一位16歲的男孩曾天真幻想自己騎在一束光上，他想知道從這個頗有利的位置望去，世界是什麽樣的？
26歲時，他重新審視空間和時間的一般概念，首次發現了普通時鐘之間的差異，獨立而完整地提出狹義相對性原理。
36歲時，他提出廣義相對論重力方程式的完整形式。
曾經幻想騎在光上看世界的男孩就是愛因史坦，他用20年的時間改變了整個科學史，成為人類漫漫歷史中一顆璀璨閃耀的明星。
天才如何點亮科學？科學又如何塑造世界？義大利數學家奧迪弗雷迪帶我們一窺人類文明發展的脈絡。
作者：【意】皮耶爾喬治·奧迪弗雷迪
譯者：張密 馬迪
摘自【天才閃耀時：改變世界的20位科學巨匠】
01
騎在光上看世界
你是不是覺得自己太年輕，不可能像天才那樣擁有可以改變生活，甚至改變整個科學史的靈感？
艾伯特·愛因史坦的經歷應該可以讓你相信你能做到。在他只有16 歲時，就幸運地擁有了改變他一生的想法，而這個想法就是他的偉大成就背後的推手。
但別擔心，那個想法並不是早慧天才想出來的深奧公式，它只是一個好奇少年的天真幻想。
很簡單，那是在 1895 年，年輕的愛因史坦想象著自己騎在一束光上，他很想知道從這個頗為有利的位置看世界會是怎樣的。
當時他正在讀高中。在科學課上，老師解釋說，光是一種電磁波，它總是以不變的極高速度移動。
愛因史坦發現，任何人如果附著在一束光上，都會看到光是靜止的，就像乘客看到自己乘坐的汽車是靜止的一樣，這是顯而易見的。
不太明顯的是，附著在光束上的人會以不同於其他人（不在光束上的人）的視角看到光。確實，對於這個人來說，馬克士威方程式組失效了，這可不是什麽好事。
這對年輕的愛因史坦來說似乎說不過去。在他看來，無論移動的方式和速度如何，物理定律應該對所有事物始終有效，這難道不是理所當然的嗎？
1905 年，已經 26 歲的愛因史坦將這一原則作為他的相對論的基礎，終於成功地解決了他少年時期的幻想所包含的問題。
他的解決辦法要求他重新審視空間和時間的一般概念。 但空間和時間這兩個詞充滿了陷阱，尤其是後者。
所以，我建議我們先來談談時間——不是像電視上播報的和天氣有關的時間，而是時間本身。
02
如何定義時間？
你是如何定義時間的呢？可能跟愛因史坦不一樣。對他來說， 時間其實就是用鐘表測量的東西。
「orologio」（鐘表）一詞源自古希臘語，意思是「讀取或計算時間」。但這是以你已經知道什麽是時間為前提的，而鐘表只是用來測量它。
愛因史坦的想法恰恰與此相反。對他來說，時間是用鐘表測量的東西。因此，時間取決於你用哪個鐘表來測量它。但這裏有一個問題，可供選擇的鐘表有很多。因此，對時間的定義可能多種多樣。
舉個例子，你還記得伽利略是如何測量披薩大教堂的吊燈擺動周期的嗎？他數了自己的脈搏跳動次數。也就是說，他用自己的心跳當作了「鐘表」。
那麽，既然每個人都擁有自己的心跳，那麽我們用心跳作為時鐘時會發生什麽呢？結果是，我們每個人都有自己獨有的時間概念，不會有一個共同的時間概念。
但還不止於此。現在我們知道，除了心臟，我們體內還有許多生物鐘在執行。因此，我們每個人都有若幹個時間概念，絕對不是只有一個。
這些節奏中的每一環都由專屬於自己的生物鐘所控制，而所有的生物鐘都由激素驅動，由特定的大腦回路控制，並受到日光的調節。
「晝夜節律」這個詞說明，通常情況下，人體內的這些生物鐘相互協調、一起運轉，以大約 24 小時的周期，維持我們的生理節律和行為節律。
但是有很多方法可以打亂這種節律。比如，如果你在酒吧通宵達旦，會發生什麽？如果你喝醉了呢？你很清楚，你的生活會變得混亂。平衡的節律就像一件易碎的商品，本來被很好地「包裝」著。但是，如果你拆掉「包裝」，你就會馬上失去節奏，且失去節奏的持續時間或長或短。
如果你進行長途旅行，去時區不同的地方會發生什麽呢？你會發現自己處於時差狀態，產生時差反應。你不僅需要重新設定手表，或手機裏的時間，還需要調整自己的生物鐘。
或許，你有些疑問：不同的個人時間和主觀時間真的那麽重要嗎？還是只有集體時間和客觀時間重要？
作為第一個時鐘，它是根據地球的自轉來確定時間的。 這樣你就獲得了基於恒星日的時間，它是由地球的一次完整自轉決定的。一天通常有 24 小時，每小時有 60 分鐘，每分鐘有 60 秒。
順便說一句，你有沒有想過為什麽會是這些奇怪的數位？在十進制系統中，將一天分成 10 小時或 20 小時，然後每小分時成 100 分鐘，每分鐘按 100 秒計算不是更自然嗎？
事實上，我們仍然在使用古老的六十進制系統，這是古代亞述人和巴比倫人使用的。它的基數是 60，而不是 10。
12 能被 60 整除的事實，讓我們有了使用「打」（一打為 12）的習慣。例如，雞蛋和瓶裝礦泉水通常是按打賣的，餐具套裝中的碗盤也是。時間也是如此：24 小時是「兩打」，「每個」完整的一天包括「一打白天」和「一打夜晚」。
似乎六十進制的采用源於 60 能被 360 整除的事實，而 360 正是地球公轉周期的近似值。
而第二個時鐘，可以采用地球公轉周期來確定時間。 這樣你就可以獲得基於太陽年的時間，這個時間是由地球的一次完整的公轉決定的。但是很遺憾，一年並不是由整數天組成的，而是大約 365.2425 天。
如你所見，地球和太陽這兩個時鐘的時間完全不同。基於日和年的時間無法很好地協調在一起，這使得定義行事曆變得很困難。
在現行的行事曆中，一年由 365 天組成，每 4 年中有一年是閏年，閏年會多出一天，相當於平均每年有 365.25 天。每 100 年會少一個閏年，相當於平均每年有 365.24 天。每 400 年又會增加一個閏年，平均每年有365.2425 天。
這就是為什麽 1600 年是閏年，1700 年、1800 年和 1900 年卻不是。2000 年是閏年，而 2100 年又不是了。你要記住這一點喲，因為你能活到那個時候！
而第三個鐘表，可以計算月球繞地球公轉的時間。 這樣你可以獲得基於陰歷的時間，它是由月球的一次完整的公轉決定的。
但是，基於月的時間與基於日和年的時間不同步。例如，陰歷的一個月大約是 29.53 天，而陽歷的一年大約是陰歷的 12.37 個月。
在古代，人們使用的是陰歷，而不是後來的陽歷。確實，月球的運動比太陽的運動更明顯，也更容易觀測。
這些紀念日每年會落在不同的日子。你現在知道原因了吧，那是因為陰歷和陽歷之間存在差異。
經過這番論述後，你就不會對我將要告訴你的事情感到太驚訝了。這是愛因史坦最偉大的發現。我們常用的時鐘，比如戴在手腕上的手表或手機上的時鐘，存在著差異，就像生物鐘和天文鐘一樣。
03
愛因史坦顛覆時空觀
愛因史坦在 1905 年首次發現了普通時鐘之間的差異。這是他著名的狹義相對論的一個成果，這一理論基於光速恒定的前提。
在理論上，1865 年，馬克士威方程式組預測了光速是恒定的，並推匯出了光速的數值——光速在真空中大約為每秒 30 萬千米。
1887 年，艾爾貝特·亞伯拉罕·邁克生和愛德華·威廉士·莫立進行的一項著名實驗證實了光速確實是恒定的。這個實驗使得邁克生獲得了 1907 年諾貝爾物理學獎。
現在，試著想象你在一列直線行駛的火車上，火車以恒定的速度前進。也就是說，火車既不加速也不減速。
你開啟手電筒的一瞬間，看著你的手表，用它來測量光線到達火車車廂的天花板所需的時間。
然後，你想象此刻你的一位朋友，正站在車站月台上。就在你做實驗的時候，你的朋友看到你乘火車經過。他也有一塊和你一樣的手表，也測量了那條光線到達車廂的天花板所需的時間。
從你的角度來看，光線是垂直上升的。然而，從你的朋友的角度來看，光線是傾斜上升的。事實上，光線的垂直運動與火車的水平運動結合在一起了，使得光線的軌跡對於外部觀察者而言顯得傾斜。火車的速度越快，光線的軌跡就顯得越傾斜。
由於光速是恒定不變的，因此，你和你的朋友都會計算出光線傳播的距離與你們各自測量的時間之間的比率。
但對你而言，光線傳播的距離更短，而對你的朋友來說則更長。這意味著，你測量的光線到達天花板的時間較短，而你的朋友測量出的時間較長。
理論上，你們的手表是一樣的。但實際上，勻速行進的火車導致你的手表相對於朋友的手表走得更慢了。火車的速度越快，你的手表就走得越慢。
這尤其消除了與年輕時期的愛因史坦有關的一個悖論：你不能騎在光束上，否則你的時間就會靜止不動。
但成年後的愛因史坦得出了更重要的結論。那就是 空間和時間並沒有絕對的意義！只有空間和時間的組合才具有絕對的意義。 愛因史坦稱其為 「時空」 ，從而完成了另一個偉大的「統一」，延續了畢達哥拉斯、阿基米德、牛頓和馬克士威的風格。
這就是相對論這一名稱的由來。事實上，空間和時間是分開考慮的，它們是相對於測量它們的人而言的。
相對於站在月台上靜止不動的朋友，你測量的光線長度更短，時間更慢。換句話說， 速度會導致長度的縮短和時間的膨脹 。
特別是當你移動時，你的空間和時間會發生變化。至於變化多少，取決於你的速度與光速的比率。
然而，真空中的光速極快，大約每秒 30 萬千米。在真空中，光從地球到月球只需一秒多的時間，從太陽到地球只需八分多鐘。
因為你的速度很慢，所以這個比率微不足道，你幾乎察覺不到任何差異。但對於高速粒子來說，這個比率非常重要，且效應顯著！
1915 年，36 歲的愛因史坦完成了他的工作。他在廣義相對論中描述了加速度對空間和時間的影響，特別是重力加速度的影響。
光會受到重力的影響嗎？愛因史坦的新理論給出了答案，而且是肯定的。
不僅如此，愛因史坦考慮了直線傳播的光線，並計算出當它經過太陽這個巨大品質時它會偏離多少。1919 年，一個著名的實驗驗證了愛因史坦的預測，並證實了他的理論。
現在，請註意。兩點之間的最短距離是直線，如果光的路徑在經過太陽附近時彎曲，那麽光就會走更長的距離，所以，它透過這段路程需要的時間更長。
對於遠離地球的衛星時鐘，這種效應很顯著。你手機上的 GPS 連線的就是這樣的衛星，你可以使用 GPS 導航系統為你帶路。如果 GPS 沒有考慮時間的收縮，它就會計算錯誤，讓你「誤入歧途」！
時間膨脹效應也與產生它的物體的品質成正比 。例如，宇宙中的太空人的時鐘在接近地球這樣的行星時會減慢得很少，而接近太陽這樣的恒星會減慢得很多。當接近電影【星際穿越】中的卡岡圖雅黑洞那樣的黑洞時，可能會減慢得更多。
這部電影是根據一位諾貝爾物理學獎獲得者的黑洞理論改編的。電影中令人驚嘆的特效讓它贏得了奧斯卡金像獎。電影中的畫面會幫助你很好地了解黑洞附近的時間和空間會發生什麽。
上文節選自圖靈【天才閃耀時：改變世界的20位科學巨匠】，【遇見數學】已獲轉發授權。
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