上世纪科学第一人：爱因斯坦

云启霞蔚

你有多少岁不重要，看起来像多少岁才重要。

1905年，26岁的爱因斯坦发表了四篇论文，开创了三个学科——量子论、统计力学和狭义相对论的先河。

“我们全都获益不浅，全世界都感谢他的教诲，专属于他个人的东西，早已传遍广大人群，他将像行将陨灭的彗星，光华四射，同他的光芒永相结合。”

首先得知道 爱因斯坦 何许人也。

大家想必都听说过，他是一位非常伟大的物理学家。但是大家可能并不知道，他曾经被评为“世纪第一人”。

这是2000年时代杂志举办的一个评选，想选出上一个世纪，即整整100年里对人类做出了最大贡献、对人类影响最深远的一个人。

当然上个世纪有很多事情、很多人，比如发生过两次世界大战，也涌现出很多人物。

经过评选，我们一致认为，爱因斯坦可以成为当之无愧的世纪第一人。

爱因斯坦的奇迹年

他究竟做了什么事情呢？这就得从1905年说起。

那时的爱因斯坦其实不太得意，他的工作也没找好，在一个专利局里当小职员。平时有点小爱好，喜欢推物理公式，工作之余算一算东西。

1905年，他破天荒地发表了几篇文章，人们后来发现这几个工作非常经典，对我们非常重要。

其中有三个比较重要的工作，第一个是布朗运动。

他看着水里的一些花粉漂来漂去，由此推出水是由分子组成的，物质是由分子、原子组成的。

这是一个伟大的结论，一个对世界更深一层的认识。

第二个工作叫做光电效应，就是研究光的。

光照来照去，那么它到底是波还是粒子呢？

于是爱因斯坦就提出，光可以是粒子，也就是所谓的光量子。这个相对于当时的其他物理学家们，提前了很多年，并且有很清晰的量子物理图像。

第三个非常重要的成果，叫做狭义相对论。

这三个成果之中，第二个成果让爱因斯坦拿到了一个“小奖”，叫做诺贝尔物理学奖。

可是在这三个工作中，被大家认为最重要的，是狭义相对论。

狭义相对论究竟是一个什么样的理论？这就要从当时的历史情景讲起。

当时物理学界有一个权威人物叫牛顿，爱因斯坦可能是去听了一场报告，叫做“牛顿对了吗”。

当时牛顿有很多理论非常重要，但它们背后有一个非常深刻的假设，就是他的时空观。

时空是什么？

时：时间，连绵不绝。空：空间，无限扩展。

牛顿认为时间和空间是绝对的，而且是互不相干的，这跟我们所认为的时空非常类似，我们就生活在这样的一个时空里面，我们在时空里运动。

可是爱因斯坦认为当时的一个测光速的实验，就是一束光照向你，你朝着光束跑，和你跟着光束在同一个方向一起跑、逆着跑，测到的光速是一样的，总是测不出来差别。

如果是牛顿的时空观，朝着光速跑的时候，应该测到更大的光速，跟光速一起跑的时候，测到的光速会小一点。

可是不是实验告诉我们，它们是一样的？

正是基于这一点，爱因斯坦非常敏锐地意识到，光速是不变的，光速就是一个常数。

爱因斯坦提出这一点后，对牛顿的时空观产生了一个非常大的挑战，从而他提出了狭义相对论。

狭义相对论被爱因斯坦提出来后，它对了吗？

在物理学中，对与不对不是由权威说了算的。

物理学是一门实验科学，需要通过做实验，去研究它对还是不对，跟实验相符的就有可能对，跟实验不相符的肯定是错的。

举一个简单的例子，爱因斯坦的狭义相对论里有一个著名的推论，叫做质量能量转化关系，就是质量可以转化为能量。它的质量大的话，可能能量也大。

但这个东西到底对不对，是需要经过实验检验的。

实验检验有很多种，比如核弹的爆炸，其实就是利用了能量质量转化关系。

还有核能发电厂，也是利用了能量质量关系。这些关系现在都已经可以检验到，精度非常高。

所以狭义相对论相对于牛顿的绝对时空观来说，是一门更加先进的、正确的理论，它也在物理学界得到了非常好的评价。

德布罗意先生就评价狭义相对论像光彩夺目的火箭，在黑暗的夜空中，突然划出一道短促而又十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。

可是，爱因斯坦得到狭义相对论后并不满足，他又在想，狭义相对论挺好，可是是不是还有什么问题？

比如他发现他的狭义相对论跟牛顿的引力理论在数学上是不相符的，这是需要解释的。不相符，可能有一个错了，或者两个都是错的。

大家知道，牛顿的引力理论是非常深入人心的。比如苹果从树上往地上落，月亮绕着地球转，天与地的事情都归它管，它是一个管天和地的理论。

如果说它是错的，就需要有更加强的证据来说明这件事情。

爱因斯坦发现，狭义相对论与牛顿引力不相符，他想要解释这个矛盾，这件事情并不被十分看好。

当时有一个叫普朗克的人，他相当于一个前辈。

他碰到爱因斯坦时说：哎呀，爱因斯坦，你做的狭义相对论太好了，非常好，我每天可能都要用一用。可是现在一切都解释明白了，你为什么还在忙于另一个问题呢？

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十年磨一剑之广义相对论

另一个问题就是引力问题，爱因斯坦并没有因此感到沮丧，而是接着做这方面的研究，整整做了10年，从1905年做到1915年。

他终于把这个矛盾解决了，提出了一套广义相对论的引力理论。这套理论非常厉害，它把时空和物质非常完整地结合起来。

他认为有时空就应该有物质，有物质才会有时空。这是一套非常颠覆人类对时间和空间认识的理论。

对这套理论比较好的总结是：时空告诉物质怎么去运动。

在这张图中大家可以看到，因为这个小球是物质，它在动，导致时空弯曲，另外，时空告诉物质怎么去运动。这是一套关于时空与物质相互作用的引力理论。

给大家解释一个上世纪最深刻的思想，没有之一 ，叫做等效原理。

爱因斯坦是第一个把这个东西看得非常高的人，这个问题是这样的，爱因斯坦站在秤上想称称体重 ，他看到有一个体重数。

扔一个球，球会往下掉，因为有引力，放到火星上可能轻一点，但是也有引力。

有一个好事之徒做了一件事，他把爱因斯坦、秤和球同时往下扔。

爱因斯坦还是站在秤上，球还是在往下掉，但是爱因斯坦看这个球没有往下掉，因为他在和球一起往下掉，而且他看体重器没有体重，因为秤在和他一起往下掉。

这时，爱因斯坦、秤和球处于一个叫做惯性系的参考系。

相反，爱因斯坦站在地上称体重，是非惯性系，那么引力与非惯性系就被等价起来了。

这在数学上可以证明，就意味着时空是弯曲的。

当然 ，爱因斯坦后来想明白了这件事情，在他写传记时，把这件事情称为他一辈子中最美的时光，The happiest moment。

大家可以想一想，为什么这件事情如此震撼了爱因斯坦？

爱因斯坦在76岁过生日时，有人可能忘了准备礼物，就随手给爱因斯坦弄了一个东西。

可能是一个一次性纸杯，下面做一个回形针，然后拴一根有弹性的绳子，挂两个有重量的球。

这个东西很简单，反正放在桌子上，就像左边图的样子，但是这个时候它不是最自然的状态，绳子被拉伸了，它最自然的状态应该是往回缩，怎么往回缩呢？

把它往下一放，在这个下落的过程中，你可以看到，这根绳子很快就把球缩回去了，它又处于一个最自然的状态。

也就是说它受引力时，在一个非惯性系里，做自由落体时，在一个惯性系里。

这是一个非常深刻的思想，爱因斯坦当时也对这个礼物非常满意。

这个东西在科幻作品中也有体现，比如太空漫游，有人在舱板上跑步，可是这时不是应该失重吗？怎么能在舱板上跑步呢？

很简单，有一个环形的太空船把它转起来，转起来后就会有一个叫做离心力的力，它就是一个非惯性系，是所谓的人造引力，有了引力就可以跑步了。

杨振宁先生说过一句话：二十世纪物理学有三个大的贡献，其中两个半是爱因斯坦的。两个指的是狭义相对论和广义相对论，半个指的是光电效应。

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科学具有可证伪性

当然，有很多艺术学家也对时空弯曲有自己的解释，他们做出了非常漂亮的艺术作品。

可是，爱因斯坦的广义相对论不是一门非常简单的理论，刚才只是给大家讲了一个最核心的思想。这件事情可以从一位记者问爱丁顿爵士的问题中体现出来。

爱丁顿爵士是世界上第一个测量光线偏折的科学家。当时有一个记者问他：爱丁顿爵士，听说这个世界上只有三个人懂爱因斯坦的广义相对论。

爱丁顿一愣，除了我和爱因斯坦，谁是第三个呢？

从这件事中可以看到，广义相对论是非常难的。

还有一个很有意思的问题，就是费曼的故事。

费曼是美国著名的物理学家，也拿过诺贝尔物理学奖。

有一次，他去开一个相对论的会，到了会场，下了飞机以后忘记了地址。

他就找到一个出租车司机问：你有没有看到这样一群人，他们脑袋抬得高高的，对周围的事和人都不关心，嘴巴里总是说着gee-mu-nu,gee-mu-nu,...？

那个司机一听，马上把他送到了正确的地方。

gee-mu-nu是什么呢？

就是广义相对论中描述时空特征的量，这是一个非常有意思的团体。

科学具有可证伪性，爱因斯坦这回又对了吗？

比如在太阳系中，我们可以通过各种实验去检验爱因斯坦的各种理论。在太阳系中，引力非常弱，爱因斯坦的引力理论与牛顿引力理论相差只在百万分之一。

但我们的探测精度非常高，能够达到比这个精度更高的量级，所以能够去检验微小的偏离。在这个微小的偏离上，爱因斯坦的广义相对论完胜牛顿引力。

还有大家经常用的GPS全球定位系统，里面就有相对论效应。

如果不考虑狭义相对论效应，那么一天便会有两公里的偏差，如果不考虑广义相对论效应，一天就会有14公里的偏差。

那么爱因斯坦就对了吗？这么高的精度的检验就对了吗？他是不是什么地方都对了？

不一定。

我们又把眼睛望向了遥远的星空，我们要做更加极端一点的事情，比如我们要考察一个叫做中子星的东西。

中子星的质量比太阳要大一点，它的大小有海淀区这么大，非常小，所以它的密度非常高。

拿勺子装一勺中子星的物质，这个物质的重量就比全球人的重量加起来还要多，是非常致密的一类物体，引力场也非常强，所以是一个检验引力的非常好的地方。

比如它在空中会像灯塔一样转，会被我们观测到，每转一圈都会被观测到，这是一个非常可靠的稳定转动的钟。

我们的探测需要用专业级的大型望远镜去看。

这是建在中国贵州的中国天眼FAST望远镜，可以看到脉冲星，这是它的一个非常重要的科学研究目标。

脉冲星是一堆钟在时空中分布，这堆钟又可以通过这些大型的射电望远镜联系起来，形成所谓的脉冲星测时阵列，这样的阵列可以探测引力波。

爱因斯坦在1916年自己算出了引力波，过了几年他又反悔了，说没有引力波，他算错了。

爱因斯坦问，爱因斯坦对了吗？

过了几年，他又发现算对了。又问，爱因斯坦对了吗？

这是一种非常好的习惯，不仅是对权威有质疑，对自身也有质疑，这种习惯在科学中是非常重要的素质。

我们现在其实已经测到引力波了，我们在2015年9月14号测到了引力波，那时我也加入了他们的合作组，当时非常激动 ，我们用了非常长的时间去做这件事情。

这是测到引力波的望远镜，这是在美国的有两根臂长分别是4公里的引力波探测器。

这是人类所看到的第一例引力波事例，它非常微小需要非常精确的探测技术才能测到它。

其实我们第一例测到的引力波探测的事例是来自于黑洞的，黑洞是另外一个非常神奇的爱因斯坦的广义相对论预言的天体，它是时空非常扭曲的一种状态。

去年，事件视界望远镜拍到了黑洞的第一张照片，也是对爱因斯坦广义相对论的一次直接的检验。

我也是事件视界望远镜合作组的成员，非常有幸，我们在很高的精度上，不仅测到了双黑洞并合的事例，也测到了双中子星并合的状态。

这个并合状态过程对我们非常重要，因为它生成的一些元素，是地球和太阳系所不可或缺的元素。

爱因斯坦在1955年逝世了，当时他的遗嘱执行者念了一首诗来缅怀他。

他说：我们全都获益不浅，全世界都感谢他的教诲，专属于他个人的东西，早已传遍广大人群，他将像行将陨灭的彗星，光华四射，同他的光芒永相结合。

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留住孩子的好奇心

爱因斯坦就是这样一位世纪伟人。但是爱因斯坦如何评价他自己呢？

他很谦虚地说：我没有特殊的才赋，我只是非常好奇罢了。

他敢于挑战权威，有一颗充满好奇的心，这是我们现在，非常稀缺的一种品质。

那爱因斯坦对了吗？

爱因斯坦的理论到现在为止，在我们的检验上没有出现偏差或偏离，在现在的实验精度上，爱因斯坦是对的。

但我们的技术也在发展，可能什么时候他也会错，就像牛顿的万有引力一样，它在很小的范围内偏离爱因斯坦的理论，最后被爱因斯坦的理论所取代。

在理论上来说，爱因斯坦的广义相对论还存在一些问题。

比如它不能解释的黑洞奇点问题，以及它不能融入量子时空的问题，还有暗物质、暗能量，现在我们还不知道是什么。

所以我们这个时代也需要能够挑战权威、能够提出问题的人。提问是非常重要的，就像我们做研究的人，经常看到的一幅图。

这个白色的圈，表示人类的知识，我们做研究，是专门钻一个很小的点，使劲钻，最后能做出什么呢？

可能钻了一个非常小的点，但是这个点是人类全新的知识，它将永远被流传下去。

在这个过程中，好奇心非常重要，它驱使你能够做这件事情，这件非常不好做的事情，它是不容易做的事情的原初动力。

所以大家一定要好好地留住孩子们的好奇心。

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert.Einstein，1879年3月14日-1955年4月18日），出生于德国符腾堡王国乌尔姆市，毕业于苏黎世联邦理工学院，犹太裔物理学家，现代物理学的开创者、奠基人，被公认为是自伽利略、牛顿以来最伟大的科学家、物理学家。

爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。

1905年创立狭义相对论。

1915年创立广义相对论。

1999年12月被《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

在上世纪20年代，量子论初创之际，当时那些全世界最优秀、最顶级的物理学家们，都被一个问题所困扰：电子究竟是粒子还是波？

从更早，光是粒子还是波的思考和争论，在西方物理学界已经争吵了300年。双方就这个问题的看法，分成泾渭分明的两派，谁也无法说服谁。

经常一方刚刚提出一个论据足以完败对方，使得宇宙本质有了不容动摇的结论时，不用多久，另一方一定又会发现一个即使对手也无法质疑的新的观察和实验论据来推翻对方。

物理学家陷入深深地苦恼，原本可以准确的用物理定律去解释和把握的世界，忽然混沌起来，成了完全不可知的上帝掷出的骰子。

后来终于有个物理学家跳出非此即彼的思维束缚，用伟大的侦探福尔摩斯的那句“当排除一切不可能，剩下的就是可能。哪怕这个结论看起来再不可思议，也是唯一的真相”的逻辑得出了如下结论：既然电子不可能不是波，也不可能不是粒子，那么，真相就是光即是粒子，也是波！

虽然二者看起来是那么不可调和，但这就是电子的真相！

然后继续，电子在什么情况下呈现波的特性，什么情况下呈现粒子的特性，完全取决与观测的角度手段。

用波的观察方式，它就是波，用粒子的观测方式它就是粒子。

它表现为波或者粒子居然是因为我们的观察，智慧生物的主观意志决定宇宙特征。

那么，它的“本质”、“本原”到底是什么呢？

物理学家不得不泄气或者说开窍了的说：宇宙的真相并不重要，观察到的真相才重要！

你看到的、感受到的真相才对你有意义！

电子本身“客观本质”是粒子还是波没有意义，它表现出波的特征、或者表现出粒子的特征才有意义。

宇宙的真相就是没有真相！

世界不再由客观存在的我、和客观存在的外物构成，而是我和外物天人合一，我的意志和观测，决定世界是什么样子！

《上帝掷骰子吗》这本书说的是从波粒之争的历史到量子论产生的过程，看到这里，走完了这本书的三分之一。

到这里，时间是上世纪20年代！

在从20年代到今天的一百年里，对量子论的认识还会走下去，对宇宙真相的解释还会走下去。

人类不同的认识阶段，对宇宙真相的解释也会不同，人怎么解释宇宙，就代表了那个时代的宇宙真相是什么。

那么终极宇宙真相到底是什么呢？

提出这个问题本身就不是量子思维，人类怎么认识宇宙，宇宙真相就是什么。

宇宙的真相就是没有真相！

真相在于观察者的角度、方式、手段！

人们的认识变了，宇宙的真相也就变了；人类的观察技术进步了，宇宙的真相也就进化了！

真相不重要，观察到的才重要；我对宇宙的观察和理解，就是宇宙真相。

你就是宇宙的一部分，宇宙的一部分就是你；你就是宇宙，宇宙就是你！

物理成了哲学，哲学就是物理！

翻书到此，拿起手机来休息一下，冥冥之中的天人感应，手机朋友圈最新第一条，有人发了这么一段话：

多少岁不重要，

你看起来像多少岁才重要；

想要最好的生活，

就先让生活看到最好的你！

若在平时，这就是网络上万千鸡汤里的一碗，我根本不会留意。

但生活也许就是一种随机状态构成的，用量子论的说法叫量子概率，咱们中国人把这条让追求决定论和精确把握的物理学家抓瞎的物理定律称为：缘分！

是啊，生活中处处皆缘，你何时碰到一个物件、一本书，什么时候听到哪个故事，你为什么恰好坐这趟公交车，一个人何时碰到另一个人，为什么你和他成了朋友、做了夫妻，为什么偏偏是他或者她而不是他或者他，此生的夫妻、父子、兄弟是如何修来的……

正在看量子论的休息间当，恰好看到了这条鸡汤。

哪句话触动你，完全在于你当时的状态、感受、心境。

这段话诠释了量子论，还是量子论诠释了这段话。

你多少岁不重要，重要的是你看起来多少岁。

量子论说，宇宙本质是什么不重要，你观察到的宇宙才重要。

想要最好的生活，就先让生活看到最好的你。

量子论说，你如何观测宇宙，宇宙就给你呈现什么样的状态。

天才啊！这不就是对量子论、对生活最准确最精彩的诠释嘛？

量子论哲学一直在我们的生活中无处不在，你看它是鸡汤就是鸡汤，你心有所动所感，鸡汤也是生活宇宙的终极真理！

你怎么看待生活，生活就如何待你！

你实际多少岁不重要，你有多少岁的身体和心境，你就多少岁！

正如一开始物理学家们苦苦纠结，电子到底是波还是粒子，后来发现，你用什么手段观察，决定了电子是什么。

你用波的手段去观测，电子就给你呈现出波的特性，你用粒子的手段去检测，电子就呈现出粒子的特性！

这就叫波粒二像性。

它的波性和粒子性互为依存的构成统一体的它自己，但在特定的观察条件下，它又只呈现出或者波或者粒子的其中唯一的一面！

它向你呈现哪一面，不是取决于电子，而是取决于观察者用什么态度去观察！

如此这般，很多人一直在发问：生活是什么？生活是苦的还是甜的？生活由快乐组成还是由痛苦填充？

量子论，或说这段量子鸡汤告诉我们，生活或者人生的本质就是没有本质，他有甜的一面也有苦的一面，苦或者甜都是生活，但不能说生活就是苦、也不能说生活就是甜！

你如何观察生活、如何去生活，决定生活向你展开甜的一面或者苦的一面！

哲学和科学的完美统一，人跟生活的高度和谐，我跟宇宙万物的终极齐一！

如果你觉得人生是苦，不是源自“苦是生活的本质”，而是你没有好好的对待生活，或者说你观察的角度不对，去生活的态度出了问题。

如果你还陷在某种痛苦里，并时刻寻找和自我暗示人生本苦的哲学依据，正如那些科学家一开始陷在的电子是粒子或者是波的先入为主里，苦苦寻找支撑自己观点的论据。

如此越陷越深、以果推因，则永远只看到了宇宙的一面，永远不能把握生活的真谛！

如果你生活的很幸福，那是因为你用幸福的角度，去铺排了你的人生！

同理，人性“本性是善是恶”的哲学争吵，好像也被量子论终结了。善的一面或者恶的一面本就是波粒二像性，人性本质是善是恶不重要，你展现出善的一面或展现出恶的一面才重要。

人没有本质是什么，你的所作所为、你表现出来的善行或者恶行，才是“客观”的你！

如果抛开现实中的你或者“我”，询问人的本质到底是善是恶，正如纠结上帝视觉下的电子到底是波还是粒，没答案，没意义。

你以善待人，人则以善待你！

你快乐生活，则生活皆快乐！

人生一直没亏待我，是我亏待了自己的人生！

我的朋友圈大多是读者，基本都不认识，也没说过话，从她头像看，很文艺的一个女孩，是那种一眼就直觉绝对不会看过量子论的类型。

但是她用最平常的话语表达出了物理学家苦苦思索了几百年的量子论精髓，用最浅显的文字道出了一个最深刻的道理，用最简单的调料，熬制出了一碗最美味的鸡汤。

如果，你的思维正处在量子状态，那么一定会为这简单的几句话所触动，并为你的很多人生困惑找到了答案，也会明白怎么去获得快乐的生活。

或（比如我）用之检讨自己过往的人生：

多少岁不重要，

你看起来像多少岁才重要；

想要最好的生活，

就先让生活看到最好的你！

八百年的银杏大树，赏心悦目万古长青。