來源：bigthink

撰文：Ethan Siegel

翻譯：任天

　　1925年，尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦在保羅·埃倫費斯特家中討論了很多話題。玻爾-愛因斯坦之爭是量子力學發展中最有影響的事件之一。今天，玻爾最具影響力的是他的量子貢獻，但愛因斯坦更出名的是他對相對論和質能等效的貢獻。

科學是人類智慧的結晶，那些最偉大的科學家做出了尤爲重大的貢獻。不過，即使他們作爲個人從未存在過，他們所引領的每一項偉大的科學進步最終都會發生。

如果讓普通人說出自己腦海中印象最深刻的一位科學家，你可能最常聽到的一個名字就是阿爾伯特·愛因斯坦。這位物理學家已經成爲20世紀標誌性的人物之一，在衆多科學事件發揮了舉足輕重的作用；也許正是他親手顛覆了主宰科學思想200多年的牛頓物理學。他最著名的方程，E = mc²，是如此有知名度，以至於連不知其含義的人都耳熟能詳。他因在量子物理學方面的建樹而獲得諾貝爾獎，而他最成功的理論——廣義相對論，即我們現在所用的引力理論——在首次提出100多年後，經受住了所有的檢驗。

那麼，如果愛因斯坦從未存在過，世界會有什麼不同？會不會有其他同樣偉大的物理學家出現，並取得完全相同的成就？這些科學成就會很快實現，還是要花更長時間，甚至於有些可能至今都未發生？難道我們需要一個同等份量的天才，才能實現他的偉大成就嗎？或者，我們是否嚴重高估了愛因斯坦的罕見性和獨特性，僅僅因爲他只是在正確的時間出現在正確的地點，並擁有正確的能力，就把他提升到了我們心目中不應該的至高位置？這是一個非常值得探索的有趣問題。就讓我們來一探究竟吧。

　　1919年，亞瑟·愛丁頓的觀測實驗結果表明，廣義相對論可以用於描述大質量物體周圍的星光彎曲，從而推翻了牛頓的理論。這是愛因斯坦引力理論的第一次觀測實證。

愛因斯坦之前的物理學

1905年被稱爲愛因斯坦的“奇蹟年”，當時他發表了一系列論文，而這些論文後來爲物理學的諸多領域帶來了革命性的突破。不過，在那之前的很短時間內，物理學取得了大量的進展，使許多長期以來關於宇宙的假說受到了極大的挑戰。兩百多年來，艾薩克·牛頓在力學領域裏堪稱無人能敵，他的萬有引力定律既適用於太陽系中的天體，也適用於從地球某座山上滾下來的球，或是從大炮中射出的炮彈。

在深信牛頓學說的物理學家眼中，宇宙有着莫大的確定性。如果你能寫下宇宙中每一個物體的位置、動量和質量，你就能以任意精度計算出它們在任何時刻的演變。此外，空間和時間是絕對的實體，引力以無限的速度運動，具有瞬時效應。整個19世紀，電磁學也發展迅速，揭示了電荷、電流、電場與磁場甚至光本身之間的複雜關係。有賴於牛頓、麥克斯韋和其他許多科學家的成功，物理學的很多問題似乎都已經解決了。

然而，後來的事實卻並不如人意。有些謎題似乎暗示了許多不同方向的新事物。關於放射性的最初發現使人們意識到，當某些原子衰變時，其質量實際上會有所損失。衰變粒子的動量似乎與原初粒子的動量不匹配，這表明，要麼某些過程並不守恆，要麼存在某些不可見的東西。原子不一定是最基本的粒子，而是由帶正電的原子核和離散的帶負電的電子組成。

　　較重且不穩定的元素會發生放射性衰變，通常是以發射一個α粒子（1個氦核）或經歷β衰變的形式（如圖所示），一箇中子轉換成質子、電子和反電子中微子。這兩種類型的衰變都改變了元素的原子序數，產生了與原先元素不同的新元素，並導致產物的質量低於反應物的質量。

不過，牛頓學說面臨的兩個挑戰似乎比其他的都加重要。

第一個挑戰是令人困惑的水星軌道觀測結果。其他所有行星都遵循牛頓定律，達到了測量精度的極限，而水星卻沒有。儘管考慮到近日點進動與其他行星的影響，水星的軌道仍與預測的結果存在很大偏差。水星每世紀的近日點進動差值爲43角秒，這使得許多人猜測水星內側還存在一顆行星，即“祝融星”（Vulcan，又稱火神星），但後來的研究者並未發現這顆行星。

第二個挑戰可能更令人費解：當物體接近光速時，它們就不再服從牛頓的運動方程。如果你在一列時速100公里的火車上以每小時100公里的速度向前扔出一個棒球，球的速度就將達到每小時200公里。在直覺上，這一結果很符合你的預期，而且也得到了實驗的驗證。

但如果你在一輛向前行駛的火車上，向前、向後，或任何方向打出一束光，它都會以光速移動，不管火車運動的速度如何。事實上，無論觀察者眼中光線移動的速度有多快，光速都是不變的。

此外，如果你在一輛行駛中的火車上扔一個球，但火車和球的速度都接近光速，那我們一貫認爲的“加法”就不大適用了。如果火車的速度是光速的60%，而你以60%的光速將球扔出去，那它的速度不會是光速的120%，而是光速的大約88%。儘管我們能夠描述這一過程，但無法做出解釋。這個時候，愛因斯坦出現了。

　　祝融星的假設位置。這顆假想的行星被認爲是19世紀觀測到的水星異常進動的原因。事實證明，祝融星並不存在，這一結果也爲愛因斯坦的廣義相對論鋪平了道路。

愛因斯坦的研究突破

我們很難將愛因斯坦的全部成就濃縮在一篇文章中，但他最重要的發現和理論有如下幾個。

（1）質能方程E = mc²。當原子衰變時，它們會失去質量。如果不守恆的話，這些質量會去哪裏？愛因斯坦給出的答案是：質量被轉化爲了能量。此外，愛因斯坦還給出了最終的答案：質量與能量的轉化比例就如這個著名方程E = mc²所描述的那樣，反之亦然。從那時起，我們就基於這個方程，以物質-反物質對的形式，從純粹的能量中創造了質量。在任何情況下，E = mc²都是正確的。

（2）狹義相對論。當物體接近光速時，它們會出現什麼樣的行爲？儘管它們以各種違背直覺的方式運動，但都可以用狹義相對論來描述。宇宙具有一個速度極限：真空中的光速；在真空中，所有無質量的實體都以光速進行精確的運動。如果是具有質量的實體，就永遠無法達到光速，只能接近光速。狹義相對論規定了接近光速的物體將如何加速，如何提高或降低速度，以及時間尺度會如何膨脹和收縮。

（3）光電效應。當你把光線直射到一塊導電金屬上時，它會將金屬上最鬆散的電子“踢”出去。如果增加光線的強度，會有更多的電子被踢出，而如果降低光線強度，則踢出的電子會更少。但奇怪的是，愛因斯坦發現該效應並不是基於光的總強度，而是基於超過某個能量閾值的光強度。紫外線只會引起電離，可見光和紅外線則不會這樣，無論其強度如何。愛因斯坦證明了光的能量可以被量子化爲單個光子，“電離光子”的數量決定了多少電子被踢開；沒有別的方式能夠做到這一點。

（4）廣義相對論。這是愛因斯坦所有革命性突破中最偉大和最艱苦的一項：一種全新的引力理論，適用於整個宇宙。空間和時間不是絕對的，而是構成了一種結構；其中的所有物體，包括所有形式的物質和能量，都在這種結構中穿行。物質和能量的存在和分佈，導致了時空的扭曲和演變，反過來，扭曲的時空也決定了物質和能量將如何運動。在牛頓學說失敗的地方，愛因斯坦的相對論經受住了考研，它解釋了水星的軌道，並預測了星光在日食期間將如何偏轉。從廣義相對論第一次被提出以來，還沒有任何實驗或觀測能將其推翻。

除了以上這些，愛因斯坦還在其他許多領域發揮了重要作用。他發現了布朗運動；他與其他研究者共同發現了玻色子運行的統計規律；他通過愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論（簡稱EPR悖論）爲量子力學的建立做出了重大貢獻；此外，他還提出了通過蟲洞（稱爲“愛因斯坦-羅森橋”）進行時空旅行的概念。可以說，愛因斯坦在科學領域的貢獻是絕對的傳奇。

　　在這張1934年的照片中，愛因斯坦站在黑板前，爲一羣學生和旁觀者推導狹義相對論。儘管狹義相對論現在被認爲是理所當然的，但該理論第一次被提出時無疑具有革命性的意義。

如果沒有愛因斯坦，物理學能否取得同樣的進步？

儘管愛因斯坦的科研生涯舉世無雙，但我們有許多理由相信，如果沒有他，其他研究者也會在很短的時間內取得同樣的成就。當然，我們無法確認這一點。我們讚美“愛因斯坦式的天才”，他作爲獨一無二的例子，展示了無與倫比、足以改變我們對宇宙認知的能力——他確實這麼做到了。然而，即使沒有愛因斯坦，他幾乎一切的成就很可能都會實現。

在愛因斯坦之前，早在19世紀80年代，電子的發現者、英國物理學家約瑟夫·湯姆孫便開始認爲具有移動帶電粒子的電場和磁場一定攜帶着能量。他試圖量化這種能量。這很複雜，但自學成才的英國物理學家奧利弗·亥維賽通過一組簡化的假設，對此進行了計算：他確定帶電粒子攜帶的“有效質量”與電場能量（E）除以光速（c）的平方成一定比例。亥維賽提出的比例常數是4/3，與他在1889年計算的真值1不同；弗裏茨·哈澤內爾在1904年和1905年也計算出了同樣的結果。亨利·龐加萊在1900年獨立推導出了E = mc²，但他還未完全理解這一推導結果的含義。

在沒有愛因斯坦的情況下，已經有物理學家接近完成他這個最著名的方程；不難想象，即使沒有愛因斯坦，其他的物理學家也很有可能在短時間內完成餘下的任務，這是有現實依據的。

　　這張“光子鍾”的插圖顯示，當你處於靜止狀態時（左），一個光子如何以光速在兩個鏡子之間上下移動。當你向前推進（向右移動）時，光子也以光速移動，但需要更長的時間在底部和頂部鏡子之間振盪。因此，相對運動的物體與靜止物體相比，時間發生了膨脹。

同樣，其他物理學家也已經非常接近狹義相對論了。邁克爾遜-莫雷實驗證明了光總是以恆定的速度移動，推翻了最流行的以太模型。亨德里克·洛倫茲發現了決定速度如何增加以及時間如何膨脹的變換方程，並與喬治·菲茨傑拉德各自確定了長度在運動方向上是如何收縮的。在很大程度上，這些都是引導愛因斯坦發展出狹義相對論的基礎。當然，的確是愛因斯坦將這一切綜合了起來。同樣，很難想象洛倫茲、龐加萊和其他研究電磁學和光速相互作用的人不會取得類似的突破。即使沒有愛因斯坦，這些研究者也已經非常接近狹義相對論了。

　　邁克耳孫干涉儀（上圖）顯示，如果伽利略相對論是正確的，則光干涉圖樣（下圖，實線）的變化可以忽略不計（下圖，點線）。無論干涉儀的方向是什麼，包括與地球在太空中的運動方向一致、垂直或相反，光速都是一樣的

馬克斯·普朗克對光的研究爲光電效應的發現奠定了基礎；無論有沒有愛因斯坦，光電效應都肯定會被發現。

在量子力學中，粒子可以分爲玻色子與費米子。費米和狄拉克對費米子（玻色子之外的另一類粒子，包括夸克和輕子）進行了統計，而統計玻色子的人則是印度物理學者薩特延德拉·玻色——保羅·狄拉克爲紀念他而給出了這一命名——愛因斯坦只是玻色信件的收信人。

　　這張銀河系中心附近恆星的20年延時圖像是由歐洲南方天文臺（ESO）於2018年發佈的。可以看到，這些特徵的分辨率在接近尾聲時逐漸變得銳利，靈敏度也逐漸提升；與此同時，中心恆星一直在圍繞一個看不見的點——銀河系的中心黑洞——運行，這些都與愛因斯坦廣義相對論的預測相符

可以說，如果沒有愛因斯坦，量子力學一樣也會發展得很好。

當然，廣義相對論是最重要的。愛因斯坦已經掌握了狹義相對論，開始着手研究引力。1907年，愛因斯坦提出了著名的等效原理——加速運動所受到的慣性力與引力在本質上是等價的，觀察者無法對二者進行區分。愛因斯坦本人將這一原理稱爲“他最感快樂的思想”，甚至讓他三天都沒睡好覺。不過，其他研究者也在沿着相同的路線展開思考，比如

·龐加萊將狹義相對論應用到水星軌道上，發現可以解釋觀測到的大約20%的“額外”近日點進動；

　　無論是在一枚加速的火箭當中（左），還是在地球上（右），球落地的方式都是相同的，這是愛因斯坦等效原理的一個例證。在局部區域測量加速度的結果表明，重力加速度和其他形式的加速度之間沒有區別；除非你能以某種方式觀察或獲取外部世界的信息，否則這兩種情況將產生相同的實驗結果。

·愛因斯坦的老師赫爾曼·閔可夫斯基提出了思維時空的概念——稱爲“閔可夫斯基空間”，將空間和時間編織成無法分割的時空結構；

·西蒙·紐康和阿薩夫·霍爾改進了牛頓的萬有引力定律，以解釋水星的進動，暗示一種新的萬有引力理論將解決這一難題；

·也許最令人信服的是，數學家大衛·希爾伯特也在研究非歐幾何，並提出了一個“作用量”，與愛因斯坦爲引力背景下的運動所提出的作用量實際上是等同的，之後該作用量又引出了愛因斯坦引力場方程。儘管希爾伯特並沒有完全正確地理解其中的物理含義，但我們今天仍然稱之爲“愛因斯坦-希爾伯特作用量”。

在愛因斯坦取得的所有科學成就中，廣義相對論尤爲超前。當愛因斯坦提出該理論時，其他同輩科學家還遠遠落後於他。不過，儘管可能落後幾年甚至幾十年，但毋庸置疑的是，有一些科學家已經非常接近愛因斯坦的思維，並且正沿着相同的路線展開思考。這讓我們相信，即使沒有愛因斯坦，廣義相對論最終也會出現在人類的知識領域中。

對於科學的發展，人們往往習慣於這樣一種敘述：某個人憑藉天才般的靈光一現，就發現了其他所有人都忽略的關鍵突破或思維方式；如果沒有這樣一個人，人類就永遠無法積累起非凡的知識成就。

　　這個動畫顯示了當一個質量實體穿過時空時，時空會如何反應；從定性的角度來看，時空不僅僅是一個結構整體，而是整個空間本身會因宇宙中物質和能量的存在及其屬性而發生扭曲。請注意，在描述時空結構的時候，我們不僅需要知道大質量物體的位置，還必須知道該質量在整個時間中的位置。瞬時位置和過往位置決定了物體在宇宙中運動時所受到的力，這使得廣義相對論的微分方程比牛頓的理論還要複雜。

然而，當我們更細緻地審視這些科學研究時，就會發現，許多科學成就在出現之前，就已經包含了衆多研究者的貢獻。事實上，當我們回顧歷史時，會發現同一時期已經有很多人取得了相似的認識。阿列克謝·斯塔羅賓斯基在阿蘭·古斯之前，就已經把許多關於宇宙暴脹的理論成果綜合在一起；在哈勃之前，喬治斯·勒梅特和霍華德·羅伯遜就構建了宇宙膨脹的理論宇宙；還有朝永振一郎，他在朱利安·施溫格和理查德·費曼之前就完成了量子電動力學的計算。

在許多引人注目的物理學前沿問題上，愛因斯坦是第一個跨越終點線的人。但如果他從來沒有來到這個世界上，也會有其他研究者走完他走過的路。在許多人看來，愛因斯坦擁有一種獨屬於他的耀眼天才，但幾乎可以肯定的是：天才並不像我們通常認爲的那樣獨特和罕見。通過大量的努力和一點點運氣，幾乎任何受過適當訓練的科學家，只要在正確的時間找到正確的方法，就能取得革命性的突破。