爱因斯坦预言性的遗产

大多数传记作家几乎毫无例外地忽略了爱因斯坦生命中最后的30年，认为这段时期对于他这位天才有些不太相配，是他个人闪亮历史的一个污点。然而，最近几十年来的科学发展使我们得以对爱因斯坦的遗产有了全新的认识。由于他的研究工作极其基础，改变了人类知识的根本，他的影响持续传播到物理学领域之外。爱因斯坦种下的种子，到了21世纪开始开花结果，这主要是因为现在我们有了更先进的仪器，诸如太空望远镜、X线天文台、激光等。这些仪器更加强大，也更加精确，使我们能够验证他几十年前所作的预言。

事实上，爱因斯坦原本吃饭时掉在盘子里的面包渣，后来的科学家捡起来都能获诺贝尔奖。另外，随着超弦理论的兴起，爱因斯坦将所有的力统一起来的概念，虽然曾一度遭到嘲讽和贬低，现在又成了理论物理学研究的中心问题。本章将谈到三个领域内的新进展。在这三个领域中，爱因斯坦的遗产继续主宰着物理学世界：量子理论、广义相对论和宇宙论，以及统一场论。

1924年，爱因斯坦刚写出关于玻色爱因斯坦凝聚的论文时，他还不相信这种奇异的现象能很快被人们所见识到。因为必须将物体冷却到接近绝对零度，让所有的量子态都坍缩为一个超级原子，才能实现。

1995年，美国标准技术研究院（National Institu‐te of Standards and Technology）的埃里克.A.康奈尔（Eric A.Cornell）和科罗拉多大学的卡尔.E.魏曼（Carl E.Weiman）做到了这一点，把2000个铷原子冷却到了绝对零度以上1度，实现了玻色爱因斯坦凝聚。另外，麻省理工学院的沃尔夫冈·凯特纳（Wolfgang Ketterle）也用钠原子独立制造出了玻色爱因斯坦凝聚，并且进行了重要的实验，比如证明了这些原子显示出和一组同位原子（coordinated）同样的干涉图样。换言之，它们的行为，正如爱因斯坦70年前所预计的那样，像一个超级原子。

自从第一次发现宣布以来，在这一发展迅速的领域中，新发现产生的速度也加快了。1997年，凯特纳和麻省理工学院的同事利用玻色爱因斯坦凝聚创造了第一个“原子激光”。激光的独特性质，是因为其光子行动一致，而普通的光束中光子是混乱不协调的。由于物质也具有波动性质，物理学家推测一束原子也可以变成“激光”，但是由于没有玻色爱因斯坦凝聚阻碍了这一方向的进展。这些物理学家通过首先对一批原子降温，使其凝聚，最终达到了这一点。然后他们用一束激光照射凝聚的原子，将它们转为协调的一束。

2001年，康奈尔、魏曼和凯特纳获得了诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖委员会的授奖辞中说：“因其对碱原子的渗冷气体实现了玻色爱因斯坦凝聚；以及其早期对凝聚的属性的基础性研究。”人们才刚刚开始认识到玻色爱因斯坦凝聚的具体应用。将来，在纳米技术中，这种原子激光会证明自己的价值。可以用它们来操纵单独的原子，制造出原子薄膜，用作未来电脑的半导体元件。

除了原子激光，一些物理学家预计量子计算机（以单个的原子为单位进行计算的计算机）可以以玻色爱因斯坦凝聚为基础发明制造出来，并最终取代硅芯片组成的电脑。另外一些人则认为暗物质是由玻色爱因斯坦凝聚构成的。果真如此，那么这种不为人知的物质会是构成宇宙的主体。

爱因斯坦的贡献还迫使量子物理学家重新审视他们对于哥本哈根学派对量子理论的阐释所持的信念。20世纪30年代和40年代，量子物理学家在爱因斯坦背后窃窃私语，人们很容易忽略这位物理学巨人，因为当时在量子物理学领域，几乎每天都有重大发现。当物理学家们如摘苹果一般摘取诺贝尔奖的时候，谁还有时间考虑量子理论的基础呢？现在，人们可以测量上百种金属、半导体、液体、晶体以及其他材料的属性，每一种都能创造出全新的产业。没有时间等待。其结果是，几十年来，物理学家都习惯了哥本哈根学派的说法，把深层的未曾解决的哲学问题掩藏了起来。玻尔和爱因斯坦的争论被遗忘了。不过，现在许多“简单”的物质的问题都解决了，而爱因斯坦提出的更难的问题却一直未曾解决。其中特别要指出，全球有许多国际会议专门探讨第7章提出的猫的问题。现在实验已经能操纵单个的原子，猫的生死问题也就不再是单纯的理论上的探讨。事实上，决定了世界上财富的一大部分的计算机技术的最终命运，有可能取决于这一问题的解决。这是因为未来的计算机所使用的晶体管，有可能是单个原子制造的。

在所有的解答中，哥本哈根学派对猫的生死问题的解答最不令人满意，虽然对于玻尔最初的阐释并没有实验上的证据否定它。哥本哈根学派假定在常识以及由树木、山川以及人组成的宏观世界，和神秘的、非直觉所能探知的量子和波构成的微观世界之间，有一面墙。在微观世界中，亚原子处于底部状态，介于存在和不存在之间。可是，我们生活在墙的另一边，在这里所有的波动都坍缩了，因此我们的宏观宇宙看起来是确定的，经过明确定义的。换言之，有一堵墙将观察者和被观察物分隔开了。

有些物理学家，比如诺贝尔奖获得者尤金·魏格纳，走得更远。他强调，观察的关键因素是意识。只有有意识的观察者才能作出观察，并确定猫的现实状态。但是谁在观察观察者？观察者必须有另一个观察者（叫做“魏格纳的朋友”）来确定观察者是活的。但这暗示，必须有一连串无穷的观察者，每个人都观察另外的人，每个人确定前一个观察者是活的才行。对魏格纳而言，这意味着也许存在宇宙的意识，这样才能决定宇宙的本质！他曾说：“对外部世界的研究导致了这一结论，即意识的内容是最终的现实。” [1]有人辩称，这就证明了上帝的存在，或某种形式的宇宙意识，或是宇宙本身就是有点意识的。普朗克曾说过：“科学无法解决大自然最终极的奥秘。这是因为在最后的分析中，我们自己就是所要解决的奥秘的一部分。” [2]

几十年来，也有人提出过其他的解释。1957年，当时还是物理学家约翰·惠勒的研究生的修·埃弗雷特（Hugh Everett），提出了猫的生死问题的最激进的解释：“多宇宙”理论。他说所有可能的宇宙是同时存在的。猫确实可能同时既是生又是死，因为宇宙本身分裂成了两个宇宙。这一想法所蕴含的信息令人很不安，因为这意味着对于每一个量子事件，宇宙都会分叉，分裂出无限多个量子宇宙。惠勒本来对自己学生的想法非常积极，后来也抛弃了它，认为这个理论携带了太多的“形而上学的包袱”。例如，假设一束宇宙线射入了温斯顿·丘吉尔母亲的子宫，引起了流产。这样一来，这一量子事件就将我们和在其中丘吉尔从未诞生、从未鼓舞英国人反抗阿道夫·希特勒的军队的宇宙分隔开了。在那个平行的宇宙中，纳粹赢得了第二次世界大战，奴役了地球上大部分的国家。或者，我们可以想象量子事件引起了一阵太阳风，把6500万年前的一颗彗星或小行星吹离了轨道，使它未能撞在墨西哥的尤卡坦半岛上，未曾灭绝恐龙。在那个平行宇宙中，人类从未产生，而我现在所住的曼哈顿，到处是恐龙。

想到所有可能存在的平行宇宙，简直让人脑袋发狂。几十年来，经过对多种量子理论的解释的毫无结果的争论之后，在1965年，约翰·贝尔分析认为有一个实验将最终决定爱因斯坦对量子理论的批评是否成立。贝尔是设在瑞士日内瓦的欧洲原子核研究委员会原子能实验室的一位物理学家。这将是严酷的考验。 [3]他倾向于爱因斯坦几十年前提出的深刻的哲学问题，并提出了一个定理将会最终解决这个问题。（贝尔的定理是基于对以前的EPR实验进行重新检验，并分析作反方向运动的两个粒子的相互关系上作出的。）第一个令人信服的实验是1983年阿莱恩·阿斯派克特（Alain Aspect）在巴黎大学做成的，其结果证实了量子力学的观点。爱因斯坦对量子理论的批评是错误的。

但是，如果现在可以抛开爱因斯坦对量子理论的批评的话，那么到底哪种量子力学学派是正确的呢？大多数物理学家现在认为哥本哈根学派非常的不完善。现在，我们已经能够操控单个的原子，玻尔所说的将我们和微观世界分隔开了的观点似乎不成立了。“扫描隧道显微镜”事实上已经能够安排单个的原子，拼写出“IBM”的字样，并制造出可用的原子算盘。另外，“纳米技术”这一全新的技术领域也建立在对原子进行操控的基础上。现在，已经能够对单个的原子进行操作，做薛定谔猫之生死实验。

尽管如此，至今为止，仍然没有令所有物理学家都满意的对猫的生死问题的解答。自从索尔未会议上玻尔和爱因斯坦发生冲撞以后几乎都80年了，一些顶级的物理学家，包括多位诺贝尔奖获得者，一致想到了用“脱散”（decoherence）问题来解决猫的生死问题。脱散理论的提出，在于猫的波函数非常复杂，因为它包括10 25个原子的顺序问题，这实在是一个天文数字。因此，活猫和死猫的波函数的干涉非常严重。这意味着这两种波函数会同时在同一空间共存，但却永远不会相互影响。这两个波函数相互“脱散”了，无法再感知对方的存在。在脱散论的其中一个版本中，波函数永远不会“坍缩”，玻尔持此种观点。它们仅仅分离，而且绝不再相互作用。

诺贝尔奖获得者史蒂文·温伯格（Steven Wein‐berg）将这比作听收音机。转动旋钮，我们可以连续调谐到许多电台。每个频率都是和其他频率“脱散”的，因此两个电台之间不存在干涉。我们的房间同时充斥了来自所有电台的电波，每一个都形成了完整的信息世界，但是它们并不相互作用。我们的收音机，在某个时间只调谐到其中的一个电台。

脱散理论听起来很诱人，因为它意味着可以用普通的波动理论来解决猫的问题，而无需动用波函数的“坍缩”。在这个图景中，波函数永不坍缩。不过，这一理论的逻辑结果却令人不安。在最终的分析中，脱散理论也蕴含着“多宇宙”的阐释。我们得到的不是相互不发生作用的电台，而是不相互作用的多个宇宙。这似乎很怪异，但这的确意味着当大家坐在屋里读我这本书的时候，还存在另外的平行世界的波函数，在那里，纳粹可能赢得了第二次世界大战，人们可能说着奇怪的语言，恐龙可能正在你的起居室里打架，外星人在地球上游荡，甚至连地球都不曾存在。我们的“收音机”只调谐到了我们生存的熟悉的世界，但是在这间屋子里，还有其他的“电台”，在那里有怪异的世界和我们的共存。我们无法和这些恐龙、怪兽、外星人相互作用，因为我们生存在不同的频率中，和它们是脱散的。诺贝尔奖获得者理查德·费曼曾说：“我敢说没有人理解量子力学。” [4]

爱因斯坦对量子理论的批评加速了该理论的发展，但是却未能针对其佯谬提出令人满意的解释。他的理论在其他领域却被证明是正确的，其中最引人注目的就是广义相对论领域。在这个原子钟、激光、超级计算机的时代，科学家已经能够对广义相对论作出极为精确的测试。这些实验爱因斯坦当年只有做梦才能实现。例如，1959年，哈佛大学的罗伯特.V.庞德（Robert V.Pound）和G.A.莱布卡（G.A.Rebka）最终在实验室里证实了爱因斯坦提出的引力红移，即，在不同的引力场，钟表走动的速率不同。他们用放射性钴，从哈佛大学莱曼实验室的地下室发射到22.5米高的楼顶。他们使用极其精确的测量设备（其中应用了Mossbauer效应），证明光子在运行到楼顶的时候损失了能量（因此频率降低）。1977年，天文学家耶西·格林斯特恩（Jesse Greenstein）和同事分析了多个白矮星的时间速率。如其所愿，他们证明时间在大引力场中会减慢。

日食实验也以极高的精确度多次重做。1970年，天文学家确定了两个非常遥远的类星体3C 279和3C 273的位置。发自这两个类星体的光如爱因斯坦的理论预言的那样发生了弯曲。

原子钟的出现更是大大提高了实验的精度。1971年，人们将原子钟放在喷气飞机上，分别从美国西海岸飞到东海岸，和从东海岸飞到西海岸。这两座原子钟随后拿来和华盛顿海军天文台的原子钟进行了对比。通过分析在飞行速度不同（高度一定）的飞机上的原子钟的时间，科学家也能够证明狭义相对论成立。然后，通过分析以同样速度，但在不同高度飞行的飞机上的原子钟，就可以证实广义相对论的预言。两种情况都证明了爱因斯坦预言的正确，误差在实验允许范围内。

太空卫星的发射更是大大改变了验证广义相对论的方式。欧洲航天局1989年发射的喜帕恰斯（Hipp‐arcos）卫星花了四年的时间计算太阳对星光的弯曲，甚至包括亮度比北斗七星低1500倍的星星。在太空深处，无需等待日食，随时都能做这种实验。他们发现星光毫无例外地按照爱因斯坦的预言发生弯曲。事实上，他们发现，在以太阳为中心的整个天空中，距离太阳直到天空半径一半的行星的光都能被它弯曲。

到了21世纪，人们准备做一系列高精度实验，来验证广义相对论的精确性，其中包括更多关于双星的实验，甚至月球反射激光的实验。但是最令人兴奋的精确性实验有可能来自引力波实验。爱因斯坦于1916年预言了引力波的存在。不过，他毕生未曾有机会看到这种难以捉摸的现象存在的证据。20世纪早期的实验设备太原始了。不过到了1993年，诺贝尔奖授予了两位物理学家，他们分别是罗素·赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Tay‐lor），原因是他们通过分析相互运行的双星间接证明了引力波的存在。

他们分析的是PSR 1913+16，这是一颗中子星双星，离地球16000光年。这两颗中子星每70小时45分围绕对方运行一圈，并发射出大量的引力波。我们可以假设用两把勺子搅拌一碗蜜糖，两把勺子各自围绕另一个转动。随着每把勺子在蜜糖里转动，都会留下一条痕迹。如果我们把蜜糖替换为时空结构，勺子替换为死亡的恒星，我们会看到这两者在太空中相互追逐，释放出引力波。由于引力波带有能量，这两颗星最终会耗尽能量，缠绕在一起。通过分析这一双星系统的信号，我们可以计算出双星运转中的精确消耗。正如爱因斯坦的广义相对论所预计的，这两颗星每转一圈就靠近一毫米。一年后，两颗星之间的距离缩小了一米。它们的轨道直径是70万千米。这数字正好可以用爱因斯坦的方程算出来。事实上，这两颗星会因为损失引力波，在2亿4千万年后坍缩到一起。这一精确实验可以看作是对爱因斯坦广义相对论的精确性的考验。所获得的数字极为精确，我们可以得出结论说广义相对论的精确度为99.7%（很好地控制在实验允许的误差范围内）。

更晚近一些，有更多的人进行了一系列具有深远意义的实验，来直接观察引力波。激光干涉引力波天文台（LIGO）项目有可能很快第一个观测到引力波，它们很可能来自外太空相撞的黑洞。LIGO使物理学家梦想成真。它是第一个能够测量捕捉到引力波的装置。LIGO包括设在美国的三个激光设施[两个在华盛顿的汉福德（Handord），一个在路易斯安那的利文斯敦（Livingston）]。这是国际协作研究的一部分，其中还包括设在意大利比萨的法国和意大利的探测器VIRGO，设在日本东京郊外的TAMA，以及德国汉诺威的英德探测器GEO600。合在一起，LIGO最终的建造费用将达到2.92亿美元（外加8000万美元用于试运行和升级）。这使得它成了美国国家科学基金会资助的最昂贵的研究项目。

LIGO所使用的激光设备和19、20世纪之交迈克耳孙莫雷用来探测以太风的设备很相似，只不过这个设备用激光代替了普通光束。一个激光束被分为两束，垂直相交。碰到一面镜子后，这两束激光重新合二为一。假如引力波碰到了干涉计，激光光束的路径长度会出现扰动，显示为两束激光的干涉图样。为了确认碰到仪器上的信号不是假信号，激光探测器应该设置在全球多个地区。只有体积超过地球的天体发出的大型引力波才会同时激发所有的探测器。

最终，欧洲航天局和美国国家宇航局（NASA）还要将一系列这样的激光探测器部署到外太空。到2010年，NASA将发射三颗卫星，这种卫星叫做LISA（激光干涉太空天线）。它们将以和地球一样的距离绕太阳运转。这三个激光探测器将在外太空形成一个等边三角形（每个边长为480万千米）。该系统将极其敏锐精确，能够测量出十万万万亿分之一的振动（对应一个单一原子的百分之一宽度的变换）。这样科学家就能探测到大爆炸本身所产生的最初的振动。一切顺利的话，LISA将能够瞥见大爆炸后第一个一百万兆分之一秒内发生的事。它将是探索宇宙创生的最强大的工具。这非常关键。因为人们相信，LISA有可能发现揭示九九归一的大一统理论——统一场论——的本性的第一个实验数据。

爱因斯坦提出的另一重要工具是引力透镜。1936年，他证明附近的星系可以作为巨大的透镜，聚焦来自遥远星系的光。爱因斯坦提出的这种透镜几十年后才被人们观测到。第一个突破是1979年作出的，当时天文学家观测Q0957+561，发现空间弯曲了，形成了一个透镜，将光会聚了起来。

1988年，从MG1131+0456这个射电源观测到了第一个爱因斯坦环。自那以来，人们已经观测到了大约20来个爱因斯坦环，多数是片断性的。1997年，哈勃太空望远镜和英国的MERLIN（Multi‐Ele‐ment Radio Linked Interferometer Network）射电望远镜阵列观测到了第一个完整的爱因斯坦环。通过分析遥远的1938+666星系，它们发现该星系环绕着这样的环。曼彻斯特大学的伊恩·布朗（Ian Brown）博士说：“起初，它看上去像是人为的，我们以为那是图像处理上的偏差，可马上我们就意识到自己看到的是个爱因斯坦环！” [5]英国的天文学家对这一发现感到欢欣鼓舞，宣称：“这是个牛眼！” [6]这个环很小，它只有一秒的弧度，相当于从3.2千米外看一便士的硬币的感觉。不过，这却证明了爱因斯坦几十年前的预言。

广义相对论所激发的最重大的进展是在宇宙学领域。1965年罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）和阿恩·宾齐亚斯（Arno Penzias）这两位物理学家使用新泽西的贝尔实验室的射电望远镜发现了外层空间的微弱的微波辐射。这两位物理学家当时尚不了解盖莫夫和他的学生在这方面所作的开创性的研究，偶然间捕获到了宇宙大爆炸所遗留的宇宙辐射，却未意识到。（传说，他们以为这是射电望远镜上的鸟粪所造成的干扰。后来，普林斯顿的物理学家R.H.迪克（R.H.Dicke）正确辨认出了这种辐射就是盖莫夫所提出的微波背景辐射。）宾齐亚斯和威尔逊因为这一开创性研究获得了诺贝尔奖。从那时起，1989年发射的COBE（Cosmic Background Explorer，意为“宇宙背景探索者”）卫星，已经给我们带来了关于这种微波背景辐射最为详尽的图片，拍摄得非常细腻。加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家乔治·史穆特（George Smoot）领导的研究小组仔细分析了这一细腻背景上微小的波纹，制作出了宇宙年龄在400000年时的背景辐射照片。媒体错误地将此图片称作“上帝的面孔”。（实际上，这张照片不是上帝的面孔，而是大爆炸后宇宙婴儿期的照片。）

这张照片中最有趣的是上面细微的皱纹，可能是大爆炸中微小的量子波动。根据不确定性原理，大爆炸不可能是完美的万事顺遂的爆炸，因为量子效应肯定会造成某种规模的波动。而这正是伯克利的研究小组所发现的。（事实上，假如他们没有发现这些波纹，那倒会成了不确定性原理的重大挫折。）这些波纹不仅表明不确定性原理适应宇宙诞生时的情况，而且为科学家提供了一种也许可以接受的有关我们“粗糙的宇宙”的创生的机制。当我们向四周看去，会发现星系成群出现，因此使得宇宙的纹理显得很粗糙。这种粗糙可以很容易地解释为大爆炸所产生的波纹，随着宇宙的膨胀被拉伸了。因此，当我们观察宇宙中的星系时，可能正是在看最初的大爆炸由于不确定性原理所遗留下来的波纹。

不过，对爱因斯坦的研究最引人注目的重新发现是“暗能量”。如我们先前所看到的，在1917年，他引入了宇宙常数（亦即真空的能量）的概念，这是为了避免得出宇宙膨胀的结论。（我们回顾一下，广义协变只允许两项，即里奇张量和时空总量，因此宇宙常数不能轻易放弃。）后来，埃德温·哈勃向他表明，宇宙事实上正在膨胀。爱因斯坦随即把宇宙常数称作自己最大的失误。不过，2000年的发现却揭示出爱因斯坦有可能真是对的：不仅存在宇宙常数，而且组成整个宇宙的最大比例的物质/能量有可能是暗能量。通过分析遥远星系中的超新星，天文学家已经能够计算出几十亿年来宇宙膨胀的速率。令人惊奇的是，他们发现宇宙的膨胀不是在减速，而是在加速。我们的宇宙处于失控的状态，最终将无限制地膨胀下去。这样一来，我们现在就能预言我们的宇宙会如何消亡。

起先，一些宇宙学家相信宇宙中会有足够的物质，扭转膨胀过程，宇宙最终会开始收缩，人们会在外太空看到蓝移。[物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）甚至认为随着宇宙收缩，时间会逆转，历史会像快倒录像那样重复。这意味着人会越活越年轻，跳回母亲的子宫；或是从游泳池里飞到跳台顶上；煎蛋会跳回蛋壳中，重新变成完好的鸡蛋。不过霍金后来又承认自己搞错了。]宇宙会最终发生“内爆”，随着“大收缩”产生巨大的热量。还有一些人预计宇宙会出现另一次大爆炸，由此产生振荡的宇宙。

不过，这些预计现在都已经被实验结果否定了，因为宇宙看来是处于加速膨胀过程中。符合观测数据的最简单的解释看来是应该假设宇宙中存在大量的暗能量，起到一种反引力的作用，将星系推开。宇宙膨胀得越大，其中的真空能量就越多，这就会转过来将星系推开得更远，使宇宙膨胀加速。

这似乎是符合“暴胀宇宙（inflationary universe）”的某个理论。该理论首先是由麻省理工学院的物理学家艾伦·古斯（Alan Guth）提出的，这对弗里德曼和勒梅特最初的大爆炸理论进行了修正。暴胀理论所揭示的图景中，膨胀有两个阶段。第一阶段非常快，呈指数级增长。宇宙常数很大。最终，这种指数级的膨胀结束了，膨胀速度降低到弗里德曼和勒梅特所观测到的正常水平。假如这种观点是正确的，那么它意味着我们周围可见的宇宙，只不过是更广大的时空的一小部分。近期的实验，包括高空探测气球实验，为膨胀提供了可信的证据，指明宇宙似乎近似于扁平，这也就表明了它实际是多么大。我们就像是趴在气球上的蚂蚁，我们之所以认为的宇宙是扁平的，其原因就在于我们自己太渺小了。

暗能量也迫使我们对自己在宇宙中的角色和位置进行重新评价。哥白尼曾向我们表明，人类在太阳系中的位置没有什么特别。暗物质的存在表明构成我们周围世界的原子没什么特别的，因为构成宇宙的90%的物质都是神秘的暗物质。现在，宇宙常数表明，暗能量超过暗物质，而暗物质又超过恒星和星系的能量。原本是爱因斯坦为了使宇宙保持平衡而不得不引入的宇宙常数，现在有可能是宇宙中最大的能量源。（2003年，WMAP卫星证明宇宙中4%的物质和能量是以普通的原子形态存在，23%的是某种形式的暗物质，而73%则是暗能量。）

广义相对论带来的另一个奇怪的预言是黑洞。1916年，当史瓦西重新引入了暗恒星的概念的时候，人们还只当这是科幻小说中的提法。不过，哈勃太空望远镜和甚大阵射电望远镜现在已经证实有超过50个黑洞存在，大部分都隐藏在大型星系的中心。事实上，许多天文学家现在认为在上万亿的星系中，或许有一半的星系中心存在黑洞。

爱因斯坦指出了这些特殊对象的存在：根据定义，黑洞是不可见的，因为光无法从里面逃逸出来，因此特别难于通过正常的方法观测到。哈勃太空望远镜深入到了遥远的类星体和星系内部，拍摄到了一些惊人的照片，显示在遥远星系中心的黑洞周围有旋转的盘状物质，比如在M 87和NGC 4258中就是如此。通过计算可以发现，这些物质围绕黑洞旋转的速度为每小时数百万千米。哈勃望远镜拍摄的最精细的照片显示，在黑洞中心有一个点，直径为一光年，其力量能够使一个直径100000光年的星系绕其旋转。经过多年的猜测之后，2002年人们发现，就在我们所在的银河系中，就存在一个黑洞，其质量等于200万个太阳。因此，我们可以得到这样一幅图景：地球绕太阳转，太阳绕黑洞转。

根据18世纪米切尔（Mitchell）和拉普拉斯的研究，暗恒星和黑洞的质量和其半径成正比关系。因此，我们所在星系中心的黑洞的半径，是水星轨道半径的十分之一。这么小的物体能够影响到整个星系的运动，真是不可思议。2001年，天文学家利用爱因斯坦透镜效应，宣布说他们发现了一个在银河系中游荡的黑洞。这个黑洞在移动的时候，吞噬了周围的光。通过跟踪光被吞噬的运动轨迹，天文学家可以计算出该黑洞在太空中的轨道。（任何游荡的黑洞一旦靠近了地球，就会带来灾难性的后果。它会轻易地吃掉整个太阳系，连个饱嗝都不会打。）

1963年，黑洞研究出现了飞越。当时新西兰数学家罗伊·克尔（Roy Kerr）将史瓦西的黑洞概念扩展开，把旋转黑洞也包括进来。由于宇宙中所有的东西都在旋转，而且当对象坍缩时，旋转加快，因此我们可以自然地推论认为黑洞的旋转速度肯定很快。令所有人惊奇的是，克尔得出了爱因斯坦方程的一个精确的解，推论出恒星会坍缩成旋转的环。引力会使环坍缩，但是离心作用会变得足够强大，和引力相抵消，使旋转环进入稳定状态。最令相对论者迷惑的是如果有人穿越了这个环，他不会被压死。其中心的引力非常大，但却是有限的，因此原则上讲人会直接穿越该环，进入另一个宇宙。穿越爱因斯坦罗森桥的旅行并不一定会置人于死地。如果环足够大，人们就有可能安全进入平行的宇宙。

物理学家立即就开始驳斥这种假如落入克尔黑洞后可能发生的事情的说法。与这种黑洞碰面肯定是令人难忘的经历。从理论上讲，它可能为我们提供通往其他星际的捷径，在一瞬间把我们传送到星系的另一端，甚至可能是另一个宇宙中。随着越来越接近克尔黑洞，人们会经历一个事件视界，此后就再也无法回到出发的地方（除非有另外一个克尔黑洞将平行宇宙和我们的宇宙联系起来，这样才可能形成回程）。另外，这里面还有稳定性的问题。人们可以证明，如果有人穿过了爱因斯坦罗森桥，那么他所带来的时空扭曲可能迫使克尔黑洞关闭，使他不可能穿越这个爱因斯坦罗森桥。

这种充当两个宇宙间的门户的克尔黑洞的概念虽然奇特，在物理学的层面上，人们却无法抛弃它，因为黑洞事实上确实是高速旋转的。不过，人们很快就弄清楚了，这些黑洞不仅是连接了空间中两个距离遥远的点，而且是连接了两个时间，从而起到了时间机器的作用。

1949年，哥德尔通过爱因斯坦的方程发现了第一个时间旅行的解时，人们认为这是个新鲜事，是该方程的一个反常的孤解。可是，从那以后，人们已经发现了爱因斯坦方程的多个时间旅行的解。例如，人们发现W.J.范.司托库姆（W.J.van Stockum）1936年得出的一个解允许时间旅行的存在。司托库姆的解描述一个快速绕自身轴旋转的无限长柱体起着时间机器的作用。如果我们绕此旋转的长柱体旅行，就有可能回到出发的地点，这很像1949年哥德尔的解。虽然这个解很迷人，但问题是这个长柱体必须是无限长的。有限长的旋转柱体显然不行。因此，从原则上讲，哥德尔和司托库姆的解在物理学的意义上都可以被抛弃。

1988年，美国加利福尼亚理工学院的基普·索恩（Kip Thorne）和同事发现了爱因斯坦方程的另一个解，允许通过虫洞实现时间旅行。他们指出，一种新型的虫洞是完全可以横向穿越的，因此能够解决穿过事件视界的单一旅行问题。事实上，他们计算出，乘坐这种时间机器旅行，其舒适度不亚于乘坐民航飞机。

这些时间机器的关键在于物质或能量将时空弯曲到自身。要想把时间扭一个圈，需要极大的能量，这种能量超出了现代科学所知道的范围。对于索恩的时间机器来说，需要借助于负物质或负能量。谁也没见过负物质。事实上，如果你手上有一块负物质，它会向上坠落，而不是向下。对负物质的寻找一直都劳而无功。假如地球上数十亿年前存在有负物质的话，它也早已掉到了外太空，永远找不到了。负能量则是以卡西米尔效应（Casimir effect）的形式存在。假如我们端着两个平行的中性的金属盘子，我们知道它们都不带电，因此互相既不相吸，也不相斥。它们应该静止不动。可是，1948年亨里克·卡西米尔（Henrik Casimir）展示了一种奇怪的量子效应，表明这两个盘子会相吸，这一力量极小，但绝不是零。人们在实验室测到了这种力。

这样一来，我们就可以如此这般制造出索恩时间机器：取两组平行的金属盘。由于存在卡西米尔效应，每组盘子之间的区域会有负能量。根据爱因斯坦的理论，负能量会打开该区域时空中的微小的孔或泡（比亚原子粒子还要小）。现在我们来假设，某个发展进程远远超过人类的高级文明生物能够利用这些孔洞，控制每组盘子中的某个孔洞，将其拉伸，直到一根长长的管子或是虫洞将两组盘子连接起来。（现今人类的技术还远远无法用虫洞将这两组盘子联系起来。）现在用火箭以接近光速的速度运送一对盘子，这样飞船上的时间会变慢。如我们前面所讨论的那样，火箭上的钟表走的速度比地球上的慢。如果我们跳入地球上那些平行的盘子里的孔洞中，就会被吸入连接两个盘子的虫洞，发现自己置身于火箭中，回到了过去，处于不同的空间和时间。

从那以后，时间机器这一领域（更确切地说应该叫做“闭合时间曲线”）成了物理学中一个活跃的领域，许多论文根据不同的设计发表了出来。它们全部都是基于爱因斯坦的理论。不过并不是所有的物理学家都对此感兴趣。比如，霍金就不喜欢时间旅行的概念。他半开玩笑地说，如果时间旅行可能的话，我们周围肯定充满了来自未来的人，可我们从未看见过这样的人。如果时间机器是稀松平常之物，那就根本不可能写出历史，因为只要有人轻轻一拨他们的时间机器，就会改写历史。霍金曾宣称，他想让这个世界成为对历史学家安全的世界。不过，T.H.怀特（T.H.White）的《过去与将来之王》（The Once and Future K ing）这部小说中，有一个蚂蚁组成的社会，其格言是“凡未被禁止之物皆是必然”。物理学家对此深信不疑，因此霍金就不得不提出了“时序保护猜想”，强行禁止了时间机器的可能性。（霍金此后又放弃了对该推测的证明。现在他的观点是时间机器虽然理论上讲是可能的，但实践上不可行。）

这些时间机器显然都符合我们所认识的物理学原则。当然，其中的问题在于获得所需的极大的能量（只有“极端先进的文明”方能拥有这样的能量），并证明这些虫洞能够抵抗量子修正（quantum correc‐tions），而且不会在人刚进入后爆炸或是关闭。

另外，还得提一下时间佯谬（比如某人在自己出生前杀死了自己的父母）有可能通过时间机器来得到解决。由于爱因斯坦的理论是基于平滑、弯曲的黎曼平面的，我们在进入过去，制造了时间佯谬时不会简单地消失。时间旅行佯谬有两种可能的解决办法。第一种，如果时间长河中存在漩涡，那么当我们进入时间机器，可能只是重现历史。这意味着时间旅行是可能的，但我们却无法改变历史，只能完成它。我们必然是要进入这种时间机器的。俄罗斯宇宙学家伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov）即持此观点。他说：“我们无法派一个时间旅行者回到伊甸园，让夏娃不要摘树上的苹果。” [7]第二种可能，是时间之河有可能分岔形成两条河；也就是说有可能出现平行的宇宙。这样一来，如果一个人在自己出生前打死了自己的父母，那他杀死的只是从遗传上和自己的父母一样的两个人，但他们并非真的是自己的父母。他自己的父母照样还是生下了他。所发生的事情只是这个人在自己的宇宙和另外一个宇宙间变换了，因此所有的时间佯谬问题就解决了。

但是最接近爱因斯坦的核心的问题还是他的统一场论。爱因斯坦曾向海伦·杜卡斯说也许再过100年，物理学家就能明白他所考虑的东西了。他错了。他去世后不到50年，统一场论再次引起了人们的兴趣。原本被物理学家认作不可能达到的统一论，现在似乎快能够得着了。几乎每次理论物理学家的学术会议上，统一场论都是主要议题。

自古希腊的德谟克利特开始，人类就不断探索宇宙的构成。经过了对物质本性2000多年的探索，物理学带来了两大完全不能相容的理论。第一个是量子理论，它在描述原子和亚原子粒子构成的世界上无与伦比。第二个是爱因斯坦的广义相对论，它给我们带来了诸如黑洞、膨胀的宇宙等令人惊叹的理论。最大的矛盾在于，这两大理论处于完全对立的状态。它们的基础是不同的假设、不同的数学方法，以及不同的物理图景。量子理论是基于离散的能量包（即“量子”），以及亚原子粒子的相互作用。而相对论则是基于平滑的表面。

现在，物理学家已经把量子物理学发展成了最为复杂的科学，其中还包含了所谓的“标准模型”，能够解释所有亚原子的实验数据。在某种意义上，这是最成功的理论。对于四种基本的力，它能够解释描述其中三种的性质（电磁力、弱作用力和强作用力）。“标准模型”虽然极为成功，却仍存在两个大问题。第一，它极其丑陋，有可能是科学中所提出的最丑陋的理论。这一理论是强行把电磁作用力、弱作用力和强作用力扭在一起的。这就好像把鲸、非洲食蚁兽和长颈鹿用胶带粘在一起形成一个新物种，然后宣称这是自然造化的结晶，是百万年来生物进化的结果。近看，标准模型包括一堆令人迷惑的乱七八糟的亚原子粒子，它们的名字都很奇怪，毫无意义，比如夸克、希格斯介子、杨米尔斯粒子、W玻色子、胶子、中微子等。最糟糕的是，标准模型中根本没提引力的事儿。事实上，如果强行把引力纳入到标准模型中，就会发现该理论立即会完蛋。它什么也推导不出来。50年来，所有希望将量子理论和相对论结合在一起的努力都毫无结果。面对该理论在审美方面的缺陷，我们只有认为，其唯一的好处是在实验结果方面不可否认是正确的。很显然，我们需要做的，是超越标准模型，重新审视爱因斯坦的统一论方法。

50年后，最有可能成为将相对论和量子理论结合在一起的“万物至理”的候选者是“超弦理论”。事实上，这只是一个关起门来的游戏，因为所有的竞争对手都被排除在外了。物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）曾说：“弦理论为我们提供了第一个终极理论的候选者。” [8]温伯格认为，指导古代航海者的地图都指向了一个传说中存在的北极点。几个世纪后，直到1909年罗伯特·皮尔里（Robert Peary）才首次踏上北极点。与此类似，粒子物理学所有的发现都指向了宇宙中的一个“北极点”，即统一场论。超弦理论能够以令人惊奇的简单方式，吸收量子理论和相对论所有有益的地方。超弦理论的基本原理是可以将亚原子粒子看作是振动琴弦上的音符。虽然爱因斯坦曾经将物质比作木头，因为它具有各种混乱的属性，而且本质也很混沌；超弦理论则把物质看成了音乐。（爱因斯坦本人是个优秀的小提琴演奏者，所以也许他会喜欢这种比方。）

20世纪50年代中，物理学家对弄清楚亚原子粒子简直丧失了信心，因为新的粒子层出不穷地出现。罗伯特·奥本海默有一次厌烦地说：“诺贝尔物理学奖应该授予当年没有发现任何粒子的物理学家。” [9]而且人们老是拿奇怪的希腊语给这些亚原子粒子起名，恩里科·费米说：“我要是早知道会有这么多粒子叫希腊名，我就不做物理学家，改行学植物学了。” [10]但是根据弦理论的说法，如果我们有一种超级显微镜，直接看到电子内部，就会发现根本没有点粒子，而是振动的弦。当超弦以不同的方式或音符振动，它就会变成另外一种亚原子粒子，比如光子或是中微子。在这一图景中，我们在自然界中所看到的亚原子粒子可以看作是超弦最低的八度音阶。因此，几十年来所发现的不同的亚原子粒子，只不过是超弦上不同的音符。看起来令人迷惑而又随意的化学原理，是超弦演奏出的旋律。宇宙本身则是超弦构成的交响乐。物理学原理只不过是超弦构成的和弦。

超弦理论还能容纳爱因斯坦在相对论上的所有成果。超弦在时空中运动，会迫使周围的空间弯曲，恰如爱因斯坦在1915年预言的那样。事实上，除非超弦能够在符合广义相对论的时空中运动，它本身才会变成非自洽的。正如物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）曾经说过的，即便爱因斯坦不曾发现广义相对论，它也会随着弦理论的提出而被发现。威滕说：“弦理论非常迷人，因为引力迫使我们如此。所有自洽的弦理论都包括引力，因此虽然在量子场论中没有引力的地位，可在弦理论中它却是必需的。” [11]

不过，弦理论也会给出一些十分令人惊讶的预言。弦只能在10个维度中运动（1个时间维度，9个空间维度）。事实上，弦理论是唯一限制了自身时空维度的理论。正如1921年提出的卡鲁扎克莱因理论，它通过假设高维度可以振动，产生能够像光一样传遍三个维度的力，从而将引力和电磁力统一在一起。[如果再加入第十一个维度，那么弦理论就允许在多维空间的膜（membranes）的振动。这叫做“M理论”。它可以吸收弦理论，通过第十一个维度这一角度，揭示弦理论的新境界。]

假如爱因斯坦活到现在，他会怎么看超弦理论？物理学家戴维·格罗斯（David Gross）说：“爱因斯坦会对此感到高兴，假如不是为其实现的结果，至少也会为其目标而欣慰……他会因为其中蕴含的几何原理而欢迎它——可惜，我们对这种几何原理不甚了然。” [12]我们前面看到，爱因斯坦的统一场论是力图从几何（大理石）中得出物质（木头）。格罗斯对此评价说：“从几何中产生物质——弦理论从某种意义上说正是为此……这是一种引力定律，物质粒子及其他自然界中的力都像引力一样，来自几何结构。”从弦理论的角度回顾爱因斯坦在统一场论上的研究，能够给我们带来些启示。爱因斯坦天才的关键所在，是他能够将统一自然法则的关键的对称性给分离出来。统一空间和时间的对称性是洛伦兹变换或四维变换。引力背后的对称性是广义协变原理或时空的任意协调转换。

不过，爱因斯坦的第三次努力，即探索统一理论的工作失败了。这主要是因为他缺乏能够将引力和光，或是将大理石（几何）和木头（物质）统一起来的对称性原理。当然，他自己也清楚地知道，自己缺乏某种根本性的原理，指引自己穿越张量演算的灌木丛。他曾经写道：“我相信，要想取得真正的进展，必须从自然界再次推导出某种大的原则。” [13]

超弦所提供的正是这种原则。超弦背后的对称性称作“超对称性”，这是一种将物质和各种力结合在一起的奇怪而优美的对称性。如前所述，亚原子粒子具有“自旋”的特性，就像陀螺一样。电子、质子、中子、夸克构成物质的粒子的自旋都是1/2，它们被称作“费米子”，其得名来自恩里科·费米，他研究了半整数值自旋粒子的属性。不过，力的量子却是基于电磁力（自旋为1）和引力（自旋为2）。注意它们都有整数自旋，称作“玻色子”（得名自玻色和爱因斯坦的研究）。关键的问题是，通常说来，物质（木头）是由具有半整数值自旋的费米子构成的，而各种力（大理石）则是整数自旋的玻色子构成的。超对称性将费米子和玻色子结合在了一起。这是最基本的一点，即超对称性可以将大理石和木头统一在一起，这正是爱因斯坦所希望的。事实上，超对称性允许一种新几何学的出现，它甚至使数学家都大吃一惊。这种几何学称作“超空间”，这使得“超大理石”的存在成为可能。用这种新的方法，我们必须将旧的空间和时间维度进行广义扩展，使其包括新的费米子维度，这就允许我们创造出“超力”，所有的力都诞生自创世的瞬间。

这样一来，一些物理学家预计，我们可以这样表述爱因斯坦的广义协变的最初原理：物理方程必须是超协变式的（即，经过超协变转换后，仍保持同样的形式）。

超弦理论允许我们对爱因斯坦的统一场论研究进行重新分析，不过是以一种全新的眼光。当我们开始分析超弦方程的解的时候，遇到了许多爱因斯坦在20世纪20年代和30年代碰到过的奇怪的空间。从前面我们看到，他是概括了黎曼空间进行研究的，这和弦理论所发现的空间相对应。爱因斯坦一一艰难地研究了这些奇怪的空间（包括复杂空间、扭转空间、“扭曲空间”、“反对称空间”等），但是他最终迷路了，因为他缺乏物理定律或物理图景指引他穿越数学丛林。超对称性正是从这一点上切入的——它像某种组织原则，使我们能够以另一种角度分析这些空间。

但是爱因斯坦生命中最后的30年苦苦寻求的这种对称性，就是超对称性吗？爱因斯坦统一场论的关键，就是它必须由纯粹的大理石构成，即它必须是纯粹几何学的。他最初的相对论中大量存在的丑陋的“木头”必须融入几何中。超对称性可能是这种纯粹的大理石构成的理论的关键。在这种理论中，我们可以导入所谓的“超空间”，在此空间中，空间本身也是超对称的。换言之，最终的统一场论有可能是“超大理石”构成的，源自新的“超几何学”。

物理学家现在认为，在大爆炸发生的瞬间，世界上所有的对称性都是统一的，正如爱因斯坦所认为的那样。我们在自然界所看到的四种力（引力、电磁作用力、原子核的强作用力和弱作用力）都在创世的瞬间统一成了一种“超力”，只有在后来宇宙冷却之后才分裂开。爱因斯坦所追求的统一场论当时似乎是不可能的，这只是因为现在我们看到的四种力已经分裂为四份。如果我们能将时间往回拨137亿年，回到大爆炸的瞬间，我们会看到爱因斯坦所想象的宇宙的统一的面貌。

威滕宣称终将有一天，弦理论将一统物理学的天下，正如过去半个世纪以来量子力学一统江湖一样。不过，弦理论还必须面对许多可怕的障碍。该理论的批评人士指出了它的一些弱点。首先，该理论不可能直接验证。由于超弦理论是有关宇宙的理论，验证它的唯一办法是重新制造一次大爆炸，即在粒子加速器中制造出能够模拟出宇宙诞生时的能量。要想做到这一点，需要建造像一整个星系那么大的粒子加速器。这自然是做不到的，再高级的生命也不行。不过，大多数物理学研究都不是直接进行的，因此人们对将在瑞士日内瓦建设的大型强子对撞机（LHC）寄予厚望，希望它能足够强大，帮助人们探索这一理论。LHC很快将投入运行，它将能把质子加速到万亿电子伏特，足以将原子击碎。通过检查这种壮观的对撞所产生的碎片，物理学家希望能够找到一种新的粒子，即超级对称粒子，或称超粒子（sparticle），它将显示出超弦更高的共振或音阶特点。

甚至有人猜测暗物质可能就是由超粒子构成的。例如，光子的伙伴，称作“光微子”，是不带电荷的中性粒子，稳定且有质量。如果宇宙中充满了光微子气体，那我们不会看见它，但它的行为会很像暗物质。有朝一日，假如我们确定了暗物质的本质，则有可能间接证明超弦理论。

另一种间接证明该理论的办法是分析大爆炸所产生的引力波。下一个10年，LISA引力波探测器将发射到宇宙空间。它们有可能最终搜集到大爆炸之后万亿分之一秒时所释放出的引力波。如果这些结果和弦理论的预言相符，那么这样的数据就有可能最终证明该理论的正确性。

M理论也有可能解释困扰卡鲁扎克莱因宇宙的一些难题。大家是否还记得，卡鲁扎克莱因宇宙面临的最大问题就是这些高维度在实验室中无法看到，另外它们还必须比原子还小得多（不然的话，原子就会飘移到这些高维度中去）。但是M理论却为我们提供了解决这个问题的可能。它假设我们的宇宙就是飘浮在一个无限的十一维的多维空间的膜。这样，亚原子粒子和原子就会被禁闭在我们的膜（即我们的宇宙）中，但是引力，由于它是多维空间的一种畸变，因此可以在多个宇宙间自由流动。

这种假说虽然奇怪，但却能被验证。自从艾萨克·牛顿以来，物理学家就知道，引力与距离的平方成反比。在四维空间中，引力应该与距离的立方成反比。因此，通过测量完美的平方反比定律的微小偏差，我们就有可能探测出其他宇宙的存在。最近，有人推测，如果在我们的宇宙旁边仅仅一毫米的地方存在一个平行宇宙，那么它也将符合牛顿引力定律，而且有可能通过LHC探测到。这在物理学家当中激起了相当的反响。他们意识到超弦理论的一个方面有可能很快得到验证，其方法是通过寻找超粒子，或是寻找我们的宇宙旁边一毫米处的平行宇宙。

这些平行宇宙有可能为暗物质提供另一种解释。如果附近存在平行宇宙，我们将无法看到或感觉到它（因为物质是禁闭在我们的膜宇宙中的），但是我们将能感觉到它的引力（因为引力可以在宇宙之间传播）。对我们来说，这就好像是看不见的空间具有某种形式的引力，这很像暗物质。事实上，一些超弦理论专家已经猜测，也许可以把暗物质解释为附近的平行宇宙所产生的引力。

但是证明超弦理论正确性的真正的问题不是实验。我们无需建造巨大的原子加速器或发射空间卫星来证明这一理论。真正的问题是纯理论的：如果我们足够聪明，能够证明这一理论，我们就应该能求得它所有的解，这就应该包括我们的宇宙，以及其中的恒星、星系、行星、人类等。到现在为止，地球上还没有人能这么聪明，解出这些方程。也许明天，也许几十年后，会有人宣布他们彻底解决了这一理论。到那时，我们就能判断，到底这一理论是万物至理，还是一无是处的理论。由于弦理论非常精确，不存在任何调整的参数，因此不存在中间状态。

超弦理论或M理论能否会允许我们将自然界的法则统一成简单的、连续的整体，就像爱因斯坦所说的那样？目前要想做出判断还为时过早。我们不妨回顾爱因斯坦的话：“创造原理蕴含于数学之中。因此，从某种意义上说，我相信，正如古人所梦想的那样，纯粹的四维可以抓住现实。” [14]也许本书的某个年轻的读者会受到对统一论的追求的激励，去完成这一大业。那么，该如何重新看待爱因斯坦留给我们的遗产？也许，我们不该说他1925年后应该归隐山林，钓鱼去也。对他更恰当的赞颂应该是：所有物理学知识的基本，都蕴含在两大柱石中：广义相对论和量子理论。爱因斯坦是前者的创立者，是后者的教父，并为两者可能存在的统一铺平了道路。