爱因斯坦的宇宙理论是如何产生的？
他们做了一切可以振荡、加速、扰动、蒸馏、结合、称重或变成气体的事情；在这个过程中，他们提出了许多普遍规律。这些法律很重要，也很傲慢。直到今天，我们还经常用大写来写它们:光的电磁场理论，李希特互易定律，查尔斯气体定律，体积结合定律，零定律，原子价概念，质量作用定律等等。整个世界随着他们发明的机器和仪器的声音叮当作响。许多聪明人认为科学家没有什么事可做。
1875年，德国基尔一个叫马克斯·普朗克的年轻人犹豫了，不知道这辈子到底是搞数学还是搞物理。人们真诚地劝他不要选物理，因为物理中的主要问题都已经解决了。他们明确地告诉他，下一个世纪将是一个巩固和改进的世纪，而不是一个革命的世纪。普朗克不听。他钻研理论物理，致力于热力学的核心问题——熵的研究。对于一个雄心勃勃的年轻人来说，研究这个问题似乎很有希望。1891年，他取得了成就，但他惊讶地发现，这个关于熵的重要工作居然已经有人做了。他是耶鲁大学的一名孤独的学者，名叫j·威拉德·吉布斯。
吉布斯是一个杰出的人物，但大多数人可能没有听说过他。他行为规矩，很少抛头露面。除了在欧洲学习了三年，他几乎一生都生活在三个街区的区域:一边是他的家，另一边是康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学校园。在耶鲁大学的头十年，他甚至不屑于拿工资。他有另一份收入。)从1871开始，成为这所大学的教授，直到1903年去世。这期间平均每学期只有一个学生选他的课。他写的东西晦涩难懂，经常用自己发明的符号，很多人觉得简直就是天书。然而，在那些神秘的公式深处，却隐藏着最睿智、最深刻的洞见。
在1875-1878期间，吉布斯写了一系列论文，汇编了《论多相物质的平衡》。这本书出色地阐述了几乎所有的热力学原理——用威廉·h·库珀的话说，包括“气体、混合物、平面、固体、相移”...化学反应、电化学电池、沉淀和渗透”。归根结底，吉布斯想表明，热力学不仅适用于蒸汽机这样一个巨大而嘈杂的范围内的热和能量，而且存在于化学反应的原子层面，影响巨大。吉布斯的“平衡”一直被称为“热力学原理”，但出于不可预知的原因，吉布斯愿意将这些划时代的观点发表在《康涅狄格文理学院学报》上，这是一份即使在康涅狄格也不为人知的杂志。这就是为什么普朗克直到很晚才听到他的名字。
普朗克并没有气馁——唉，也许有点胆怯，开始把注意力转向其他问题。这方面，我们以后再说。让我们稍微(适当地)改变一下方向，去俄亥俄州的克利夫兰，去一个当时被称为实用科学凯斯学院的机构。20世纪80年代，有一位名叫阿尔伯特·迈克耳孙的中年物理学家。在朋友爱德华·莫雷的帮助下，他进行了一系列实验。那些实验产生了有趣和令人惊讶的结果，这些结果将对未来的许多事情产生重大影响。
迈克尔逊和莫雷的所作所为——实际上是无意的——摧毁了人们长期以来对一种叫做光以太的东西的信念。它是一种稳定的、不可见的、无重量的、无摩擦的，不幸的是，完全是虚构的介质。人们认为这种介质充满了整个宇宙。笛卡尔提出了以太的假设，牛顿接受了它。之后几乎所有人都崇敬它，在19世纪的物理学中占据了绝对的中心地位，用来解释为什么光可以在虚无的空间中传播。在19世纪初尤为必要，因为此时光和电磁都被视为波，也就是说某种振动。振动必须在某个事物中才能发生，所以它需要一个以太，而长期以来人们一直认为存在一个以太。直到1909，伟大的英国物理学家J·J·汤姆逊仍然坚持认为:“以太不是任何一个有思想的哲学家的想象，它和我们呼吸的空气一样，对我们来说是不可或缺的。”——在他这样说了四年多之后，以太不存在是无可争议的。总之，人真的离不开乙醚。
如果你需要解释美洲在19世纪是一片充满机遇的土地，你很难找到另一个像阿尔伯特·迈克耳孙这样的好例子。他于1852年出生在德国和波兰边境地区一个贫穷的犹太商人家庭。小时候，他随家人来到美国，在加州淘金热地区的一个矿工村长大。他父亲在那里做纺织品生意。他家太穷了，上不了大学，于是他来到华盛顿，在白宫正门徘徊，希望每天尤利西斯·s·格兰特出去散步的时候能见到总统。(那显然是一个比较单纯的年代。在这样的散步过程中，迈克尔逊赢得了总统的心，格兰特答应免费送他去美国海军军官学校。迈克尔逊就是在那里研究物理的。
10年后，克里夫兰凯斯学院教授迈克尔逊开始对测量一种叫做以太漂移的东西感兴趣——一种移动物体穿过空间产生的逆风。牛顿物理学的一个预言是，在观察者看来，光穿过以太的速度是不一样的，取决于观察者是向着光源还是逆着光源运动。但是没有人能想出一种方法来测量它。迈克尔逊突然想到，地球朝着太阳的方向运动了半年，又朝着相反的方向运动了半年。他认为，只要我们仔细测量相对季节，比较它们之间的光速，就能找到答案。
迈克尔逊说服了刚刚发了大财的电话发明者亚历山大·格雷厄姆·贝尔提供资金，制作了一个聪明而灵敏的仪器，名为迈克尔逊自己设计的干涉仪，用来非常精确地测量光速。然后，在善良而神秘的莫雷的帮助下，迈克尔逊进行了长达数年的仔细测量。这是一项非常细致费力的工作。迈克尔逊的精神突然崩溃，工作不得不中断一段时间。然而，到了1887，他们有了结果。而且这个结果完全出乎这两位科学家的意料。
加州理工学院的天体物理学家基普·S·索恩(Kip S Thorne)写道:“事实证明，光速在所有方向和季节都是一样的。”这是200年来的第一个迹象——事实上，恰好是200年——牛顿定律可能在任何时间和任何地方都不适用。用威廉·h·克罗珀(William H. Cropper)的话说，迈克尔逊-莫雷结果成为“可能是物理学史上最负面的结果”。正因如此，迈克尔逊获得了诺贝尔物理学奖——从而成为第一个获此殊荣的美国人——但那将是20年后的事了。与此同时，迈克尔逊-莫雷实验就像一股霉味，令人不快地浮在科学家的脑海里。
值得注意的是，尽管他有所发现，但当20世纪到来时，迈克尔逊和其他人一样认为科学工作即将结束——用《自然》杂志一位作者的话说，“只是增加几个塔楼和尖顶，在屋顶上雕刻几个浮雕。”
当然，事实上，世界即将进入一个科学世纪。到那时，每个人都会知道一点，没有人会什么都知道。科学家们即将发现自己漂浮在粒子和反粒子的汪洋大海中。事物瞬间存在，瞬间消失，让纳秒的时间显得很慢很普通，一切都是那么的陌生。科学正在从宏观物理向微观物理转变。前者，物体看得见，摸得着，测得着；后者，事情发生得突然，快得不可思议，完全超出了想象。我们即将进入量子时代，第一个推开它的门的人是马克斯·普朗克，他至今都不走运。
1900年，普朗克42岁，已经是柏林大学的理论物理学家。他揭示了一种新的“量子理论”，认为能量不是像流水一样连续的，而是以包的形式传输的东西，他称之为量子。这确实是一个新颖的概念，也是一个好的概念。短期内可以为迈克尔逊-莫雷实验之谜提供一个解释，因为它说明了光不一定是波。从长远来看，它将为整个现代物理学奠定基础。无论如何，这是世界即将改变的第一个迹象。
然而，划时代的事件——新时代的曙光——要到1905才会发生。当时，德国物理杂志《物理学年鉴》发表了一位年轻的瑞士雇员的一系列论文。他没有大学职位，也没有自己的实验室。他平时只在伯尔尼国家专利局的小图书馆里跑。他是专利局的三级技术审查员。不久前，他申请晋升为二级督察，但被拒绝了。)
他的名字是阿尔伯特·爱因斯坦。在那重要的一年，他向《物理学年鉴》投稿了5篇论文。用C.P .斯诺的话说，其中三篇是“物理学史上最伟大的著作”——一篇用普朗克的量子理论来检验光电效应，一篇讨论悬浮小粒子(现在称为布朗运动)的情况，一篇总结了狭义相对论。
第一篇文章解释了光的本质(并使许多事情成为可能，包括电视)，这为作者赢得了诺贝尔奖。
第二篇文章提供了原子确实存在的证据——令人惊讶的是，这一事实在过去一直存在争议。
第三篇文章彻底改变了世界。
爱因斯坦于1879年出生在德国南部的乌尔姆，但在慕尼黑长大。他早年的生活几乎没有显示出他将来会成为大人物。众所周知，他直到三岁才学会说话。上世纪90年代，父亲的电器生意破产，举家迁往米兰，但已经十多岁的艾伯特却去了瑞士继续求学——虽然一开始高考失利。从65438年到0896年，他放弃了德国国籍以避免被征召入伍，进入瑞士苏黎世联邦理工学院学习旨在培养中学教师的四年课程。他是一个聪明但不优秀的学生。
1900年，他从学校毕业，没几个月，就开始向《物理年鉴》投稿。他的第一篇论文，关于吸管中流体的物理学，与普朗克的量子理论发表在同一期。从1902到1904，他写了一系列关于统计力学的论文，人们发现，多产的J·威拉德·吉布斯曾在1901年在康涅狄格州悄悄发表过同样的著作:统计力学的基本原理。
艾伯特曾经爱上了一个同学，一个叫米拉瓦·玛丽奇的匈牙利女孩。1901年，他们生了一儿一女，没有结婚。他们很谨慎，把孩子交给了别人。爱因斯坦从未见过自己的孩子。两年后，他与玛丽奇结婚。在此期间，爱因斯坦接受了瑞士专利局的一个职位，并在那里呆了七年。他非常喜欢这份工作:它具有挑战性，可以让他的大脑忙碌起来，而不会分散他对物理的注意力。正是在这样的背景下，他在1905年创立了狭义相对论。
《论运动物体的电动力学》是有史以来发表的最好的科学论文之一，在表达和内容上都是如此。它没有脚注，没有引用，几乎没有数学，也没有提到任何影响或先于论文的著作，只是感谢一个人的帮助。他是专利局的同事，名叫米歇尔·贝索。C.P .斯诺写道，爱因斯坦似乎“在不听取他人意见的情况下，独自思考并得出结论”。很大程度上就是这样。”
他著名的方程E=mc2并没有出现在这篇论文中，而是出现在几个月后的一个短补中。你可以回忆一下你在学校学到的东西。等式中，E代表能量，M代表质量，c2代表光速的平方。
用最简单的话来说，这个等式意味着质量和能量是等价的。它们是同一事物的两种形式:能量是释放的质量；质量是等待释放的能量。由于c2(光速的平方)是一个极大的数字，这个等式意味着每个物体都包含了极大的能量——真的是极大的能量。
你可能觉得自己并不强壮，但如果你是一个普通的成年人，你卑微的身体里蕴藏着不少于7×1018焦耳的潜能——爆炸的力量抵得上30颗氢弹，如果你知道如何释放，并且真的愿意这么做的话。每个物体中都有这样的能量。我们只是不擅长释放它。如果我们更聪明的话，即使是铀炸弹——我们制造的最强大的家伙——释放的能量也不到它所能释放能量的1%。
其中，爱因斯坦的理论解释了辐射是如何发生的:一块铀是如何连续释放出强烈的辐射能量而不像冰一样融化的。(只要质量非常有效地转化为能量，就有可能:E=mc2。这个理论解释了为什么恒星可以燃烧数十亿年而不会耗尽燃料。(同上。)爱因斯坦用一个简单的公式拓宽了地质学家和天文学家几十亿年的视野。特别是理论表明，光速是不变的，是最快的，没有什么能超越它。因此，这让我们一下子明白了宇宙本质的核心。而且理论还解决了光以太的问题，说明它不存在。爱因斯坦的宇宙不需要以太。
物理学家一般不太关注瑞士专利局的工作人员发表的东西，所以尽管提供了丰富而有用的信息，爱因斯坦的论文并没有引起太多的关注。因为他刚刚解决了宇宙中一些最困难的谜团，爱因斯坦申请了大学讲师的职位，但是被拒绝了。然后他申请了中学老师的职位，又被拒绝了。于是，他又恢复了三级考官的工作——但他当然没有停止思考。他离成功还很远。
有一次，诗人paolo valeri问爱因斯坦是否随身带了一个笔记本来记录自己的想法。爱因斯坦略带惊讶地看了他一眼。“哦，那是不必要的，”他回答。“我很少带笔记本。”不用我指出，如果他真的带了笔记本，那是非常有益的。爱因斯坦的下一个想法是所有想法中最伟大的想法，Motz和Weaver在他们的原子科学原始历史中说，这确实是最伟大的想法。“作为大脑的原创，”他们写道，“这无疑是人类最高的智力成就。”这个评价当然很高。
1907，反正有时候书上说，当一个工人从屋顶掉下来的时候，爱因斯坦就开始思考万有引力了。天哪，像许多感人的故事一样，这个故事的真实性似乎受到质疑。据爱因斯坦自己说，当他考虑重力时，他只是坐在椅子上。
事实上，爱因斯坦认为更像是开始寻找重力问题的答案。从一开始，他就清楚地意识到狭义相对论缺少了一样东西，那就是引力。狭义相对论之所以“狭隘”，是因为它研究的是完全在无障碍状态下运动的事物。但是如果一个运动的东西——尤其是光——遇到了重力这样的障碍呢？他在接下来的10年的大部分时间里都在思考这个问题，终于在1917年初发表了题为《关于广义相对论的宇宙学思考》的论文。当然，1905的狭义相对论是一个深刻而重要的成果。然而，正如C.P .斯诺曾经指出的，如果爱因斯坦没有想到它，其他人也会想到它，可能在五年之内。这是等待发生的事情。然而，广义相对论完全是另一回事。“没有它，”斯诺在1979中写道，“我们今天可能仍在等待那个理论。”
爱因斯坦经常手里拿着烟斗，和蔼可亲，不爱抛头露面，头发凌乱。他真是一个非凡的人。这样的人不可能永远默默无闻。1919年，战争结束，世界突然找到了他。几乎与此同时，他的相对论以常人难以理解而闻名。《纽约时报》决定写一篇报道——出于永远无法理解的原因——并派出一位名叫亨利·克劳奇的高尔夫记者负责采访。结果，正如大卫·博德丹尼斯(David Boddenis)在他的优秀著作E=mc2中指出的，问题根本没有解决。
这次采访让克劳奇不知所措，他几乎把一切都搞错了。他的报告中有许多令人难忘的错误。其中之一就是爱因斯坦找到了一个有勇气的出版商，他敢于出版一本全世界只有12人能看懂的书。当然没有这样的书，没有这样的出版社，也没有这样狭隘的学术圈，但这种观点已经深入人心。没过多久，在人们的想象中，理解相对论的人就少了很多——需要指出的是，科学界并没有澄清这个神话。
有记者问英国天文学家亚瑟·爱丁顿，他是否真的是世界上仅有的三个能理解爱因斯坦相对论的人之一。爱丁顿仔细想了一会儿，然后回答道:“我在想第三个人是谁。”事实上，相对论的问题不在于它涉及许多微分方程、洛仑兹变换和其他复杂的数学(虽然它确实涉及——甚至爱因斯坦在某些方面也需要帮助)，而在于它不能被直觉完全理解。
从本质上讲，相对论的内容是:空间和时间不是绝对的，而是相对于观察者和被观察者而言的；一个人的动作越快，这种影响就会越明显。我们永远无法将自己加速到光速；与旁观者相比，我们越努力(所以我们走得越快)，我们的外表就会越扭曲。
几乎与此同时，从事科普工作的人也想努力让广大群众理解这些概念。数学家和哲学家罗素的相对论ABC是一个成功的尝试——至少在商业上是这样。罗素使用了一个在本书中已经多次使用的比喻。他让读者想象一辆90米长的火车以60%的光速行驶。对于站在站台上看着它经过的人来说，火车看起来也就只有70米长，火车上的一切也同样减少。如果我们能听到人们在车里说话，他们的声音听起来会很模糊，很慢，就像放唱片太慢一样，动作看起来也很笨拙。甚至汽车里的时钟似乎也只以正常速度的五分之四移动。
然而——这就是问题所在——公交车上的人并不觉得自己畸形。在他们看来，车里的一切似乎都很正常。然而，在平台上，我们奇怪地变得更小更慢。你看，这一切都和你与运动物体的相对位置有关。
其实每次搬家都会有这种效果。当你飞越美国时，你会在大约十亿分之一秒内走出飞机，这比你身后离开飞机的人都要年轻。甚至当你从房间的一端走到另一端时，你所经历的时空也会发生细微的变化。据计算，以160公里的时速抛出的棒球，到达本垒板时会得到0.000000000002克的物质。所以相对性的作用是具体的，是可以衡量的。问题是这种变化太小，我们注意不到。然而，对于宇宙中的其他事物——光、引力、宇宙本身——这些都是重要的事件。
所以，如果相对论的概念看起来有点奇怪，那只是因为我们在平时的生活中没有经历过这种相互作用。然而，我们不得不求助于波尼丹斯，我们所有人经常会遇到其他种类的相对论——比如声音。如果你在公园里，有人在放糟糕的音乐，你知道，如果你走得更远，音乐似乎更轻。当然，那不是因为音乐真的很轻，而是因为你对音乐的定位变了。对于体积小或移动慢的东西，因此不可能有相同的体验——比如蜗牛——一个扬声器似乎可以同时向两个听众播放两卷音乐，这可能令人难以置信。
在“广义相对论”的众多概念中，最具挑战性、最直观的一个概念在于时间是空间的一部分这一概念。我们本能地认为时间是永恒的、绝对的、不可改变的，相信没有任何东西可以干扰它坚定的步伐。事实上，爱因斯坦认为时间是可以改变的，并且在不断变化。时间甚至形状。一个时间和三个空间的结合——用斯蒂芬·霍金的话说就是“千丝万缕地交织在一起”——神秘地形成了一个“时空”。
通常情况下，时间和空间是这样解释的:请想象一个扁平而有弹性的东西——比如一张地毯或者一个笔直的橡胶垫——带着一个又重又圆的物体，比如一个铁球。铁球的重量使下面的垫子微微伸展下沉。这大致类似于太阳这样的巨人(铁球)对时空(底垫)的作用:铁球使底垫拉伸、弯曲、倾斜。现在，如果你让一个更小的球在垫子上滚动，它会试图沿直线运动，就像牛顿运动定律要求的那样。但当它靠近大球和底垫凹陷部分时，就滚到下部，不可避免地被大球吸走。这就是重力——时空弯曲的产物。
任何有质量的物体都可以在宇宙的底垫上制造一个小坑。因此，正如丹尼斯·奥弗比所说，宇宙是一个“最终的沉降垫”。从这个角度来看，引力与其说是一个结果的东西——用物理学家米西奥·卡库的话说，“它不是一种力，而是时空弯曲的副产品。”Kaku接着说:“从某种意义上说，引力是不存在的；让行星和恒星运动的是空间和时间的变形。”
当然，底垫的比喻只能帮助我们理解这个度，因为它不包括时间的作用。说了这么多，其实我们的大脑只能这样想象。几乎无法想象，空间和时间像一根线织成网格席一样，以3: 1的比例编织成一个时空。无论如何，我想我们都会同意，对于一个凝视瑞士首都专利局窗外的年轻人来说，这真是一个伟大的洞察力。
爱因斯坦的广义相对论提出了许多意见。其中，他认为宇宙的心脏总是在膨胀或收缩。然而，爱因斯坦不是宇宙学家。他接受了宇宙是固定的、永恒的这一流行观点。或多或少出于本能，他在方程中加入了他所谓的宇宙常数。他把它当成数学上的暂停键，任意抵消重力的作用。科学史书总是原谅爱因斯坦的错误，但这其实是科学中很可怕的一件事。他称之为“我一生中犯下的最大错误”。
说来也巧，就在爱因斯坦为他的理论添加一个常数的时候，亚利桑那州洛厄尔天文台的一位天文学家记录了遥远恒星光谱图上的读数，发现这些恒星似乎正在远离我们。这位天文学家有一个来自银河系的美丽名字:维斯塔·斯莱弗(他实际上来自印第安纳州)。原来宇宙不是静止的。斯莱弗发现，这些恒星清楚地显示出多普勒频移的迹象——与赛道上驶过的汽车发出的连贯而独特的“嚓-嗖”声的机制相同。这个现象也适用于光；就星系而言，它被称为红移(因为远离我们的光向光谱的红端移动，而向我们靠近的光向蓝端移动)。
斯莱弗是第一个注意到光的这种效应的人，并意识到在未来理解宇宙的运动是非常重要的。不幸的是，没有人注意到他。你会记得珀西瓦尔·洛厄尔在这里研究火星上的运河，所以洛厄尔天文台是一个独特的地方。在20世纪的前10年，它在任何意义上都成为了天文学研究的前哨。斯莱弗不知道爱因斯坦的相对论，世界也不知道斯莱弗，所以他的发现没有影响。
相反，荣誉属于一个非常自负的大个子。他的名字是埃德温·哈勃。哈勃于1889年出生在欧扎克高原边缘的一个密苏里小镇，比爱因斯坦小10岁。他在芝加哥郊区伊利诺伊州的惠顿长大。他的父亲是一个成功的保险公司经理，所以家里的生活总是很舒适。埃德温也是天生的好身材。他是一个强大而有天赋的运动员，迷人、时尚、英俊——用威廉·h·克罗珀的话说，“帅到了不恰当的程度”；用另一位仰慕者的话说，“美如阿多尼斯”。用他自己的话说，他在救落水的人的时候，经常做一些见义勇为的事情；带领受惊的人们穿越法国战场，把他们带到安全的地方；在表演赛中，世界冠军拳击手一下子被击倒在地，这使他们很尴尬。这一切好得不像真的，但都是真的。尽管他才华出众，哈勃也是一个顽固的骗子。
这是不寻常的，因为哈勃的生活从小就充满了真正的陌生感，有时出类拔萃也是不可思议的。只有在1906年的一次中学田径运动会上，他获得了撑杆跳、铅球、铁饼、链球、立定跳高、助跑跳高的冠军，他是接力赛获胜队的一员——也就是说，他在一次运动会上获得了七个第一，他在跳远比赛中获得了第三名。同年，他创造了伊利诺伊州跳高纪录。
作为学者，他也很优秀，不费吹灰之力就被芝加哥大学录取，学习物理和天文学(巧合的是，系主任是阿尔伯特·迈克耳孙)。在那里，他被选为牛津大学首批罗兹奖学金获得者之一。在英国的三年生活显然冲昏了他的头脑。1913当他回到惠顿的时候，他穿着一件长斗篷，拿着一个烟斗。他说话的口气很奇怪，没完没了地说——不像英国人，有点像英国人——这种口气他保持了一辈子。他后来声称，他在20世纪20年代的大部分时间里都在肯塔基州做律师，但实际上他在印第安纳州的新奥尔巴尼做过中学教师和篮球教练，后来获得了博士学位，并在军队待了很短时间。他在签署停战协定前一周抵达法国，几乎可以肯定从未听到过愤怒的枪声。)
1919年，他30岁。他搬到了加利福尼亚，在洛杉矶附近的威尔逊山天文台找到了一份工作。令我们惊讶的是，他很快成为20世纪最杰出的天文学家。
让我们暂停片刻，考虑一下当时人们对宇宙的了解是多么的少，这是值得的。今天的天文学家认为，可见宇宙中可能有1400亿个星系。这是一个巨大的数字，比你听到这个后所想的要大得多。如果把一个星系比作一颗冰冻的豆子，这些豆子可以装满一个礼堂——例如，老波斯顿花园或皇家阿尔伯特·海尔。(有一个叫布鲁斯·格雷戈里的天体物理学家实际计算过。)1919，哈勃第一次