一位16岁的男孩曾天真幻想自己骑在一束光上，他想知道从这个颇有利的位置望去，世界是什么样的？
26岁时，他重新审视空间和时间的一般概念，首次发现了普通时钟之间的差异，独立而完整地提出狭义相对性原理。
36岁时，他提出广义相对论引力方程的完整形式。
曾经幻想骑在光上看世界的男孩就是爱因斯坦，他用20年的时间改变了整个科学史，成为人类漫漫历史中一颗璀璨闪耀的明星。
天才如何点亮科学？科学又如何塑造世界？意大利数学家奥迪弗雷迪带我们一窥人类文明发展的脉络。
作者：【意】皮耶尔乔治·奥迪弗雷迪
译者：张密 马迪
摘自【天才闪耀时：改变世界的20位科学巨匠】
01
骑在光上看世界
你是不是觉得自己太年轻，不可能像天才那样拥有可以改变生活，甚至改变整个科学史的灵感？
阿尔伯特·爱因斯坦的经历应该可以让你相信你能做到。在他只有16 岁时，就幸运地拥有了改变他一生的想法，而这个想法就是他的伟大成就背后的推手。
但别担心，那个想法并不是早慧天才想出来的深奥公式，它只是一个好奇少年的天真幻想。
很简单，那是在 1895 年，年轻的爱因斯坦想象着自己骑在一束光上，他很想知道从这个颇为有利的位置看世界会是怎样的。
当时他正在读高中。在科学课上，老师解释说，光是一种电磁波，它总是以不变的极高速度移动。
爱因斯坦发现，任何人如果附着在一束光上，都会看到光是静止的，就像乘客看到自己乘坐的汽车是静止的一样，这是显而易见的。
不太明显的是，附着在光束上的人会以不同于其他人（不在光束上的人）的视角看到光。确实，对于这个人来说，麦克斯韦方程组失效了，这可不是什么好事。
这对年轻的爱因斯坦来说似乎说不过去。在他看来，无论移动的方式和速度如何，物理定律应该对所有事物始终有效，这难道不是理所当然的吗？
1905 年，已经 26 岁的爱因斯坦将这一原则作为他的相对论的基础，终于成功地解决了他少年时期的幻想所包含的问题。
他的解决办法要求他重新审视空间和时间的一般概念。 但空间和时间这两个词充满了陷阱，尤其是后者。
所以，我建议我们先来谈谈时间——不是像电视上播报的和天气有关的时间，而是时间本身。
02
如何定义时间？
你是如何定义时间的呢？可能跟爱因斯坦不一样。对他来说， 时间其实就是用钟表测量的东西。
「orologio」（钟表）一词源自古希腊语，意思是「读取或计算时间」。但这是以你已经知道什么是时间为前提的，而钟表只是用来测量它。
爱因斯坦的想法恰恰与此相反。对他来说，时间是用钟表测量的东西。因此，时间取决于你用哪个钟表来测量它。但这里有一个问题，可供选择的钟表有很多。因此，对时间的定义可能多种多样。
举个例子，你还记得伽利略是如何测量比萨大教堂的吊灯摆动周期的吗？他数了自己的脉搏跳动次数。也就是说，他用自己的心跳当作了「钟表」。
那么，既然每个人都拥有自己的心跳，那么我们用心跳作为时钟时会发生什么呢？结果是，我们每个人都有自己独有的时间概念，不会有一个共同的时间概念。
但还不止于此。现在我们知道，除了心脏，我们体内还有许多生物钟在运行。因此，我们每个人都有若干个时间概念，绝对不是只有一个。
这些节奏中的每一环都由专属于自己的生物钟所控制，而所有的生物钟都由激素驱动，由特定的大脑回路控制，并受到日光的调节。
「昼夜节律」这个词说明，通常情况下，人体内的这些生物钟相互协调、一起运转，以大约 24 小时的周期，维持我们的生理节律和行为节律。
但是有很多方法可以打乱这种节律。比如，如果你在酒吧通宵达旦，会发生什么？如果你喝醉了呢？你很清楚，你的生活会变得混乱。平衡的节律就像一件易碎的商品，本来被很好地「包装」着。但是，如果你拆掉「包装」，你就会马上失去节奏，且失去节奏的持续时间或长或短。
如果你进行长途旅行，去时区不同的地方会发生什么呢？你会发现自己处于时差状态，产生时差反应。你不仅需要重新设定手表，或手机里的时间，还需要调整自己的生物钟。
或许，你有些疑问：不同的个人时间和主观时间真的那么重要吗？还是只有集体时间和客观时间重要？
作为第一个时钟，它是根据地球的自转来确定时间的。 这样你就获得了基于恒星日的时间，它是由地球的一次完整自转决定的。一天通常有 24 小时，每小时有 60 分钟，每分钟有 60 秒。
顺便说一句，你有没有想过为什么会是这些奇怪的数字？在十进制系统中，将一天分成 10 小时或 20 小时，然后每小时分成 100 分钟，每分钟按 100 秒计算不是更自然吗？
事实上，我们仍然在使用古老的六十进制系统，这是古代亚述人和巴比伦人使用的。它的基数是 60，而不是 10。
12 能被 60 整除的事实，让我们有了使用「打」（一打为 12）的习惯。例如，鸡蛋和瓶装矿泉水通常是按打卖的，餐具套装中的碗盘也是。时间也是如此：24 小时是「两打」，「每个」完整的一天包括「一打白天」和「一打夜晚」。
似乎六十进制的采用源于 60 能被 360 整除的事实，而 360 正是地球公转周期的近似值。
而第二个时钟，可以采用地球公转周期来确定时间。 这样你就可以获得基于太阳年的时间，这个时间是由地球的一次完整的公转决定的。但是很遗憾，一年并不是由整数天组成的，而是大约 365.2425 天。
如你所见，地球和太阳这两个时钟的时间完全不同。基于日和年的时间无法很好地协调在一起，这使得定义日历变得很困难。
在现行的日历中，一年由 365 天组成，每 4 年中有一年是闰年，闰年会多出一天，相当于平均每年有 365.25 天。每 100 年会少一个闰年，相当于平均每年有 365.24 天。每 400 年又会增加一个闰年，平均每年有365.2425 天。
这就是为什么 1600 年是闰年，1700 年、1800 年和 1900 年却不是。2000 年是闰年，而 2100 年又不是了。你要记住这一点哟，因为你能活到那个时候！
而第三个钟表，可以计算月球绕地球公转的时间。 这样你可以获得基于阴历的时间，它是由月球的一次完整的公转决定的。
但是，基于月的时间与基于日和年的时间不同步。例如，阴历的一个月大约是 29.53 天，而阳历的一年大约是阴历的 12.37 个月。
在古代，人们使用的是阴历，而不是后来的阳历。确实，月球的运动比太阳的运动更明显，也更容易观测。
这些纪念日每年会落在不同的日子。你现在知道原因了吧，那是因为阴历和阳历之间存在差异。
经过这番论述后，你就不会对我将要告诉你的事情感到太惊讶了。这是爱因斯坦最伟大的发现。我们常用的时钟，比如戴在手腕上的手表或手机上的时钟，存在着差异，就像生物钟和天文钟一样。
03
爱因斯坦颠覆时空观
爱因斯坦在 1905 年首次发现了普通时钟之间的差异。这是他著名的狭义相对论的一个成果，这一理论基于光速恒定的前提。
在理论上，1865 年，麦克斯韦方程组预测了光速是恒定的，并推导出了光速的数值——光速在真空中大约为每秒 30 万千米。
1887 年，阿尔贝特·亚伯拉罕·迈克耳孙和爱德华·威廉斯·莫雷进行的一项著名实验证实了光速确实是恒定的。这个实验使得迈克耳孙获得了 1907 年诺贝尔物理学奖。
现在，试着想象你在一列直线行驶的火车上，火车以恒定的速度前进。也就是说，火车既不加速也不减速。
你打开手电筒的一瞬间，看着你的手表，用它来测量光线到达火车车厢的天花板所需的时间。
然后，你想象此刻你的一位朋友，正站在车站月台上。就在你做实验的时候，你的朋友看到你乘火车经过。他也有一块和你一样的手表，也测量了那条光线到达车厢的天花板所需的时间。
从你的角度来看，光线是垂直上升的。然而，从你的朋友的角度来看，光线是倾斜上升的。事实上，光线的垂直运动与火车的水平运动结合在一起了，使得光线的轨迹对于外部观察者而言显得倾斜。火车的速度越快，光线的轨迹就显得越倾斜。
由于光速是恒定不变的，因此，你和你的朋友都会计算出光线传播的距离与你们各自测量的时间之间的比率。
但对你而言，光线传播的距离更短，而对你的朋友来说则更长。这意味着，你测量的光线到达天花板的时间较短，而你的朋友测量出的时间较长。
理论上，你们的手表是一样的。但实际上，匀速行进的火车导致你的手表相对于朋友的手表走得更慢了。火车的速度越快，你的手表就走得越慢。
这尤其消除了与年轻时期的爱因斯坦有关的一个悖论：你不能骑在光束上，否则你的时间就会静止不动。
但成年后的爱因斯坦得出了更重要的结论。那就是 空间和时间并没有绝对的意义！只有空间和时间的组合才具有绝对的意义。 爱因斯坦称其为 「时空」 ，从而完成了另一个伟大的「统一」，延续了毕达哥拉斯、阿基米德、牛顿和麦克斯韦的风格。
这就是相对论这一名称的由来。事实上，空间和时间是分开考虑的，它们是相对于测量它们的人而言的。
相对于站在月台上静止不动的朋友，你测量的光线长度更短，时间更慢。换句话说， 速度会导致长度的缩短和时间的膨胀 。
特别是当你移动时，你的空间和时间会发生变化。至于变化多少，取决于你的速度与光速的比率。
然而，真空中的光速极快，大约每秒 30 万千米。在真空中，光从地球到月球只需一秒多的时间，从太阳到地球只需八分多钟。
因为你的速度很慢，所以这个比率微不足道，你几乎察觉不到任何差异。但对于高速粒子来说，这个比率非常重要，且效应显著！
1915 年，36 岁的爱因斯坦完成了他的工作。他在广义相对论中描述了加速度对空间和时间的影响，特别是引力加速度的影响。
光会受到引力的影响吗？爱因斯坦的新理论给出了答案，而且是肯定的。
不仅如此，爱因斯坦考虑了直线传播的光线，并计算出当它经过太阳这个巨大质量时它会偏离多少。1919 年，一个著名的实验验证了爱因斯坦的预测，并证实了他的理论。
现在，请注意。两点之间的最短距离是直线，如果光的路径在经过太阳附近时弯曲，那么光就会走更长的距离，所以，它通过这段路程需要的时间更长。
对于远离地球的卫星时钟，这种效应很显著。你手机上的 GPS 连接的就是这样的卫星，你可以使用 GPS 导航系统为你带路。如果 GPS 没有考虑时间的收缩，它就会计算错误，让你「误入歧途」！
时间膨胀效应也与产生它的物体的质量成正比 。例如，宇宙中的宇航员的时钟在接近地球这样的行星时会减慢得很少，而接近太阳这样的恒星会减慢得很多。当接近电影【星际穿越】中的卡冈图雅黑洞那样的黑洞时，可能会减慢得更多。
这部电影是根据一位诺贝尔物理学奖获得者的黑洞理论改编的。电影中令人惊叹的特效让它赢得了奥斯卡金像奖。电影中的画面会帮助你很好地了解黑洞附近的时间和空间会发生什么。
上文节选自图灵【天才闪耀时：改变世界的20位科学巨匠】，【遇见数学】已获转发授权。
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科学巨匠们的故事无不闪耀着智慧的光芒；理解天才们思维方式和解决问题的方法。
