《爱因斯坦（精编版）》
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判断题爱因斯坦认为相对论是一个时空理论。 参考答案对
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撰文：沃尔特·艾萨克森（Walter Isaacson）
翻译：徐愚
本文作者沃尔特·艾萨克森是美国阿斯彭研究所的CEO。他曾是美国有线电视新闻网（CNN）的主席、《时代周刊》（Time）的主编，并撰写了多本畅销书，其中包括2011年出版的《史蒂夫·乔布斯传》。
广义相对论是爱因斯坦提出的最著名的理论，但很多人都不知道，在广义相对论的创立过程中交织着爱因斯坦个人生活的冲突、紧张的政治时局，以及与另一位竞争者的科学较量。
广义相对论源于一个倏忽而至的灵感。有一天，爱因斯坦坐在位于伯尔尼的办公室中，突然有了一个自己都为之“震惊”的想法。他回忆道：“如果一个人自由下落，他将不会感到自己的重量。” 后来，他将此称为“我一生中最幸福的思想”。
接下来，他花费了8年时间，把这个自由落体者思想实验改写成为物理学史上最优美、最惊艳的理论。到了1915年，爱因斯坦终于达到了事业的巅峰，提出了广义相对论完整的理论形式，永远地改变了我们对整个宇宙的理解。
扩展狭义相对论
1911年，爱因斯坦成为位于布拉格的查尔斯-费迪南德大学（现为布拉格查理大学）的一名教授。他将注意力重新放到引力理论上，希望将自己1905年提出的关于时空关系的狭义相对论推广到更一般化的情况。
进一步完善自由落体思想实验后，爱因斯坦发现这会产生一些令人惊奇的结果，比如引力能够使光线弯曲：想象一下，当密闭空间正在加速向上时，一束光线从墙壁上的小孔中穿入。当光线到达对面墙壁时，光线与地板的距离会略微减小，因为密闭空间在此过程中被急速拉升。等效原理认为，不论是加速上升，还是静止于引力场中，其效果都是相同的。也就是说，光线穿过引力场时也会发生弯曲。
爱因斯坦探寻广义相对论的目标，是要找到描述两个相互交织过程的数学方程式——引力场如何作用于物质，使之以某种方式进行运动；物质又如何在时空中产生引力场，使之以某种形式发生弯曲。
与第一任妻子关系破裂
那时，爱因斯坦已搬到德国柏林，成为了一名教授，还当选了普鲁士科学院院士。但由于反犹太主义浪潮不断高涨，他无法与身边的同事形成研究伙伴关系。他与妻子米列娃·玛里奇（Mileva Maric）关系破裂，米列娃带着他们年仅11岁和5岁的两个儿子回到了苏黎世。爱因斯坦与他的表姐艾尔莎（Elsa）关系暧昧，后来她成为了爱因斯坦的第二任妻子，不过那时，他仍然独自生活在位于柏林中部一间没有什么家具的公寓里。在那里，他无规律地吃饭、睡觉、拉小提琴，孤独地为他的伟大理论而奋斗。
1912年，爱因斯坦与他的表姐艾尔莎发生婚外恋情，后来艾尔莎成了他的第二任妻子。
然而就在1915年6月底，他的个人生活处于混乱不堪之际，爱因斯坦却思考出了许多关于广义相对论的内容。在那个月底，他以正在思考的问题为主要内容，在德国哥廷根大学开设了为期一周的系列讲座。哥廷根大学是全世界最杰出的数学研究中心，拥有许多非凡的天才，其中最著名的就是数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert）。爱因斯坦特别渴望与希尔伯特沟通交流，他向希尔伯特解释了相对论的每一个艰涩难懂的细节。
与数学家希尔伯特竞争
希尔伯特也同样为爱因斯坦及其理论着迷，以致于没过多久，他就开始自已动手尝试解开爱因斯坦迄今尚未完成的谜题——寻找能够完整描写广义相对论的数学方程。1915年10月初，爱因斯坦已经听到了希尔伯特追寻答案的“脚步声”，与此同时，他意识到当前版本的理论框架存在着严重缺陷。
在爱因斯坦耳边有两个滴答作响的时钟：其一他能感觉到希尔伯特正在逐步接近正确的方程；其二他已同意在11月份以他的理论为主题，为普鲁士科学院的院士们开设四次周四讲座。整个11月份，爱因斯坦几乎累得精疲力竭，在此期间，他一直在努力解决一系列的方程式，不断进行修改和更正，准备向终点作最后的冲刺。
爱因斯坦沉浸在工作中，他独自居住，吃饭、睡觉都变得没有规律，有时拉小提琴为自己放松。
此时的爱因斯坦正处于创造力集中爆发前的阵痛阶段，科学史上的最重要时刻即将到来。爱因斯坦对朋友说，他在柏林独自生活，“荒凉”的公寓已经有了“一种近乎教堂般的气氛”。这位朋友回答说：“这是理所应当的，因为非比寻常的神圣力量正在那里发挥作用。”
找到完美的引力场方程
在匆忙仓促中，灵感不期而至，爱因斯坦终于取得重大突破，想到了描写广义相对论的精确方程，这使得所有的焦虑都化为了喜悦。他对修正后的方程进行了测试，结果修正后的方程正确预测出水星近日点每100年出现43角秒的漂移。爱因斯坦激动万分，甚至出现了心悸。他告诉一位同事：“我沉浸在喜悦和激动中！”他还欣喜若狂地告诉另一位物理学家：“水星近日点运动的计算结果令我感到极为满意。天文学学究式的精确度对我们的帮助是多么巨大啊，我竟然还曾暗自对此嘲笑！”
在11月25日的最后一次演讲中，爱因斯坦及时地提出了一组可以描述广义相对论的协变方程，那次演讲的题目为“引力场方程”（The Field Equations of Gravitation）。
在外行人看来，这个方程并不像质能公式E = mc2那样生动形象。然而，利用简明扼要的张量符号，将不规则且庞杂的数学表达作为下标列入其中，爱因斯坦场方程的最终形式依然足够简洁，甚至能让物理极客们将之印在T恤衫上。在该方程有一个形式可以写成：
Rμν- 1/2gμνR = -8πG Tμν
方程左边如今被称为爱因斯坦张量（Einstein tensor），可以简写为Gμν，用以描述时空的几何结构是如何因物体的存在而弯曲变形的，右边则描述了引力场中的物质运动。这个方程表明了物体是如何弯曲时空，以及这种弯曲又是如何反过来影响物体运动的。
迄今为止最伟大的科学发现
通过狭义相对论的创立，爱因斯坦已经证明，空间和时间并非独立存在，而是形成了一种时空构造，而广义相对论表明，这种时空构造既可以被其中物体的运动所决定，又可以反过来决定其中物体的运动。
这种弯曲的时空构造解释了引力及其与加速度的等效原理，还有关于各种运动形式的广义相对论。在量子力学先驱、诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克看来，它“或许是迄今为止最伟大的科学发现” 。而另一位物理学巨匠马克斯·波恩（Max Born，获得1954年诺贝尔物理学奖）称之为“人类思考自然的最伟大壮举，哲学思辨、物理直觉和数学技巧最令人惊艳的结合。”
整个创立广义相对论的过程让爱因斯坦疲惫不堪。他的婚姻已经破裂，战火正在欧洲肆虐，但他却感到从未有过的幸福。“我最大的梦想已经实现，”他向他最好的朋友说，“具备了广义协变性，且对水星近日点运动的计算惊人地精确。”他说自己“心满意足，同时又心力交瘁”。
本文由《科学美国人》中文版《环球科学》供稿。
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作者： 沃尔特·艾萨克森
[责任编辑: 汪海伦]
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时间：日21:29 来源：界面
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　　来源：网络　　100多年前，爱因斯坦发表了广义相对论后彻底改变了世界。　　相对论是现代物理的基石，GPS卫星和移动互联网的存在都得益于此，这也是为什么爱因斯坦是史上最知名的科学家。　　但是一个传奇式的地位并不能保证你永远正确。即便是爱因斯坦也犯下了很多错误，他忽略了很多，而且有时也会完全错掉。　　下面就会向大家解释爱因斯坦犯下的5大错。　　1.一个显著的错误出现在爱因斯坦最知名的理论——相对论中。　　爱因斯坦的相对论是用一个数学等式来描述重力、空间和时间的关系，这是前人未曾做到的。　　但是为了能使等式成立，爱因斯坦不得不创造一个新的常数（一个不变的值，比如π和自然对数e）并将其应用于广义相对论的等式中。　　爱因斯坦将这一恒量称之为“宇宙常数”，这个常数使得这个等式能够解释宇宙不变的本质。　　从一个城市地平线上测量到的宇宙微波。　　但是就在爱因斯坦公布这个等式后不久，物理学家们发现宇宙并不守恒，事实上正在以极快的速度扩展着。这下坏了！　　所以爱因斯坦就抛弃了宇宙常数说法。　　但是这真的是犯了一个大错。这个等式仍然需要宇宙常数。　　现在，科学家们将宇宙常数视作一个叫做暗能量（dark energe）的神秘力量，正是这个能量使得宇宙以越来越快的速率扩大。　　2.爱因斯坦的等式同样也描述了重力如何使光弯曲的。　　当光波经过物体时，物体周围的重力场就会使其的路径发生改变，就好像是一大束银河。　　物体越大的时候，越多经过的光会发生扭曲。这一作用叫做引力透镜。　　引力透镜是测量遥远而巨大物体质量的最佳方式。它同样也能放大远处物体的图像，因此天文学家就能从地球上观测那些远距离物体了。　　天文学家同样使用引力透镜去追踪暗物质（dark matter）——暗物质是一种不可见的东西，宇宙85%的质量由其构成。　　但是爱因斯坦认为引力透镜太小而不能看见东西，他认为这个想法最为无用，于是放弃了这一发现，直到一位同事敦促，他才肯发表自己的这一发现。　　鉴于这一技术在如今的重要性，至少爱因斯坦最初对于这一想法的轻视是一个严重的误判。　　3.爱因斯坦的相对论预测了名叫引力波的时空波纹之存在。　　空间中引力波的艺术概念图。　　爱因斯坦已经证明了物质可以使空间发生完全，在这个基础上，爱因斯坦认为在空间移动的物质应该会创造出一种波纹——就好像石头丢入湖中会泛起圈圈涟漪。　　但是爱因斯坦这个空间时间中波纹的想法却有些牵强，而且，当他试着用一个数学公式来描述重力波如何作用的时候，他却没有成功。　　所以爱因斯坦抛弃了引力波的概念（尽管他自己的理论语言了引力波的存在）。他差点发表了一篇有重大错误的论文。　　幸运的是，在这篇论文发表前，一位科学家指出了他的错误。爱因斯坦得以修正引力波公式并且发表了预测引力波的确存在的修正版本论文。　　但是尽管数学公式暗示了引力波真的存在，我们还是不能直接观察到它们。　　针对这一难以捕捉的波纹，现在正在进行一场浩大的捕捉工程。在美国和其他国家有多台引力波探查机，科学家的团队们也在这一阵线上如火如荼的工作着。　　4.爱因斯坦在面对黑洞时也遇到了一个类似的问题：他的理论预测了黑洞的存在，但是他不能理解黑洞。　　但是不像引力波，爱因斯坦没有改变他对黑洞的看法。　　电影《星际穿越》中的旋转着的黑洞。　　我们现在有充足的证据表明黑洞并不真的存在，但是太阳的重量增加了百万倍，甚至在银河中的一个恒星也是如此。　　电影《星际穿越》中的黑洞。　　5.爱因斯坦随后的理论对于量子力学来说至关重要，量子力学是物理学中的一个分支，研究的是微小的亚原子粒子的复杂性质。　　事实上，这一研究（光电效应）使得爱因斯坦在1921年获得了诺贝尔奖，为日后量子力学的发展提供了重要的工具。　　但是爱因斯坦对于量子力学却有一些疑惑，对他来说，这个理论中的很多元素都完全陌生。　　量子力学的复杂属性暗示了粒子能同时有两种状态，还能以超光速的速度向另一颗粒子传输信息。　　每个研究量子力学的物理学家都会先告诉你他们也不完全懂量子力学是什么。　　但是我们在证明量子力学真的存在的道路上已经越走越远。所以爱因斯坦不能接受这个理论或将成为迄今为止他最大的错误。　　尽管犯下这些错误，爱因斯坦在众人心中仍旧是有史以来最有影响力的科学家。最后，你不可能在一个领域大搞革新的时候不犯下一些错误。　　翻译：李睿一
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