下篇 霍金到底知道什麼 第三章 霍金對相對論的推演與深化
相對論簡史
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阿爾伯特·愛因斯坦就是狹義和廣義相對論的發現者，他是一位全世界最偉大的科學家，愛因斯坦於1879年誕生於德國的烏爾姆，於1900年畢業於蘇黎世聯邦理工學院，加入了瑞士國籍，在1905年獲得了蘇黎世大學哲學博士學位。愛因斯坦還曾在伯爾尼專利局任職，也在蘇黎世工業大學、布拉格德意誌擔任過大學教授。在1913年的時候，愛因斯坦返回了德國，任柏林威廉皇帝物理研究所所長和柏林洪堡大學教授，並當選為普魯士科學院院士。在1933年，愛因斯坦在英國期間，曾被格拉斯哥大學授予榮譽法學博士學位（LL.D）。因為其猶太人的身份，愛因斯坦還曾遭受過納粹政權迫害，從而移居美國，在普林斯頓高級研究所任教授。愛因斯坦一直在從事著理論物理的研究，並且成功地開啟了兩項觀念革命，改變了我們對時間、空間以及實在本身的理解。
19世紀，一種名為“以太”的連續介質就像聲波一樣充滿了所有科學家的想象空間，而為了仔細測量以太的彈性性質，哈佛大學還專門建立起了傑弗遜實驗室，在建築這個實驗室的時候，哈佛大學甚至沒有用一個鐵釘，而這為的就是避免幹擾靈敏的磁測量。
而到了19世紀末，出現了可和穿透一切的以太觀的偏差。人們開始預料到光在通過以太時會以恒定的速率行進；在逆著光的方向上運動，它的速度會顯得更快，而順著光的方向運動則會顯得更慢。
可是這個觀念並非是不存在著爭議的，在接下來的一係列實驗中，我們可以清楚地看到這一觀念存在的誤差。阿爾伯特·邁克耳孫和愛德華·莫雷在俄亥俄的克裏夫蘭的凱思應用科學學校所進行的實驗足以證明，隨著地球繞軸自轉以及繞日公轉，儀器以變化的速率和方向通過以太運動，而且兩束光之間並沒有周日或周年的變化。光一直都是在以相同的速率相對於它的所在地運動。
而喬治·費茲傑拉德和亨得利克·洛倫茲則是在莫雷實驗的基礎上曾提出過，物體在通過以太運動時會發生收縮，而鍾表也會變慢。相對於以太運動，於是我們總是會測量到相同的光速。
而在1905年6月，愛因斯坦在其所撰寫的一篇論文中指出，如果我們沒有檢測出是否穿越空間的運動，那麼以太的觀念是純屬多餘的。愛因斯坦是以科學定律對於所有自由運動的假設作為出發點的。不管它們運動得多快，都應該測量到相同的光速。光速和它們的運動是無關的，同時在所有方向上都是相同的。
而愛因斯坦的這個觀念就需要我們拋棄掉所有鍾表都測量的稱為時間的這一普適的量。我們每個人都有著自己的個人時間，如果是處於相對靜止狀態的話，我們的時間就會一致，可是假如我們是相互運動著的話，那麼我們的時間就會發生變化，就好像兩台以相反方向圍繞世界飛行的精確的鍾表在回來之後，其顯示的時間會發生非常微小的差異一樣。
所以，有很多結論都說，我們如果想要活得更長久的話，那麼就應該不斷地向東飛去，這是因為地球的旋轉疊加上飛機的速度，我們的生命就會得到延續，雖然這個過程增加的時間比一秒還要短得多。
由於在相對論中，每位獨立的觀察者都會具有自身的時間測度，這就會導致一個所謂的孿生子佯謬。孿生子中的一位（a）出發進行空間航行，其航行速度接近於光速（c），而他的兄弟（b）留在地球上。
因為他的運動在地麵上的孿生子看來，航天飛船上的時間流逝得會比較慢。
而這樣，當那位航天者返回時（a2）將會發現他的兄弟（b2）比他較衰老。
雖然這似乎和我們的常識十分抵觸，可是一係列的實驗都已經證明，在這個場景中，旅行的孿生子確實是會年輕一些。
而相對論的一個非常重要的推論是質量和能量這兩者的關係。光速對於任何人都是不變的假設，即意味著光是運動得最快的物體。當我們用能量去加速任何物體的時候，不管是粒子或者航天飛船，事實上發生的事情是，這個物體的質量在增加，而質量的增加就會使得我們對它進一步加速變得更加困難。因此，想要將一個粒子加速到光速是需要消耗無限大能量的，所以這也是不可能的。就像愛因斯坦著名的公式E=mc2總結的一樣，質量和能量是等效的。這一公式也許是物理學當中唯一的婦孺皆知的公式。這一公式使我們意識到，如果鈾原子核裂變成了兩個總質量稍小的核，就會釋放出巨大的能量。
危機中的科學研究
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1939年，由於第二次世界大戰已迫在眉睫，眾多意識到這一公式隱含的含義的科學家曾說服愛因斯坦克服其和平主義原則，憑借其權威給羅斯福總統寫一封信，要求美國開始製訂核研究計劃。
1905年，愛因斯坦的開創性論文為其建立了巨大的科學聲望。但是一直到1909年，愛因斯坦才得到蘇黎世大學的職務，而就是這一機會才使他得以離開瑞士專利局。兩年之後，愛因斯坦就轉到布拉格的日耳曼大學。而在1912年，愛因斯坦又一次回到了蘇黎世，這一次，他返回了蘇黎世高工。雖然在當時歐洲的許多地方，甚至在大學之中都盛行著反猶太主義，但愛因斯坦現在已是學術界巨星，維也納和烏得勒支都邀請愛因斯坦前去任教，但愛因斯坦還是選擇了在柏林的普魯士科學院的研究員這一職務，這是因為那樣的話，他就可以擺脫教學了。不可否認的是，盡管相對論和製約電磁學的定律配合得天衣無縫，但是它卻不能夠和牛頓的引力定律很好地協調。牛頓引力定律說，假如我們在空間的一個區域改變了其物質的分布，那麼在宇宙的其他任何地方的引力場就會瞬刻覺察到這一改變，而這不僅僅意味著我們可以發送比光還要快的信號，而這卻是相對論所禁止發生的事情；而為了知道瞬刻在這裏的含義，牛頓的引力定律還需要存在絕對時間這一概念，而這也正好就是被相對論所拋棄了的，而相對論還用個人時間取代了絕對時間。
原子核是由被強力所捆在一起的質子與中子構成，但是原子核的質量總是比那些組成它的質子和中子的質量之和要小，而這個差就是把核結合在一起的結合能的度量。我們可以在愛因斯坦給出的方程關係中算出這一結合能：核結合能=Δmc2，在此處，Δm是各個質量之和和核質量的差。
而正是這一勢能的釋放產生了核武器的毀滅性的爆炸力。
在1907年愛因斯坦還在伯爾尼專利局工作時就知道了解決這一問題的困難，但是一直到了1911年，愛因斯坦在布拉格時才開始認真地去思考這個問題。愛因斯坦意識到，在加速度和引力場之間是存在一個密切的關係的。對於待在一個封閉的盒子中，譬如升降機中的某人不能夠將盒子靜止地處於地球引力場中和盒子在自由空間中被火箭加速這兩種情形區別開來（當然，愛因斯坦處於《星際航行》時代之前，隻能想到升降機中而不是航天飛船中的人）。
對於在一個盒子中的觀察者來說，他是無法區分這兩種情形的：（a）處於地球上的固定的升降機中和（b）在自由空間中被火箭加速。
如果火箭發動機關閉（c），其感覺就和升降機向通道底部自由下落一樣（d）。
假如地球是平坦的，那麼我們既可以說蘋果是因為引力而落到牛頓頭上，也可以說因為牛頓和地麵被往上加速，從而使其被蘋果砸到。但是，對於球形的地球來說，加速度和引力這兩者之間的等效似乎是不成立的，處於世界相反的兩邊的我們必須要在相反的方向上被加速，卻又停留在固定的相互距離上。
但是，在1912年時，愛因斯坦的思想是質量和能量以一種還未被確定的方式將時空給彎曲了，諸如蘋果或者行星等物體在通過時空時企圖沿著直線運行，但因為那時的時空是被彎曲了的，因此蘋果的軌道是被引力場彎折了。
如果地球是平坦的，人們既可以說因為重力，蘋果落到牛頓頭上，也可以說地球和牛頓被向上加速。因為對於球形的地球，在世界相反兩邊的人們會相互越離越遠，所以這種等效不成立，可是因為愛因斯坦使空間和時間變得彎曲，從而克服了這個困難。
隻有當一個大質量的物體將時空彎曲，並借此將在它附近的物體的路徑彎折的時候，加速度和引力這兩者才變成等效的。
愛因斯坦關於彎曲時空的新理論現在被我們稱為廣義相對論，以與其之前所提出的沒有引力的狹義相對論相區別。1919年，當英國赴西非的探險隊在日食時觀察到光線通過太陽鄰近被稍微偏折，愛因斯坦的廣義相對論由此得到了輝煌的確認，這正是空間和時間被彎曲的最為直接的證據，而這產生了自歐幾裏得在公元前300年左右寫下《幾何原本》以後，我們對於宇宙的認識的最大變革。
在廣義相對論中，空間和時間從一個事件在其中發生的被動的背景轉變成為了宇宙動力學的主動參與者，而這就又引發了一個偉大的問題，而這個問題在現在的物理學中仍然是處於最前沿。如果宇宙中充滿了物質，那麼物質會將時空彎曲，從而會使得物體最終落到一塊。而愛因斯坦發現在他的方程中沒有描述一個靜態，即在時間中不變的宇宙的解。愛因斯坦寧願不放棄這樣一種永恒的宇宙，因為那正是他和絕大多數人所深信的，來對這一方程進行補綴。愛因斯坦將其添加上一個稱為宇宙常數的一項，宇宙常數會在相反的意義上將時空彎曲，從而使得物體相互離開。宇宙常數的排斥效應還可以用來平衡物質之間的吸引效應，而這樣就會容許宇宙存在著靜態解。這是理論物理學的曆史中被錯失的最重大的機會之一。假如愛因斯坦堅持自己原先的方程，那麼它就能夠預言到我們的宇宙要麼是正在膨脹，要麼是正在收縮，這兩者必有其一。而實際上，一直到20世紀20年代，在威爾遜山上用100英寸（1英寸=2．54厘米）望遠鏡進行觀測，我們才認真地接受了隨時間變化的宇宙的這一可能性。
一個恒星發出的通過太陽鄰近的光線會因為太陽的質量彎曲時空而受到偏折（a）。而從地球上來看的話，這個恒星的表觀位置就會發生輕微的移動（b）。在發生日食的時候，我們就可以觀察到這一個效應。
而這些觀測都揭示了，和我們相距越遠的星係就會越快速地離我們而去。而宇宙正在發生著膨脹，任意的兩個星係之間的距離都會隨時間而恒定地在增加。這一個發現排除了愛因斯坦為了獲得靜態宇宙解而提出的宇宙常數。事實上，愛因斯坦在後來曾將宇宙常數稱為他一生中最大的錯誤。但是，在現在看來，這也許根本不算是什麼錯誤。現代觀測暗示也許確實存在著一個小的宇宙常數。
廣義相對論徹底地改變了我們所有有關與宇宙起源和命運的討論。一個靜態的宇宙或者是它現在的形狀在過去的某個瞬間創生，也可以存在了無限長時間。但是，如果星係正在相互分開的話，那麼在曾經，它們就會更加靠近。而大約在150億年以前，所有的星係都會相互落在一起，宇宙的密度會十分巨大。天主教牧師喬治·拉瑪特是第一個研究這個我們今天叫做大爆炸的宇宙起源的人，喬治·拉瑪特把這種狀態稱為“太初原子”。
廣義相對論甚至擁有愛因斯坦都不願意承認的語言：即在當—個大質量恒星到達其生命的終點，同時不能使其產生足夠的熱去平衡收縮的引力時，時間就會走到盡頭。在愛因斯坦看來，這樣的恒星將會在某一個終態最後安定下來。可是現在的我們知道，對於那些比太陽質量兩倍還大的恒星其實並不存在著終態的構型。這類恒星將會一直繼續收縮，一直到其變成黑洞為止。黑洞是存在於時空之中如此彎曲的一個區域，就連光線都無法從那裏逃逸出來。