相对论效应
（对外在世界的认知 之十三）
1945年8月，日本本岛的上空升起了两朵巨大的蘑菇云。两颗被美国B29型轰炸机空投下去的代号叫做小男孩和胖子的原子弹，分别造成了广岛和长崎两地24万和15万人的瞬间死亡，而这不过是一公斤铀235裂变后转换出来的巨大能量。几天后，日本天皇发表诏书，宣布无条件投降。至此，人类历史上最为惨烈的第二次世界大战宣告结束。
二战时美军将核武器在战场上的首次应用，可以说是对爱因斯坦E=mc2 这个世纪等式的实效验证。当一个质量很小的中子以光的速度轰击铀的原子核后，释放出来的能量是以297,000km/s的平方为系数的, 对这样的等式描述出来的联动结果，想一想真的会让人头大。追寻起来，这个事情的源头还是发生在此前四十年的1905年。那时，爱因斯坦在论证了光电效应，说明了原子和热力学的关系，并解释了光的常量概念之后，又发表了他的第四篇文章，《物体的惯性取决于它的能量内容吗》。看到这样的题目，很容易把内容想得很直白。对于我这种以前常在胡同里串的人来说，就觉得这文章说的是有关手里拿了块板砖的事情。我要是想举起板砖向别人拍过去，最好先掂量一下它的大小和重量，这样就能知道用多大的力气才能平地生风，达到一下子把人打懵的预想效果。不过，事情当然不是这么简单粗暴。爱因斯坦的意思是说，物体的质量是能量内容的衡量指标，在光速的撮合下，它们之间能够相互转换。因为，它们原本相亲相近，实际上是一回事。能量不过是个面具，是假象。能量就是质量一直等着想要成为的那个东西。为了说明这个理念，爱因斯坦写出了E=mc2 。
在不到一年的时间里，爱因斯坦发表了四篇重磅文章，这种令人眼花缭乱的锋芒毕现，令整个欧洲都为之震动。然而这也只能算是开始。十年后，爱因斯坦把这些理论归结为“狭义相对论”。狭义是说，上述理论的设计推导是建立在一个理想的环境场内的，在这里，重力或说引力还没有被考虑进去。接下来，爱因斯坦要把大家的思路扩展到外太空，去了解星际之间的往来之道。
1915年，爱因斯坦推出了广义相对论，在这里，引力被加了进去。在狭义相对论里，光速是一个钢性不变的标杆，用它来度量宇宙时，空间和时间都可以像橡胶那样变软弯曲。进而在广义相对论里，爱因斯坦在宇宙这片橡皮一样的平面上，又展示出引力带来的下陷漩涡，展示了引力波纹，并且通过对黎曼留下来的想法的梳理，爱因斯坦在把时间和空间的概念翻过来调过去地进行了观察分析，他认为这两样东西都有我们以前没有看到过的属性，像是结合在一个多面体上的两个层面。当然，即便如此，光速仍然是个常量。
按照广义相对论的解释，宇宙中的空间像是一个弹力橡胶蹦床，如果上面什么都没有，蹦床的表面是绷紧的，是平的。在这样的情况下，你把一个保龄球放上去，蹦床的表面就会出现下陷。这时候你蹲下去从反面看蹦床，就会看到一个反抛物线那样严格对称的曲线，像是隧道一样的下陷袋，这是重球把富有弹力的床面拉抻的结果。再回到床面，我们可以拿出一个斯诺克桌球，用手指把桌球从边缘弹向中间，小桌球就会顺着坡度滚向保龄球拉拽出来的下陷袋，这就是重力造成的时空扭曲。在广义相对论中，质量告诉空间如课弯曲，空间告诉质量如何运动。质量用来扭弯空间所使用的工具是引力；空间用来让质量运动的指令也是引力。所以，引力是语言，是命令式语言，在空间和质量之间的交流中，是空间曲率不得不服从的指令，而这种语言的语法格式，则是黎曼和高斯在他们给出的数学定义中所描述的。而这种数学的描述，以爱因斯坦的观点，尽管是与经验无关的大脑思维的产物，但还是那么令人欣慰地适合现实的客观。
在刚开始的时候，爱因斯坦知道自己的理论未必就是无懈可击，但他确认那些都是革命性的。他像黎曼那样是从最基本的公理和假设中寻找瑕疵毛病，寻找那些一直在蒙骗我们的前人留下来的想当然的前提定论，他认为，假设不应该是概念上的必须；几何就是反应现实的，非欧几何就应该是在反映时间和空间的宇宙真实。于是，爱因斯坦找到了前人的毛病，推翻了定理。他推翻了人们对时间的假设，还推翻了牛顿的定理。牛顿曾以他的数学和引力学公式，推导了当时所知的几大行星绕太阳旋转所需的时间，尽管不是严丝合缝，但还是非常非常接近真实的情况。19世纪中的时候,一个法国人按照牛顿的理论，发现了天王星，并且预言在这个星球之外，应该还有一颗行星在那里围着太阳转。果然，不久以后，有德国人发现了海王星。不过，事情应该还不算完，按照牛顿的公式计算，还应该有一颗另外的星星会跑出来。但是到了1900年，这颗星星还是没有出现，而这时人们发现最接近太阳的水星轨道偏差比以前推算的要大得多，达到了42秒／年的水平。爱因斯坦花费了许多功夫，试图找出这种误差的数学解释。最终，他得到了一个包含四十多个变量的方程，一个基于他的相对论橡胶理论的方程,一个来自于非欧几何的方程，其结果与水星公转的42秒误差完全吻合，一个抽象的数学函数与宇宙的现实终归一致。
1907年，爱因斯坦预言，光线在经过太阳的附近时，会发生偏移。他的意思是说，光会被强大的引力拉弯。这个想法同样可以用前面的那个橡胶面的空间来解释。在那个由保龄球带来的V型凹陷曲面上，我们从边缘弹动一只小球，让它快速地直线前行，滚过下陷区的边缘而又不坠落人隧洞中，这时小球在曲面上留下的轨迹就是弯曲的。如果爱因斯坦这次又是对的，那么我们人类从远古就开始仰望的天空，一直就是错位的，我们看到的星星，就都是偏移了的。可是，在宇宙现实中这可能吗？重力只是对质量大的物体才起作用，抓不住碰不到的光有质量吗？但是，这个预言是可以观测验证的，所需要的只是一次完美的日蚀。1919年5月，南半球的上空发生了一次完美的日全食，英国剑桥的爱丁顿爵士，带队在非洲观察拍摄到了光线在太阳附近的弯曲，从此，爱丁顿也就自认为是第二个懂得相对论的地球人了。
根据相对论的数学推导，爱因斯坦把引力等同于加速度，并由此引申出了所谓的“引力红移”理论。在上一篇里，我们已经知道速度会使时间变慢，越接近光速，时间就会显得越慢。既然引力和速度密切相关，那么引力也会放慢时间。这也是可验证的吗？应该可以吧。古时没有钟表，最简单的计时方法就是静下心来数自己的脉搏。伽利略就是用这个办法计算摆锤的频率的，所以，振动的数量代表了时间。光也有振动的频率，非常精准，也是一种钟表，代表着时间。当引力很大时，光线被拉弯，虽然光速还是保持不变，但是光的振动频率被减缓了，也就是说重力强的地方时间被放慢了。比如，绿色光的频率是每秒540千亿次，而红光的频率要慢一些，是每秒440千亿次。如果引力能够减慢时间，就会使光线变红。这个预言提出后半个世纪里没人能够做出验证，直到上世纪六十年代，两个哈佛的物理学家检测到了，在重力变化时伽马射线频率的相应变化，由此“引力红移”理论得以证实。
在过去的一百年里，不单是爱因斯坦提出的预言假设理论公式不断地被验证（像前不久还有的引力波报告），而且很多通过相对论建立派生出来的别的理论，也是不断地得到证实推广，这其中有黑洞理论多影现象等。在1999年12月31号出版的《时代》周刊上，爱因斯坦被命名为二十世纪第一人。这实在是因为在那段时期里，没有其他人的思想和理论，能够像爱因斯坦的那样，如此深刻和广泛地改变了人类对外在世界的认知。
