只不过来源于早先的思想历程。”

在与贝索谈话时，是什么思想启发了他呢？爱因斯坦说：“对时间概念的分析是解决问题的关键。时间无法被绝对地定义，时间与信号速度之间存在着不可分割的联系。”更确切地说，关键在于认识到，在一个观察者看来似乎是同时的两个事件，在另一个快速运动的观察者看来却是不同时的。我们不能说哪个观察者是绝对正确的，换句话说，我们无法宣称两个事件是绝对同时的。

这一看似简单的洞见在当时非常激进，因为它意味着不存在绝对时间，任何参照系都有其自身的相对时间。曾提出量子不确定原理的伟大物理学家维尔纳·海森堡日后回忆说：“这是对物理学基础的改变，它出人意料，激进而彻底，需要由一个富有勇气和革命精神的年轻天才来完成。”

自牛顿使绝对时间的概念成为《自然哲学的数学原理》中的一个前提之后，绝对时间就一直是物理学的一个支柱。它意味着时间“实际”存在着，不依赖于对它的任何观察而自行流逝，绝对空间也是如此。但即使是牛顿，似乎也对无法直接观察到这些概念感到不满。牛顿承认“绝对时间并非知觉的对象”，他依靠神的在场来帮助他走出这个困境。“神的延续从永恒达于永恒，神的在场从无限达于无限，他构成了延续和空间。”

在1905年的瑞士专利局里，时间标准化和电缆、无线电报传输这样的问题每天都被讨论着。那一年，美国海军开始从华盛顿特区向其舰队发送时间信号。美国海军部少校爱德华·海登期待着“有一天，无线电报可能会容许一个日常国际时间信号，这个信号能在瞬间抵达每一个大洲和每一片海洋”。调节钟表、传递和接收装置标准化的问题在当时出现了。

1890年，伯尔尼建立了一个由电信号校准的钟表所组成的城市时间网络。当爱因斯坦来到伯尔尼时，许多瑞士人都在研究如何使这些钟表走得更准，并与其他城市的钟表同步。爱因斯坦在专利局的主要职责，就是对电力设备做出评估，其中包括用电信号来校准钟表的大量申请。

就在爱因斯坦与贝索进行那次重要谈话之前仅三周，有一个类似的申请被送到了专利局，它设计用电信号来校准两个带有电磁摆的钟表。这些申请都使用了以光速传播的信号。有意思的是，爱因斯坦相对论论文的整个前两部分几乎都是在讨论他最熟悉的两项实用技术。他谈到了由线圈和磁体“同等的相对运动”所产生的“等量电流”，还谈到了用“光信号”来确保“两个钟表同步”。有传记学家指出：“在专利局获得的知识与相对论的理论结果之间存在着一种确定的联系。”

1905年最终因爱因斯坦的一个简洁而优美的公式而成为“奇迹年”。《物理学纪事》在这一年的9月27日收到了他的论文：《物体的惯性依赖于它所包含的能量吗？》。它仅有三页，只包含三步。它的结论十分优雅：质量与能量是同一物体的不同表现，两者从根本上可以互换。用来描述这一关系的公式非常简洁：L=mv²。在1912年前，爱因斯坦一直用字母L表示能量，后来他才在手稿上将L划去，换成了E；他也用v表示光速，后来换成了更常用的c。

在物理圈内，人们并没有立刻认识到爱因斯坦早期论文的革命性质。从狭义相对论首次发表到其充分确立自身地位而进入教材（劳厄的《相对原则》，1911年），中间经过了六年的时间。

1915，柏林：广义相对论

1913年7月，柏林科学界的大佬马克斯·普朗克来苏黎世，在联邦工学院的爱因斯坦办公室里，说明了邀请爱因斯坦去柏林的来意。他开出的条件很诱人：爱因斯坦将被选为普鲁士科学院的新增院士，薪水相当丰厚；他将担任一个新建的物理研究所的所长，还将成为柏林洪堡大学的教授。

爱因斯坦对日耳曼的事物比较反感。少年时代，他就对普鲁士特色的阅兵式避之不及，也厌恶德国人的僵化刻板。在工业和文化的民主程度上，普鲁士和柏林都远远落后于苏黎世。他曾在信中写道，柏林人“人文素养不足”，相较于法国、英国人的言谈，颇为粗俗野蛮。

未满17岁时，爱因斯坦就中断了在慕尼黑的高中学业，申请撤销他在德国南部符腾堡的国民身份，以避免在当地服兵役。如今，他已和家人在瑞士定居了下来，工作稳定，氛围也对他的性格。而且，他已经34岁，最有创造力的时期或许已经过去（有一种公论：除了少数几个特例，理论物理学中一切真正伟大的发现都是由30岁以下的人做出的）。

他并不清楚自己是否还能像德国人所期待的那样，成为“可以获奖下蛋的母鸡”。但普朗克开出的优越条件吸引着他。在给朋友的信中，爱因斯坦写道：“我将到柏林任科学院院士而不承担任何义务，活像一尊木乃伊。”“我抵挡不住就任新职的诱惑，因为那样一来，我就可以摆脱一切责任，全身心地投入到沉思默想之中。”

不过，爱因斯坦愿意前往柏林，还有一个重要的、情感上的理由：与他的新欢、表姐爱尔莎在一起。1912年，爱因斯坦曾与她在柏林重逢，两人情投意合，成为恋人，之后一直保持着秘密通信。爱因斯坦与第一位妻子米列娃的婚姻当时已在瓦解之中。就在普朗克离开苏黎世的当晚，爱因斯坦给爱尔莎写了一封信，欢呼道：“最晚到明年春天，我将一劳永逸地来到柏林。我已经在为我们即将共度的美好时光而欢呼了！”

1914年4月，爱因斯坦搭乘火车，由莱顿经亚琛，抵达柏林。在这个大都会里，大家沉浸在一种独特的梦幻气氛中，摆荡于战争欲求与和平希望之间。爱因斯坦在柏林市中心租了一间离爱尔莎更近的房子，屋里没有什么家具，不过相当宽敞，有七间屋子，位于一幢五层新楼的第三层。他的书房里有一张木制的大写字台，上面凌乱地堆放着一沓沓论文和期刊。在这样一个僻静的住所，他随处走动，饿了就吃，困了就睡，有兴致就开始工作，像一匹孤独的狼。1914年8月，第一次世界大战爆发。

爱因斯坦一直是一个和平主义者，一战的爆发使爱因斯坦与他的亲密同事之间产生了分歧。1914年10月，德国多位知识界人士发表了《告文明世界书》，断言：“要不是因为德国军国主义，德国文化已被从地球表面抹去。作为一个有教养的民族，我们将把这场战斗进行到底。对这个民族来说，歌德、贝多芬和康德的遗产就像家庭和土地一样神圣。”爱因斯坦的不少亲密同事是主战派，他们都在请愿书上签了字。作为公民和科学家，他们都有一种自然本能去附随其他人的情感，而爱因斯坦则相信，科学家有一种特殊的责任来参与公共事务。他说：“我们这些科学家必须培养一种国际主义。”

1915年的春天和夏天，爱因斯坦一直在苦思冥想他的《纲要》理论，他开始称其为“广义理论”。6月底，他应哥廷根大学数学家希尔伯特之邀，办了六场演讲，论题是爱因斯坦在广义相对论上的进展，但当时谈的理论是重力和其他力的交互作用。对哥廷根的访问很有收获，那里聚集了很多天才人物。他兴奋地告诉朋友，“我能够说服希尔伯特相信广义相对论”，他“有惊人的能量和独立性”。也是在哥廷根演讲期间，爱因斯坦发现了他的《纲要》理论有明显的缺陷，最终在10月断然将其抛弃；而被爱因斯坦和他的理论吸引的希尔伯特，正试图自行得出正确的公式。