互动科普

一百年多前的11月，阿尔伯特·爱因斯坦为一个新理论完成了最后的润色工作。爱因斯坦以广义相对论取代了人们心目中最重要的科学概念——牛顿的万有引力理论，改变了人类看待现实本质的方式。在相对论中，古老的引力概念被一种奇异的宇宙观取而代之。新理论中，空间会扭曲，时间会弯折。

撰文 THOMAS LEVENSON

编译 徐寒易

一百年多前的11月，阿尔伯特·爱因斯坦为一个新理论完成了最后的润色工作。爱因斯坦以广义相对论取代了人们心目中最重要的科学概念——牛顿的万有引力理论，改变了人类看待现实本质的方式。在相对论中，古老的引力概念被一种奇异的宇宙观取而代之。新理论中，空间会扭曲，时间会弯折。

四年后，科学家在一次全日食观测中发现太阳附近的星光发生了弯折，证实了广义相对论，爱因斯坦因此一夜成名。而科学的第一教义——一个简单的事实可以摧毁最美好的理论，也再一次得到验证。

理查德·费曼（Richard Feynman）对此的描述更为优美，他写道，“观测是检验真理的终极和决定性标准”，这一信条给予了科学决定“某一件事是这样还是那样”的独特力量。从某种意义上说，这就是那些想成为科学家的孩子们（以及我们）第一次参观科学博览会、看到可口可乐加曼妥思制造的“火山”时学到的：科学之所以会进步，是因为它的每个节点都会接受现实的检验。

佐证以上理论的一个典型案例，便是英国科学家在测量了太阳附近星光路径后的发现。他们在英国皇家学会的一次会议上报告了观测结果，他们的数据更符合爱因斯坦的预测，与牛顿的经典理论矛盾。这是一个清楚又简单的观测结果：光沿着时空的等高线弯曲了。两百岁的牛顿宇宙观就这样轰然崩塌。

但是问题在于，事实并非如此。

阿尔伯特·爱因斯坦的理论没有必要等待四年。在他完成广义相对论的终稿前一周左右，就已经知道大自然站在了他这一边。他在计算时发现，其他科学家那些看似由测量不精而造成的微小误差能够被他的理论完美解释。对爱因斯坦来说，这就够了：广义相对论是正确的。

乍一看，这似乎是另一个能佐证费曼所言的故事。但实际上，此前的半个多世纪里，这个能坐实广义相对论的行星之谜都无人能解。没有人意识到它的本质，连爱因斯坦也到最后才恍然大悟：原来它能彻底击垮牛顿的经典理论。事实上，科学家们花了几十年寻找这颗牛顿经典理论下理应存在的行星，但却一无所获。

1859年，科学家在对水星轨道的一次分析中发现了一个偏误。这个最靠近太阳的行星，其轨道的计算结果与观测之间存在一个小于万分之一的“误差”，而这无法被太阳系内任何重力源所解释。牛顿重力理论框架提供了一条非常自然的解释：如果计算中涵盖了所有已知天体，那么一定有一个横在水星和太阳之间的未知星体，只有它的存在才能够解释水星轨道的异常。

这个理论上存在的天体几乎立刻粉墨登场。1859年12月，人们观测到了它短暂的凌日现象。它是如此理所当然，人们迫不及待地给它取了个名字：“火神星”（Vulcan）。当时的天体摄影技术（即将相机装载在天文望远镜上摄像）尚未成熟，因此这次凌日其实是通过绘画和文字记录的，只有当其他科学家重复地观察到这样的现象，才能确证它的存在。实际上，没有人对这次凌日进行证实，当然这也无关紧要，因为在接下来的20年里，科学家和严肃天文爱好者们至少十几次“观察”到了火神星的存在。

最后一次“大发现”发生在1878年的美国日全食期间。底特律天文台台长詹姆士·沃森（James Watson）在昏暗狭窄的太阳临边（limb）里发现了一个小小的红点，他认为那就是火神星。不幸的是，美国联邦政府设立的八大天文台当时也在观测日食，其他天文学家没有发现任何异常。

至此，科学家终于达成了一致：这些“大发现”，要么是看花眼，要么是太阳黑子，要么是他们认错了其他天体，要么只是一个妄想。火神星看起来确实应该存在，因为在牛顿的宇宙学中它必须存在。但事实并非如此。

接下来的事情可想而知，只不过没人敢站出来质疑而已。牛顿会不会搞错了？一些天文学家提出了针对性的解释：或许太阳的中段比我们想象得更宽（事实并非如此）；或许有太阳周围有一个我们看不见的尘埃环对水星施加了引力（没有这种尘埃环）；或许我们可以调整牛顿理论中的常数让计算结果符合观测（行不通）。接下来的30年里，水星轨道的异常问题逐渐被人遗忘。一边是现代科学历史上最成功的理论，一边是一个无法解释的微小异常。事情到此为止，没有人再提出质疑。

然而，对牛顿理论的最后挑战还是到来了。1905年，爱因斯坦发表狭义相对论，在这个理论中，以不同速度运动的观测者观测到的时间流逝以及空间大小是不同的。到了1907年，爱因斯坦意识到狭义相对论与经典的运动以及引力理论相悖。在牛顿眼中，空间不会阻滞引力的作用，太阳对地球施加的引力没有时滞。但爱因斯坦认为，没有任何东西的运动速度可以超过光速，其中包括引力。

除此之外，爱因斯坦还发现了一些其他问题。但让爱因斯坦将狭义相对论扩展为引力理论的，不单是一次异常的观测结果，而是其与经典理论的对峙。他花了8年时间完成这个更宏观的理论。1915年11月，他终于找到一个新的宇宙观，能量和物质会使时空变形；他还搭建起了新宇宙观下计算质能关系的数学框架。

当爱因斯坦最终调整好相对论的数学体系，准备计算真实世界的数据时，他选择了一个距离恒星颇近的行星：水星。在当年11月11日到18日间的那一周的某天，他把数据带入公式。二十四步计算后，他得到了答案。水星的轨道、所谓的火神星引起的轨道偏移以及其他一切，全部都在这张纸页上得到了解释。他写道，“这个理论与观测完全相符。”

爱因斯坦因此知道自己是对的。他曾告诉一个朋友，当他看到水星从他的公式里“跳脱”出来时，他感觉心脏都停止跳动了。他告诉另外一个朋友自己“高兴极了”。没有必要等待日食发生，这也是为什么他曾说，如果英国人带回来的数据“错了”，“我会为上帝感到遗憾，因为我的理论是对的。”

一个世纪以后，我们在此赞美广义相对论以及爱因斯坦对于宇宙运行方式的全新想象。如今的火神星只是天文学史上一个微不足道的注脚。尽管如此，火神星还是有它的用处。与人们对科学产生的迷思不同，事实并非自发、孤立的存在，它们的意义产生于人类对其进行阐释的过程，存在于人类对其进行阐释的框架下。多亏了火神星，否则人类几乎无法将认知的视野从“理因如此”拓展到“事实为何”。

人们将火神星视作真实存在的那几十年，代表了人们幻想中的科学进程与真实科学的日常进程间的巨大鸿沟。火神星的传奇故事可能是一个最贴切的例子，它证明了在一片杂芜中找到决定性的观测结果是多么困难，但这并不是唯一的例子。

大陆漂移学说背后吊诡的地质学以及化石的证据，助长了人们对其长达半个世纪的抗拒；悉达多·穆克吉（Siddhartha Mukherjee）在《众病之王：癌症传》（The Emperor of All Maladies）这本书中记录道，人们对“治愈”一种被误解的疾病的执念，使得整整一代人对癌症的复杂性视而不见；物理学家花了几十年才弄清那些证明光速不随观测而改变的实验——那时，只有年轻的爱因斯坦正儿八经地拿这些实验当回事，并且从中归纳出了他的第一个相对论理论。

从长远来看，这是一条真理：现实会对任何理论的对错进行终极的权威裁判。但目前（或者任何时候），科学意义的彰显过程总是痛苦和漫长的。生于1859、死于1915年火神星并非一则轶事，对我们来说，它是个警示。

原文链接：

http://www.theatlantic.com/science/archive/2015/11/science-doesnt-work-the-way-you-think-it-does/414744/

更多精彩内容，请关注“”（keyanquan）

未经许可请勿转载，获得授权请联系 contact@linkresearcher.com 或致电 010-85321181。