对于这个问题的答案有很多矛盾之处,而且使这个问题很难回答。但是,就跟所有的矛盾一样,最难的部分不是要回答问题,而是要构思一个问题。人类当中像牛顿和爱因斯坦之类的天才之处就在于:他们提出一些透明的、天真的问题,结果就产生了巨大的答案。诗人威廉·考柏称牛顿为“儿童一样的圣者”,就是因为他有这么一个特点,而这个描述最完美不过地提示出爱因斯坦在自己的脸上挂住的惊讶神情。他是否谈到过骑着一束光线旅行,或者在空间中陷落都无关紧要,关键在于爱因斯坦总是充满这种原则的漂亮和简朴的示范。我将从他的著作中抽出这样的一页来。我走到钟塔的底下,也将搭上他每天到瑞士专利局去上班时要搭的电车。
爱因斯坦少年时期曾考虑过的一个问题是:“如果我骑着一束光线旅行,世界看上去会是个什么样子的?”假定这辆电车正在远离时钟,它的轨道就在我们借以看到时钟指示的光束。那么,当然,时钟就会停顿下来。我,也就是电车,也就是在光束上旅行的一只箱子,将会固定在时间上。时间将停顿下来。
让我慢慢解释清楚吧。假定我离开的时候,身后的时钟指着“正午”。我现在以光速旅行,远离它186000英里,这应该花去我1秒钟的时间。但时钟上的时间在我看来仍然是“正午”,因为时钟需要的光束正如带我走的光束一样长。就我看到的时钟而言,就电车里面的宇宙而言,而且符合光的速度,我就是让自己与时间的离时钟,它的轨道就在我们借以看到时钟指示的光束。那么,当然,时钟就会停顿下来。我,也就是电车,也就是在光束上旅行的一只箱子,将会固定在时间上。时间将停顿下来。
让我慢慢解释清楚吧。假定我离开的时候,身后的时钟指着“正午”。我现在以光速旅行,远离它186000英里,这应该花去我1秒钟的时间。但时钟上的时间在我看来仍然是“正午”,因为时钟需要的光束正如带我走的光束一样长。就我看到的时钟而言,就电车里面的宇宙而言,而且符合光的速度,我就是让自己与时间的流逝断开了。
这是一个非同寻常的矛盾。我不会详细陈述其复杂性,也不会详细陈述爱因斯坦关心的其他问题。我只是集中在这一点上:如果我骑着光束前进,对我来说,时间会突然同停顿下来。而这一定就意味着,当我接近光速的时候(这是我准备在这辆电车里模拟的一种情形),那么,我就是一个人处在自己的时间与空间盒里,它与我周围正常的事物越来越远。
这样的矛盾使两件事情明朗起来。一个明显的;没有万有时间。但还有一个更微妙的事件:旅行者和居家的人会有极其不同的体验,对于我们每一个处在自己路径上的人来说也都是一样的。我在电车内的体验是前后一致的:我发现同样的法则,同样的时间、距离与速度、质量和力的关系,是别的每一位观察者都可以发现的。但是,我得到的实际的时间、距离及等等的值却不是街上的行人得到的一样的值。
这就是相对论的核心。但是,明显的问题在于:“嗯,什么东西把他的盒子与我的盒子放在一起?”光的通过:光是信息的载体,它使我们约束在一起。这也就是那项关键的实验使人们自1881年以来便困惑不己的原因:当我们交换信号的时候,我们就发现信息在我们之间总是以同样的节奏传递。我们总是得到同样的光速。然后,很自然地,时间和空间以及质量一定对我们每一个人都不一样,因为它们必须拿出同样的法则给在这里的我和在外面的别人,而且要前后一致,但是,光速的值必须是同样的。
光与其他的射线都是信号,它们从一个事件当中传播开来,就像波纹一样在宇宙里传动,没有任何办法使一个事件的消息以比它们更快的速度朝外面移动。光线,或者说无线电渡,或者说X射线,全都是新闻或消息最终的承载体,并形成一个信息的基础网络,它使物质宇宙联系在一起。哪怕我们希望发送出去的消息只是时问,也不能够以比承载它的光线或无线电波更快的速度使其从一个地方到达另一个地方。世界没有万有的时间,没有来自格林威治的、我们可以借以调节自己的手表的时间,否则,我们就只好使光速打上再也解不开的死结。
有了这样的两分法,就必须有某种东西要放弃了。对于一道光线的轨迹来说(跟子弹的轨迹一样),它在悠闲的旁观者与在运动中发射这枚子弹的人眼里是不一样的。对于旁观者来说,轨迹要长一些,因此,光线在其轨迹上所花的时间在他看来也会长一些,假如他要得到同样的光速值的话。
这是真的吗?是的。我们现在知道足够多的宇宙和原子过程,可以看出,在高速中它们的确是真实的。如果我真的是在以光速的一半的速度旅行,那么,我在爱因斯坦的电车上所花的手表上的3分半钟,将比在街道上行走的人长出半分钟。
我们将搭乘这辆电车加速到光速,看看外面会变成什么样子。相对效应是说,事物会改变外形。(还有颜色的变化,但它们不是相对性造成的。)楼房的顶部看来在朝里面或外面弯曲。建筑物看上去也会挤在一起。我是在进行横向旅行,因此,横向的距离看上去会短一些。但是,高度还是一样的。汽车和人都会以同样的形式变形:又瘦又高。我朝外面看上去是真实的东西,对于在外面朝里看的人来说也是真实的。观察者看到电车挤成一团:又瘦又高。很明显,这是与牛顿所描述的完全不同的世界图景。对牛顿来说,时间与空间形成一个绝对时空,在其中,世界的物质事件以不受干扰的秩序自行其是。他的宇宙是上帝看到的世界:对于每一个观察者来说都是一样的,不管这个观察者在什么地方,也不管他以什么方式旅行。对照而言,爱因斯坦的世界是一个人凭自己的眼睛看到的世界,在这个世界里,你看到的东西和我看到的东西都相对于你我的关系,也就是说,相对于我们的位置和速度。这种相对性不能够取消。我们不能够知道世界本身是个什么样子的,我们只能够比较它在我们每一个人的眼睛里看到的样子,就是通过交换信息的实际的过程得以了解。我在电车里,而你在自己的椅子里,我们不能够共享事件的长久和即时的景象——我们只能够彼此交流我们看到的东西。而交流却不是瞬时完成的;我们不能够从中取出所有信号最基本的时间间隔,而这个时间间隔是由光速设定的。
电车并没有达到光速。它停了下来,缓缓地停了下来,就在专利局的门口处。爱因斯坦下了车,做了一天的工作,晚上经常会在渡尔沃克咖啡屋停下来。在专利局的工作很繁重。说实话,大部分申请现在看起来都是相当愚蠢的。有一份申请是登记改进了的一种玩具枪,另一份申请是要登记交流电的控制开关,对此,爱因斯坦明确写道:“这份申请不正确,不准确,不清晰。”
在波尔沃克咖啡厅的晚上,他会与同事谈谈物理学。他会抽几根雪茄,喝一些咖啡。但是,他是一个爱自己思考问题的人。他喜欢直逼问题的核心,也就是说,“事实上,不是物理学家,而是人类到底如何彼此交流?我们彼此之间发出什么样的信号?我们如何得到知识?”这就是他所有的论文的症结所在,就是知识核心的展开,几乎是一瓣一瓣展开的。因此,1905年的伟大论文不仅仅是讲光线的,或者,也不仅仅是其标题所说的“论移动物体的电磁动力学”。这篇论文后来在同一年还有一篇后记,说能量和质量是相等的,也就是E=mc(2上标)。在我们看来,相对论的第一次陈述就包含了原子物理学的实用和摧毁性的预测,这是相当惊人的。对爱因斯坦来说,那只是全部世界的图纸当中的一个部分。跟牛顿和所有科学思想家一样,他从深层来说是一位—神论者,这来自于对自然过程本身的深刻理解,但是,尤其是来自于对人、知识与自然之间的相互关系的理解。物理学不是事件,而只是观察。相对论是对世界的理解。不是作为事件,而是作为相互关系的理解。
爱因斯坦带着愉快回顾那几年。此后许多年,他对我的朋友利奥·斯兹拉德说:“那是找一生最愉快的几年。没有人指望我会下几只金蛋来的。当然,他的确继续下了很多金蛋:量子效应、广义相对论、场论。这些理论都确认了爱因斯坦早年的工作,也是他预料中的收获。1915年他曾在广义相对论中预测,靠近太阳的引力场会使扫过的光线产生向内的弯曲,就跟空间的变形一样。皇家学会派往巴西和非洲西海岸的两支观测队于1919年5月29日的日蚀期间证实了这个预测。负责非洲观测队的人是亚瑟·爱丁顿,在他看来。他在那里拍摄下来的第一批观测照片总是保存在他的记忆里,是他一生最伟大的时刻。皇家学会的科学家们彼此奔走相告。爱丁顿用电报告诉了数学家利托伍德,利托伍德以快信告诉了伯特兰德·罗素:
亲爱的罗素:
爱因斯坦的学说得到了完全的确认。预测的位移为1″.72,观测到的位移为1″.75±.06。问好,J.E.L
相对性成为一项事实,在狭义和广义相对论中都是如此。E=mc2当然得到了适时的证实。就连关于时钟慢行的观点,最终也被突现出来。1905年,爱因斯坦就测试这个问题的理想实验写了一篇略带喜剧气氛的描述:
如果A处有两座同步的时钟,又假如其中一座沿着一个封闭的曲线进行速度为v的匀速运动,直到回到A处为止,且我们假定这个时间为t秒,那么,后来的钟在到达A的时候,比保持静止的那座钟而言将损失1/2t(v/c)2秒。我们可以从中得到结论:固定在地球赤道上的一座钟比固定在地球一极的同样的钟稍微慢一些。
爱因斯坦死于1955午,距离他发表1905年的了不起的论文整整50年。但是,到此时,人们已经可以测量十亿分之一秒的时间了。因此,有可能重新考虑这么一个奇怪的命题:“两个人在地球上,一个在北极,另一个在赤道上。在赤道上的人比处在北极的那个人运动的速度稍快些,因此,他的表会损失一部分时间。”这就是事情如何发生的道理。
这项实验是一位名叫H.J.哈依的年轻人在哈韦尔做的。他想像地球被压成了一个圆盘,因此,北极处在中心,而赤道就沿着边缘运动。他将一个放射性钟放在边缘上,另一口钟放在圆盘的中央,并使其转动。两口钟通过衰减的放射性原子数量,以统计方法测量时间。当然,处在哈依圆盘边缘上的钟记的时间比中央的时间更慢。这项实验在每一种旋转的圆盘上进行,在每一种可以转动的东西上面实验。此时,在每一种转动的唱盘上,中央比边缘老得更多,每转一圈都是如此。
爱因斯坦是一个世界体系的创造者,哲学的成分大过数学的成分。他的天才在于发现了能够让实际的体验产生新的意义的哲学思想。他不是像上帝一样看待自然,而是像一个寻路者一样看待自然,也就是说,他是在自然的种种现象的混乱里面的一个人,他相信它们当中有一种平常的可见的模式,如果我们以新鲜的眼光来看待的话。他在《我眼中的世界》中写道:
我们已经忘记记了,在经验的世界里,是什么特性使我们形成(科学之前的)概念的,我们在向我们自身表达经验的世界,而不用老式的概念性解释法的老花眼时遇到了相当大的困难。还有一个困难是,我们的语言被迫同与原始概念有着不可分离的联系的文字合并使用。这些就是我们努力描述前科学当中的空间概念基础性本质时摆在我们面前的困难。
因此,在他的一生中,爱因斯坦将光线与时间结合在一起,将时间与空间结合在一起,将能量与物质结合在一起,将物质与空间结合在一起,并将空间与引力结合在一起。在他的生命结束的时候,他仍然在努力工作,希望找到引力与电力及磁力之间的统一。这就是我记得他的原因,他在剑桥的评议员办公室里讲演,穿着一件旧毛衣,没有穿袜子,就拖着一双毛拖鞋在那里讲课。他告诉我们他希望在那里找到什么样的一种联系,他遇到的困难有哪些。
对毛衣、毛拖鞋、鞋带和袜子的厌恶,这些并不是装出来的。当人们看见他的时候,爱因斯坦似乎总想表达威廉·布莱克所说的那种信条:“可恶的鞋带,越松越好。”他对世俗的成功或受尊敬的地位或顺应时尚并没有多少兴趣,他大部分时间都不知道在他这样一个地位上的人应该做什么,说什么。他痛恨战争,残酷和虚伪,他最不喜欢教条,除非仇恨不是一个合适的词用以描述他感觉到的那种深恶痛绝。他认为仇恨本身就是一种教条。他拒绝当以色列的总统,因为(他解释说)他对人类的问题并不在行。这是一个谦虚的标准,只有其他的总统才有可能采纳,没有多少人能够经得住这个标准的考验。
在两个人的面前谈论人类的攀升简直就是不合适的行为,这就是牛顿和爱因斯坦,他们迈出的是神一样的步伐。在这两个人当中,牛顿是《旧约》中的神,而只有爱因斯坦才是《新约》中的人物。他充满了人性、悲悯与巨大的同情心。他对自然本身的看法就是人类在某种神一样的存在物面前的样子,而这就是他谈起自然来时总爱说的一句话。他很喜欢谈到上帝:“上帝并不是一个恶人。”最后,尼尔斯·玻尔有一天对他说:“不要再告诉上帝去做什么了。”但这是不公平的。爱因斯坦是一个有能力提出极其简单的问题的人。他的一生所显示的东西,还有他所做的工作,就是,当答案也很简单的时候,你会听到上帝也开始思考问题了。