（作者：加来道雄，美国理论物理学家，科普作家）
如果在创世时我在的话，我会给出一些有用的暗示，让宇宙的秩序变得更好。
——阿方斯·怀斯（AlphonsetheWise）
该诅咒的太阳系。这里光线太坏、行星太遥远、彗星令人烦恼、发明才能太弱，我能创造一个更好的宇宙。
——洛尔·杰费里（LordJeffrey）
莎士比亚在戏剧《因为你喜欢它》中写下一段不朽的话：整个世界是一个舞台，所有的男人和女人只是演员，他们都将进场和退场。
在中世纪，世界的确是一个舞台，但它是一个小的静态的舞台，是由一个小的扁平的地球构成的，在它周围有天体以其完美的天体的轨道神秘地绕它运动。彗星被看做是预示国王死亡的预兆。当1066年的大彗星掠过英国的上空时，它吓坏了哈罗德（Harold）国王的撒克逊（Saxon）士兵，他们很快输给了征服者威廉（Willian）的进攻得胜的军队，奠定了现代英国形成的舞台。
同一颗彗星1682年又一次掠过英国的上空，又一次在整个欧洲引起恐慌。似乎每一个人，从农民到国王都被这颗扫过天空的意想不到的天上游客所迷惑。这颗彗星从何处来？到何处去？它意味着什么？
埃德蒙·哈雷（EdmundHalley）是一个富有的绅士，一个业余天文学家，他对这颗彗星十分着迷，于是他去征求他那个时代最伟大的科学家之一，艾萨克·牛顿的意见。当他问牛顿是什么力可能控制这颗彗星的运动时，牛顿平静地回答：这颗彗星沿椭圆轨道运动，这是由与距离平方成反比的力决定的。（即作用在这颗彗星上的力随着离开太阳距离增加按平方关系而减小。）牛顿说，他已经用他发明的望远镜，即今天全世界天文学家所用的反射望远镜跟踪这颗彗星，它的轨道遵循他在20年前建立的重力定律。
哈雷感到震惊，有些不大相信，他说：“你怎么知道的？”牛顿回答道：“什么？我计算出来的。”哈雷做梦也没有想到自人类开始凝视天空就一直使他们迷惑的天体的秘密能够用新的重力定律来解释。
哈雷认识到这一突破的巨大意义，他慷慨地提供经费出版这一新的理论。1687年，在哈雷的鼓励和资助下，牛顿发表了他的巨著《自然哲学的数学原理》（PhilosophiaeNaturalisPrincipiaMathematica/MathematicalPrinciplesofNaturalPhilosophy）。这部著作受到热烈欢迎，被看做是从未发表过的最重要的著作。一瞬间，不知道太阳系规律的科学家突然能够极其精确地预计天体的运动了。
“原理”一书在欧洲的沙龙和朝廷的影响是如此巨大，以至诗人亚历山大·蒲伯（AlexanderPope）写道：自然和自然规律埋藏在黑暗之中，上帝说：让牛顿去发现它！让一切大放光明。
（哈雷认识到：如果这颗彗星的轨道是一个椭圆，人们也许能够计算什么时候它会再次掠过英国上空。寻找历史记录，他发现1531、1607和1682年的彗星的确是同一颗彗星。就是这颗彗星曾经在1066年创建现代英国时起了关键的作用，在整个有记录的历史上人们都曾看到这颗彗星，包括朱利叶斯·恺撒〔JuliusCaesar〕。哈雷预计这颗彗星将在1758年回来。这时牛顿和哈雷都早已去世。当这颗彗星精确地按照日程表在这一年的圣诞节返回时，人们把这颗彗星命名为哈雷彗星。）
牛顿早在20年前发现了万有引力定律，那时鼠疫迫使剑桥大学关闭，牛顿被迫回到他在伍尔斯索普（Woolsthorpe）的乡村庄园。他深情地回忆到：他在庄园周围散步时看到一个苹果掉下来。这时他问了自己一个最终改变人类历史进程的问题。他问道：如果苹果掉下来了，月亮也会掉下来吗？在天才的一闪念间，牛顿认识到苹果、月亮和行星全都服从同一个重力规律，即在与距离平方成反比的重力作用下它们全都会下落。当牛顿发现17世纪的数学太原始不能解这个重力定律时，他发明了数学的新分支——微积分，用来确定下落苹果和月球的运动。
“原理”一书也包含牛顿写下的力学定律，即确定地面物体和天体抛物线轨道的运动定律。这些定律奠定了设计机械、利用蒸汽能、制造机车的基础，这些进步为工业革命和现代文明铺平道路。今天，每一座摩天大楼、每一座桥梁和每一枚火箭都是按照牛顿的运动定律建造的。
牛顿不仅给了我们永恒的运动定律，他也改变了我们的世界观，给了我们全新的宇宙描绘，在这个宇宙中控制天体的神秘定律是与控制地面物体的定律相同的。生活的舞台不再被可怕的天上的征兆所包围，应用到演员的定律也能应用到布景上。
本特利悖论因为“原理”是这样一部雄心勃勃的巨著，所以它在宇宙构造问题上引起了一个令人烦恼的矛盾。如果世界是一个舞台，它有多大呢？它是无限的还是有限的呢？这是一个古老的问题，甚至罗马哲学家卢克莱修（Lucretius）也对这个问题着迷，他写道：“宇宙在任何方向都是没有边界的。如果它有的话，在某个地方必定有一个界限。但是显然除非在一件东西的外面有其他东西包围，否则这件东西不可能有界限……整个宇宙在所有尺度，在这一侧或那一侧，向上或向下都没有端点。”
但是牛顿的理论也揭示出任何有限和无限宇宙理论所固有的矛盾。最简单的问题也会使你陷入矛盾的泥潭。即便是牛顿沐浴在由于发表了“原理”一书所给他带来的荣誉之中，他发现他的重力理论存在一些矛盾。1692年，一个名叫列夫·里查德·本特利（Rev1RichardBentley）的牧师写了一封措辞谨慎的、坦率的，但是令人烦恼的信给牛顿。本特利（Bentley）写道：因为重力总是吸引的，绝不是排斥的，这就意味着任何星星的集合将会自然地聚集到一起。如果宇宙是有限的，那么夜晚的天空不会是永恒的和静态的，当星星彼此相撞聚合成一个燃烧的超级星球时，我们看到的将是一幅难以置信的惨不忍睹的大屠杀情景。但是本特利也指出：如果宇宙是无限的，作用在任何物体上的力，向左的和向右的，也是无限的，因此星星将被撕成碎片。星星将出现火灾，并被撕裂开来。
最初，本特利（Bentley）似乎把牛顿将死了。宇宙要么是有限的（将聚集成一个火球），要么是无限的（所有的星星将爆炸而撕开）。不管哪种可能性，对牛顿提出的年轻的理论来说都是一场灾难。这个问题在历史上第一次揭示出将重力理论应用到整个宇宙时所产生的矛盾。
在仔细思考之后，牛顿回了信，他在争论中找到一个论点。牛顿倾向于宇宙是无限的，但它是完全均匀的。因此，如果一颗星星被无限数量的星星拉向右，它就会被另一方向的另一个无限系列的星星拉向左，从而抵消了前者的作用。在每一个方向所有的力是平衡的，产生一个静态的宇宙。因此，如果重力总是吸引的，对本特利（Bentley）悖论的唯一解答是宇宙必须是均匀的、无限的。
牛顿在与本特利（Bentley）的争论中找到了一个论点。但是牛顿聪明地认识到他的回答是软弱无力的。他在一封信中承认：尽管他的回答技术上是正确的，但内在是不稳定的。牛顿的均匀的、无限的宇宙就像一座用纸牌搭成的房屋，稍有风吹草动就会使它坍塌。人们可以计算得出：只要有一颗星星晃动一点，马上就会引起连锁反应，星团就会立刻开始崩溃。牛顿的软弱无力的回答只能乞求“神的力量”防止这个纸牌建造的房屋不致倒塌。他写道：“需要一个持续不断的奇迹来防止太阳和恒星在重力作用下跑到一块儿。”
对牛顿来说，宇宙就像一个在创世之初由上帝拧紧了发条的巨大的钟表，从此以后根据他的运动三定律滴答滴答地走动，不再有神的干预。但是，有的时候神也不得不偶尔干预一下，将宇宙再拧一下使它不致崩溃。（换句话说，上帝不得不偶尔干预一下，以防止生活舞台的布景不至崩溃落到演员的头上。）
奥尔贝斯悖论牛顿知道在任何无限的宇宙中有着更深层次的矛盾，叫做奥尔贝斯（Olbers）悖论，这个悖论是从夜晚天空的背景为什么是黑色产生的。早至约翰尼斯·开普勒（JohannesKepler）时代的天文学家就认识到：如果宇宙是均匀的和无限的，那么不管你向哪看，你都会看到从无数个星星发出的光。凝视夜晚天空的任一点，我们的视线将最终穿过不计其数的星星，接收到无限数量的光线。因此，夜晚的天空应该是一片火海！但事实是，夜晚的天空是黑的，不是白的，几个世纪以来这成了一个微妙的，但是意义深远的宇宙矛盾。
这个悖论像本特利（Bentley）悖论一样，看上去简单，却使很多代的哲学家和天文学家苦恼。本特利（Bentley）悖论和奥尔贝斯（Olbers）悖论都与观察有关，在一个无限的宇宙中，重力和光线可以产生无限多个没有意义的结果。几个世纪以来，人们提出了很多不正确的回答。开普勒（Kepler）被这个悖论困惑得走投无路，只得推测宇宙是有限的，被一个外壳所包围，因此只有有限数量的光线能够到达我们的眼球。
对这个悖论的回答是如此混乱，以至1987年的一项研究表明：70%的天文学教科书都给出不正确的回答。
起初，人们说光线被尘云吸收了，想由此解答奥尔贝斯（Olbers）悖论。1823年海因里希·威廉·奥尔贝斯（HeinrichWilhelmOlbers）第一次清楚地叙述这个悖论时，他本人就是这样回答的。奥尔贝斯（Olbers）写道：“地球是多么幸运啊，不是天穹每一点的光线都能到达地球！要不然亮度和热度将不可想象，比我们经受的要高90000倍，只有全能的上帝才能设计出能在这种极端环境条件下生存的生物体。”奥尔贝斯（Olbers）提出：为了地球不沐浴在像太阳光盘那样明亮的背景中，尘云必须吸收大量的热，地球上的生命才能够生存。例如，我们所在的银河星系的火焰中心，在夜晚的天空中本应特别耀眼，但实际上它藏在了尘云的背后。因此当我们遥望银河系中心所在的人马星座（Sagittarius）的方向时，我们看到的不是闪烁的火球，而是一片黑暗。
但是尘云不能真正解释奥尔贝斯（Olbers）悖论。经过一个无限长的时间周期，尘云吸收来自无数星球的光线，最终将和星星表面一样发光。因此，尘云在夜晚的天空应发光。
同样，人们可以假定：星星离得越远就越暗淡。这是对的，但不能回答这个悖论。如果我们观察夜晚天空的一部分，非常遥远的星星的确很暗，但是你看得越远，你看到的星星就越多。在均匀的宇宙中这两者的效果互相抵消，夜晚的天空仍然应该是白的。（这是由于光线的强度随距离的平方减小，星星的数量随距离的平方增加，两者抵消。）
非常奇怪的是，历史上第一个解决这个悖论的人是一位美国的神秘作家埃德加·爱伦·坡（EdgarAllenPoe），他是一位天文学的长期的业余爱好者。就在他临死之前，他在一篇叫做《欧雷卡》（Eureka）的充满哲理的散文诗中发表了他的很多观察。其中有非常精彩的一段话：如果星星的系列是没有止境的，展现在我们面前的天空的背景应是均匀照明的，像银河系所显示的那样。因为在整个背景中绝不可能找到一个地方没有星星。因此，在这种情况下为什么我们的望远镜在数不清的方向什么也看不见的原因是：不可见的背景距离是如此遥远，以至根本没有光线能到达我们。
他最后说：“到目前为止这个想法太美妙了，还无法证实。”
这是正确回答问题的关键。宇宙不是无限的老。它有起源。到达我们眼球的光线有一个有限的分离点。从最遥远星星来的光线还来不及到达我们。宇宙学家爱德华·哈里斯（EdwardHarrison）首先发现爱伦·坡解决了奥尔贝斯（Olbers）悖论。他写道：“当我第一次读到爱伦·坡的诗时，我惊呆了。一个诗人，最多是一位业余科学家，怎么能在140年前就认识到正确的答案，而在我们的学院里却一直讲解着错误的结论？”
1901年，苏格兰的物理学家洛德·开尔文（LordKelvin）也发现了正确的答案。他认识到：当你遥望夜晚的天空时，你看到的是它过去的样子，而不是现在的情况。因为光的速度尽管按照地球的标准是非常之快（每秒186282英里〔每秒300000千米〕），但仍然是有限的，光从遥远的星球到达地球需要时间。洛德·开尔文（LordKelvin）计算得出：要想夜晚天空是白的，宇宙的范围必须扩大到几百万亿光年。但是因为宇宙的年龄没有万亿年，所以夜晚天空一定是黑的。（还有第二个夜晚天空为什么是黑的理由，星星的寿命是有限的，以几十亿年计。）
近来，利用哈勃空间望远镜已经有可能实验验证爱伦·坡解答的正确性。这些强大的望远镜又使我们能够回答甚至是孩子也能提出的问题。最远的星在哪里？在最远的星之外有什么？为了回答这些问题，天文学家为哈勃空间望远镜编制了程序以执行一项历史性的任务：拍摄宇宙最远之处的快照。为了捕捉最深层空间角落的极其微弱的辐射，该望远镜必须完成一项前所未有的任务：在总共几百小时的时间内精确地瞄准猎户星座（Orion）附近天空的同一点，这要求该望远镜在围绕地球运转400圈的时间内要完全对准。此项目是如此之困难，不得不花费4个月的时间才完成。
2004年，全世界的报纸以头版头条新闻发布了一张极有吸引力的照片。这张照片展示从大爆炸之初的混沌中凝缩出来的10000个幼稚的星系。空间望远镜科学研究所的安东·柯克莫尔（AntonKoekemoer）宣称：“我们可能已经看到创世的终结。”此照片显示离开地球130亿光年的一团暗淡的星系，也就是说光要花费130亿年的时间才能到达地球。因为宇宙本身的年龄只有137亿年，这意味着这些星系是在创世后大约5亿年的时间形成的，这时第一批星星和星系正从大爆炸留下的气体中凝缩出来。该研究所的天文学家马西莫·斯蒂瓦韦里（MassimoStivavelli）说：“哈勃把我们带到离开大爆炸本身只有一箭之遥。”
但是又有问题产生了：在最远的星系外面有什么呢？当你凝视这张非凡的照片时，很明显在这些星系之间只有黑色。它是一个来自遥远星球光线的一个最终的分离点。然而，这些“黑色”实际上又是微波背景辐射。因此，对夜晚天空为什么是黑色的最终回答是：夜晚天空实际上根本不是黑的。（如果我们的眼睛能够或多或少看到微波辐射，不只是可见光，我们就会看到来自大爆炸的辐射充满夜空。在某种意义上，来自大爆炸的辐射出现在每晚的夜空。如果我们的眼睛能够看到微波，我们就会看到位于最远的星星之外的创世主。）
爱因斯坦的反叛牛顿定律是如此地成功，以至科学花费了200多年的时间才进入下一个决定性的步骤，开始了阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）的工作。
爱因斯坦开始他的事业时，似乎没有什么可能令他成为这样一次革命的候选人。他1900年毕业于瑞士苏黎世（Zurich）工学院，获得学士学位。毕业后他发现自己没有什么希望被雇佣。他的生涯被他的教授们破坏了，他们不喜欢这个常常旷课、不懂礼貌、过于自信的学生。他的恳求的、压抑的信可以说明他的痛苦程度。他把自己看成是一个失败和他双亲的一个痛苦的经济负担。他在一封令人痛苦的信中承认他甚至想结束自己的生命，他沮丧地写道：“我可怜的父母命运很惨，这么多年来没有一刻快乐过，这像一块沉重的石头压在我的心上……我只是我双亲的负担……也许我死了会更好一些。”
在绝望中，他想到转变职业，加入了保险公司。他甚至担任了教孩子这样的低级的工作，但是由于与老板的争吵被解雇了。当他的女朋友米列娃·马里克（MilevaMaric）意想不到地怀孕之后，他悲痛地认识到，由于他没有财力娶她，他们的孩子生下来将是私生子。（到现在也没有人知道他的私生女利泽劳尔〔Lieseral〕后来怎样了。）当他父亲突然去世时，他感到深深地悲痛，从此留下的感情的伤疤永远也没有完全恢复。他的父亲临死时还在想他的儿子是一个失败。
尽管1901年到1902年大概是爱因斯坦一生中最差的时期，他的同班同学马塞尔·格罗斯曼（MarcelGrossman）通过拉关系，为他在伯尔尼（Bern）的瑞士专利局找到一个可靠的低级职员的工作，挽救了他的生涯。
相对论的矛盾从表面上看，专利局不大可能成为启动自牛顿以来物理学伟大革命的地方。但是专利局有它的优点。在迅速处理完堆在桌上的专利申请之后，爱因斯坦会靠在座椅的靠背上，回到他童年时的梦想。他年轻的时候读了一本亚伦·伯恩斯坦（AaronBernstein）的书，《自然科学的名人》（People’sBookonNaturalScience）。他回忆道：“这本书我一口气将它读完。”伯恩斯坦（Bernstein）要读者想象，当电流跑过电报线时你在电流的旁边和它一起跑。爱因斯坦16岁时问自己一个简单的问题：如果你能赶上光线它会是什么样子？爱因斯坦回忆道：“这样一个从矛盾中得出的原理在我16岁时就偶然发现了：如果我以速度c（光在真空中的速度）追赶一束光线，我应当看到这束光线作为空间振荡的电磁场是静止的。然而，不管是根据经验还是根据麦克斯韦（Maxwell）方程，似乎不会有这样的事情发生。”爱因斯坦想：如果你能和光线一起跑，它看起来应是冻结的，像一个不运动的波。然而，以前没有人看到过冻结的光线，因此一定是有什么事情大错特错了。
在19世纪末20世纪初，物理学有两大支柱：牛顿力学理论和重力，以及麦克斯韦（Maxwell）的光的理论，万物都依赖这两个支柱。在19世纪60年代，苏格兰物理学家詹姆士·克拉克·麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）证明光是由彼此不断改变的振动的电场和磁场构成的。使爱因斯坦震惊的是，他发现这两个支柱是互相矛盾的，二者之一必须否定。
在麦克斯韦（Maxwell）方程的框架范围内，爱因斯坦找到了困扰他10年的难题的解答。爱因斯坦发现了麦克斯韦（Maxwell）本人忽略的一些地方，麦克斯韦（Maxwell）方程指出无论你试图以多快的速度追赶光线，光线都以固定的速度传播。光速c在所有惯性坐标框架（即匀速运动的框架）中都是相同的。不管你是站着不动、或是坐在火车上、或在飞速掠过的彗星上，你都会看到光线以同样的速度向你驶来。不管你跑得有多快，你绝不会超过光线的速度。
这立刻会产生一堆矛盾。你想象一下一个太空人追赶飞速行进的光线。太空人在他的火箭船中点火起飞，直到他与这束光线并肩前进。对于在地面上观看这个假想追赶的旁观者来说，他会说太空人和这束光线是肩并肩移动的。然而，太空人的说法则完全不同，他说这束光线飞速地离他而去，就好像他的火箭船静止不动一样。
爱因斯坦面临的问题是：同一件事，为什么两个人的说法完全不同呢？按照牛顿的理论，人们总有可能追上光线；而在爱因斯坦的世界中，这是不可能的。他忽然认识到，在物理学最基础的地方有一个基本的缺陷。在1905年的春天，爱因斯坦回忆道：“在我的大脑中刮起了一场暴风雪。”爱因斯坦在一闪念之间找到了答案：时间跳动的速率是不同的，取决于你运动得多快。事实上，你运动得越快，时间进展得越慢。时间不是像牛顿所想的那样是绝对的。根据牛顿，在整个宇宙中时间的节拍是均匀的，因此在地球上过了1秒，在木星和火星上也过了1秒，在整个宇宙中时钟的节拍是绝对同步的。然而，对爱因斯坦来说，在整个宇宙中时钟的节拍是不同的。
爱因斯坦认识到：如果时间的节拍可以依赖你的速度改变[1]，那么其他量，如长度、质量和能量也会改变。运动得越快，距离收缩得越多（有时叫做洛伦茨菲茨杰拉德〔Lorentz2FitzGerald〕收缩）。类似地，运动得越快，重量变得越重。（事实上，当你接近光速时，时间将减慢到停止，距离收缩到零，重量变得无限大，看起来荒谬可笑。这就是为什么不能突破光障的原因，光速是宇宙中的速度极限。）
一位诗人是这样描述这个奇怪的空间时间扭曲的：有一个叫菲斯克（Fisk）的年轻小伙子他的剑术非常敏捷。
他舞剑的速度是如此之快，由于菲茨杰拉德（FitzGerald）收缩他的细长的剑缩成了一个盘。
与牛顿的突破统一了地面上的物理学和天体物理学一样，爱因斯坦统一了空间和时间。他还指出物质和能量也是统一的，因此可以彼此转换。如果一个物体运动越快，它变得越重，这意味着运动的能量转换成了物质。反过来也是对的，物质也可以转换成能量。爱因斯坦计算出物质能转换成多少能量，他得出的计算公式是E=mc2，即一小点质量当它转换成能量时要乘一个巨大的数字（光速的平方）。这样，照亮宇宙的星星的能源的秘密被揭示出来了，它是物质通过这个方程转换成能量的结果。星星的秘密可以从以下简单的陈述中得出：在所有惯性框架内光速是相同的。
和他之前的牛顿一样，爱因斯坦改变了我们生活舞台的世界观。在牛顿的世界中，所有的演员都精确地知道现在是什么时间和距离怎样测量。时间的节拍和舞台的尺度绝不会改变。但是相对论给我们一种奇异的方式来理解空间和时间。在爱因斯坦的宇宙中，所有的演员都有自己的手表，显示的时间不同。这意味着不可能同步舞台上所有的表。规定在中午排练对不同的演员意味着不同的时间。运动越快，手表的节拍越慢，演员变得越重越胖。
经过了好多年，爱因斯坦的见识才被科学界的大部分人所承认。但是爱因斯坦没有停步，他想把他的新的相对论应用到重力上。爱因斯坦认识到这会是多么困难，他将挑战他那个时代最成功的理论。量子论的奠基人马克斯·普朗克（MaxPlanck）提醒他：“作为一个老朋友，我必须再次劝告你，首先你不会成功，即便你成功了也没有人会相信你。”
爱因斯坦认识到：他的新的相对论违背了牛顿的重力理论。按照牛顿，重力在一瞬间传遍整个宇宙。但是这提出了一个甚至孩子有时也会问的问题：“如果太阳消失会发生什么？”对牛顿来说，整个宇宙会同时在瞬间看到太阳消失。但是根据狭义相对论，这是不可能的，因为星星的消失是受光速限制的。根据相对论，太阳忽然消失应会发出球面重力冲击波，以光的速度向外传播。在冲击波的外面，观察者会说太阳还在发光，因为重力还来不及到达他们。但是在冲击波之内，观察者会说太阳消失了。为了解决这个问题，爱因斯坦引进了面貌全非的空间和时间描绘。
人学网·宇宙探索栏目责编：自然子
