坦的一個失誤(愛因斯坦是個真正的人,也會犯錯誤),他們當時未能找出聯絡時空彎曲的曲率與蘊含於其中的能量質量的關係方程。
在柏林時,愛因斯坦繼續就這個問題進行工作,他沒有了家庭的煩擾【注3】,在很大程度上也未被戰爭所影響。1915年11月,愛因斯坦最終發現了聯絡時空彎曲與蘊含其中的能量質量的關係方程式。 1915年夏天,在訪問哥廷根大學期間,愛因斯坦曾與數學家戴維·希爾波特討論過他的這個思想,希爾波特早於愛因斯坦幾天也找到了同樣的方程式。儘管如此,正如希爾波特所承認的,這種新理論的榮譽應屬於愛因斯坦,而正是愛因斯坦將重力與彎曲時空聯絡起來。這還應感謝文明的德國,因為,是在那裡,在當時的戰爭期間,這樣的科學討論及交流仍能夠得以不受影響地進行,與20年後(指二戰,編者注)所發生的事形成多麼大的對比!
關於彎曲時空的新理論叫做“廣義相對論”,以區別與原初不包含重力的理論,而那個理論被改稱為“狹義相對論”。1919年,“廣義相對論”被以頗為壯觀的形式證明:當時的一隻英國科學考察隊遠征到西非,在日食期間觀察到天空中太陽附近一顆恆星位置的微小移動。正如愛因斯坦所預言的:恆星所發出的光線,在經過太陽附近時,由於太陽的引力而彎曲了。這是證明時空彎曲的一個直接證據,從公元前300年歐幾里得完成他的《原本》後,這是一個人類感知他們存在於宇宙的最大的革命性的更新。
愛因斯坦的“廣義相對論”將“時空”由被動的事件發生背景轉化為動態宇宙中的主動參與者,這導致了居於科學前沿的一個巨大困難,在20世紀結束之際仍未解決。宇宙充滿了物質,物質又導致時空彎曲而使得物體相互聚集。在用“廣義相對論”解釋靜態的宇宙時,愛因斯坦發現他的方程式是無解的,為變通他的方程式而適應靜態宇宙,愛因斯坦加入了一個稱為“宇宙常量”的項,這個“宇宙常量” 將時空再彎曲,以使所有的物體分離開,“宇宙”常量引入的排斥效果將平衡物體的相互吸引作用而允許宇宙的長久平衡。
事實上,這成了在理論物理歷史上人類喪失的最大機遇之一。如果愛因斯坦繼續在這一方向上工作下去而不是變通的引入“宇宙常量”,他可能能夠預言宇宙是在擴張還是在收縮。然而,直到20年代,當坐落在威爾遜山上的100英寸的天文望遠鏡觀察到離我們越遠的星系在以越快的速度遠離我們時,宇宙依時間而變化的可能性才被鄭重地加以考慮。換一句話說,宇宙正在擴充套件,任何兩個星系之間的距離正在隨著時間的推移而穩定地增加。愛因斯坦後來稱“宇宙常量”的提出是他一生中最嚴重的錯誤。
“廣義相對論”徹底改變了人們對宇宙的起源及歸宿的討論方向。靜止的宇宙可能會永久存在,或者說,在過去的某個時間,當這一靜止的宇宙產生時,它就已經是現在的形態了。從另一方面來說,如果現在星系們正在彼此遠離,它們在過去的時間裡應該是彼此之間更為接近的。在大約150億年前,它們甚至可能彼此接觸,相互重疊,而且它們的密度可能是無窮大。根據“廣義相對論”,宇宙大爆炸標誌著宇宙的起源,時間的開始。從這個意義上說,愛因斯坦不僅僅是過去 100年中最偉大的人物,他應該獲得人們更長久的尊重。
在黑洞中,空間與時間是如此的彎曲,以至於黑洞吸收了所有的光線,沒有一絲光線可以逃逸。“廣義相對論”因此預言時間應終止於黑洞中。但是,廣義相對論方程並不適用於時間的開始與終結這兩種極端情形。因而這一理論並不能揭示從大爆炸中究竟產生了什麼。一些人認為這是上帝萬能的一種象徵,上帝可以以他想要的方式來開創宇宙。
但是另一些人(包括我自己)認為宇宙的起源應該服從於一種任何時候都成立的普適原理。在朝這一方向的努力中,我們已取得了一些進展,但距完全理解宇宙的起源還相差甚遠。廣義相對論不能適用於大爆炸的原因在於,它與20世紀初另一偉大的概念性的突破——— 量子理論並不相容。量子理論的最初提出是在1900年,當時在柏林工作的麥克斯·普朗發現,從紅熱物體上發出的輻射可以解釋為光線是以有特定大小的能量單元發出的,普朗克把這種能量單元稱為量子。打一個比方,輻射像是一包包的白糖,在超級市場裡,並不是你想要多少的量都行,你只能買每袋一磅的包裝。1905年,愛因斯坦在他撰寫的一篇論文中,提到普朗克的量子假設可能可以解釋光電效應,即某些金屬在收到光照時會釋放電子