穿越时空的思想魅力 ——纪念爱因斯坦诞辰140周年

今年是爱因斯坦诞辰140周年，作为20世纪最杰出的科学家之一，他的思想魅力历经百年而不衰。

19世纪，经典物理学度过了辉煌时代，却在进入20世纪时遇到了危机。1900年，开尔文勋爵在德国物理学家迎接新世纪来临的年会上，用“两朵乌云”比喻当时最令科学界忧虑的两个危机：迈克尔逊实验与黑体辐射。正是从这两朵乌云中，诞生了现代物理学的基石——相对论与量子力学。两大基石的发展都离不开爱因斯坦的贡献，而广义相对论更是凭他一己之力创立，其蕴含的思维如此超前，以至于很长时间里都不能被理解或证实。

在相对论提出之前，物理世界以牛顿的理论为主，认为宇宙有绝对的时间空间，相对于绝对空间静止或者做匀速直线运动的参考系都是惯性系。爱因斯坦打破了绝对时空观，坚持了古人已经认识到且后来被伽利略重申的相对性原理，提出了重要的光速不变原理，推导出了洛伦兹变换，即相对论的核心公式。据此公式，他提出运动的尺会收缩，运动的钟会变慢，物体运动时的质量会比静止时增大等效应，以及著名的质能关系E=mc2 。这些构成了狭义相对论的重要内容。狭义相对论不仅指导着量子论、核物理和基本粒子的实际研究，而且可以应用到工业领域，比如加速器和核物理仪器的研制和生产。

但在这之后，爱因斯坦遇到了两个困难，一是无法再定义惯性系，二是与万有引力定律发生了矛盾。在这种情况下，他把原有的狭义相对论推进了一大步，构建了广义相对论。广义相对论理论不再强调惯性系的概念，同时认为物质存在会带来时空的弯曲。他重新定义了万有引力，将其解释为时空弯曲的几何效应。根据广义相对论，爱因斯坦预言了引力红移、时空在引力下弯曲和引力波等宇宙现象。这些现象前后得到证实，今年发布的首张黑洞照片也再一次令科学家们齐呼：“爱因斯坦又对了！”

万有引力定律发展到广义相对论是物理学的一场革命，深刻地改变了人们的时空观。我们可以用它来解释恒星的演化和宇宙的膨胀，进行黑洞和中子星等研究。但是广义相对论也并非宇宙的终极理论，爱因斯坦早在《狭义与广义相对论浅说》的最后就尝试提出统一场论，但直到目前为止，由于广义相对论与量子力学存在分歧，关于引力场量子化方面的所有尝试都不成功，宇宙中的四种基本力（分别为引力、电磁力、强核力、弱核力）始终无法被一个模型统一起来。现在流行的超弦和圈量子引力理论都试图把量子力学和广义相对论结合起来，但理论层面都存在缺陷，且很难用实验证明。

除此之外，宇宙加速膨胀现象也是一团未解的疑云。根据相对论原理，如果宇宙中只有物质，则只能减速膨胀。有科学家据此提出了暗物质和暗能量的理论，但尚不能给出清楚解释。

正如《物理学的进化》一书所言，“科学不是而且永远不会是一本写完了的书”，随着新篇章的书写，人们还将进一步刷新对宇宙的理解。