作者：舒天丹,仇静
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科学的黑屋(上册)试读：
前言
宇宙茫茫，星空浩瀚。亿万年来，宇宙每天都在人类的面前，炫示着她的神奇与伟大，灿烂与深邃。
亘古永恒的宇宙时空，时时在演绎着如歌如梦的天地玄妙，处处伏掩着似真似幻的远古谜团。于是，怀着敬畏，也充满着向往的人们，无数次面对苍穹，向天发问：
是谁创造了如此绚丽多彩的大自然？又是谁赐予了人类最宝贵的生命？在无垠的宇宙中，人类是否就是惟一的生命？那些辉煌的史前文明究竟是谁的杰作？除了我们，还有谁曾造访到太阳系中这惟一蔚蓝色的星球？谁能告诉我们天有多高，地有多深，天高地深中都有些什么？……
伟大的科学家爱因斯坦曾说过，“我们所经历的最美妙的事情就是神秘，它是人的主要情感，是真正的艺术和科学的起源”。
尽管今天的人类，科学高度发达，我们可以上九天揽月，可以下深海探秘，但人类仍有太多的疑问、太多的谜团；我们可以分裂原子，改变基因，克隆生命，再造物种，但人类仍有太多的梦想、太多的期待。于是，疑问与谜团，梦想与期待，便给了我们破解人类文明与科学未解之谜的精神和勇气，给了我们心灵遨游未知世界的动力。人类的历史，也正是在不断探索和破解未知世界的过程中，不断地向前迈进。
我们所主编的这套《破解人类文明与科学之谜》丛书，内容极为丰富，包括《破解的天书》、《真实的梦幻》、《复活的古城》、《古老的密码》、《出土的谜团》、《灾祸的降临》、《科学的黑屋》、《大脑的神奇》、《人类的奥秘》、《生命的密码》、《身体的透视》、《长寿的钥匙》。它向读者展示了人类在时空长廊里考证历史的回响、发掘生命的秘密、探寻太空的谜团、破解文明的神秘，所揭示的神奇绚丽的壮阔画卷，将让我们的视野更加开阔，将使我们的心灵感到震颤。
揭示人类文明之谜，需要科学严肃的态度，需要建立在丰富的知识与缜密的思维的基础上。如果只是对科学一知半解就断然下结论，那将是幼稚可笑的。我们希望更多的人、尤其是广大的青少年读者，以严谨、求实的科学态度，对待种种神秘现象。只有这样，才能更接近真理，查清真伪，破解宇宙间未知现象的真实本质。
人类的进化，从来都是以一连串的问号开始的，始终都是以一系列的答案发展的。虽然，今天人类的未知世界依然非常广阔，太多的未解之谜依然等待着人们去探索与破解。但永不屈服与不懈的挑战，从来都是人类的优秀传统。为了未来的生存与发展，为了明天的光荣与梦想，谜底将逐渐被揭开，文明将不断被创造，一个无限美妙与神奇的新世界，将在未来向人类招手。
我们期待着这一天。舒天丹 仇静2006年春节于北京
第一章：物质构造之谜：物质是无限的吗
人类一方面放眼苍穹，一方面注目玄微。近代以来的科学发现，物质是由分子组成，分子是由原子组成。在发现电子的基础上，200世纪人们又了解到原子是由原子核和电子组成，原子核是由质子和中子组成的。质子和中子是由强相互作用力结合在一起，它们之间交换介子，形成了原子核。参与强相互作用力的基本粒子叫强子，能把它们再打碎吗？如果宇宙是一座大厦，宇宙之砖究竟有多小呢？
长期以来，科学家认为：找到夸克有赖于揭示真空的本质。但人类能否找到自由夸克呢？
1.夸克到底是怎么回事
我国古代哲学家庄子说：“一尺之棰，日取其半，万事不竭。”指出了物质的无限可分性。但是，人们对物质的无限可分性是逐步认识到的，夸克模式的提出，就是人的这一认识的深化。
在人们开始认识物质世界的时候，就提出了各种各样的说法。古希腊的一些哲学家认为，世上各种各样的物质，都是由一些永远不变、不可再分的基本单位构成，他们把这种基本单位叫原子。直到16世纪后叶，才由物理学家证实了原子的存在。后来意大利科学家阿伏伽德罗又提出了分子学说，补充了道尔顿的原子论。由此人们便形成了这样一种思维模式：物质由分子组成，分子由原子组成，原子不能再分。
到19世纪末，原子不可分的模式受到了冲击。美国科学家汤姆逊发现了比原子小得多的粒子——电子。接着科学家们查明，原子中心有一个很小的原子核，有些电子围着原子核运转。到20世纪30年代，人们又发现了原子核是由质子和中子组成的。质子带正电，中子是电中性，二者比电子重1800多倍。后来在宇宙线中又发现了电子的反粒子——正电子，同电子一样重，但带正电。后来人们又发现，电磁波和光也是由叫光子的粒子组成的。这样，人们就发现了比原子更深入的一个新层次——属质子、中子、电子一个层次的正电子、中微子、u子、τ子等。人们以为发现了构成物质世界的最基本单位，因此就称为基本粒子，认为他们是组成各种物质的永远不变、不可再分的基本单位。
可是后来人们发现的一些现象说明，基本粒子并不“基本”，在强子内部，还应有更小、更基本的东西。
对此，日本物理学家坂田昌一于1956年提出了著名的坂田模型，认为强子是由质子、中子、Λ超子等三种基础粒子及其反粒子组成。到了1964年，美国物理学家盖尔曼改进了坂田模型，保留了三种“基础粒子”，但不是质子，中子和Λ超子，而是由某种未知的、具有一定对称性的东西——夸克组成。为什么叫夸克呢？说起夸克的命名还有一个有趣的故事。在英国小说家詹姆斯·乔依斯的小说《劳尼根斯彻夜祭》中，有这样几句诗：“夸克……夸克……夸克”，三五海鸟把脖子伸直，一齐冲着绅士马克。除了三声“夸克”，马克一无所得；除了冀求的目标，全部都归马克。至高无上的天帝，把身子躲在云里窥视下界，不由得连连叹息。马克先生啊，可笑可怜：黑暗中拼命呼唤着——“我的衬衣，衬衣，”为找我那条沾满污泥的长衣裤，蹒跚在公园深处，一步一跌。
小说描绘了劳恩先生的生活情况。他有时以马克先生的面目出现。夸克指海鸟的鸣叫声，又指马克的三个儿子，而马克又时时通过儿子的行为来表现自己。盖尔曼设想在一个质子里包含着3个未知粒子，便随意地给他取名为“夸克”。我国则习惯把“夸克”叫“层子”，意为比电子、质子、中子这些基本粒子更下层的粒子。
盖尔曼的夸克模式指出，这种粒子的最大特点是带分数电荷，并设想可能存在三种夸克——质子夸克、中子夸克和奇异夸克。到1974～1976年间，有人又把夸克家族增加到6个，即粲夸克、上夸克、下夸克。
既然设想到了夸克的存在，那么夸克到底在什么地方呢？有人认为夸克像蹲监狱一样，被关在强子里面。强子就像一个口袋，夸克被关在里面，它可以在口袋里自由运动，但不允许离开口袋，要想把夸克从口袋里弄出来，必须提供极大的能量，但在目前还办不到。
尽管夸克还处在假设阶段，有些物理学家又开始考虑比夸克更下一层的粒子了。欧洲核子研究中心的德·罗杰拉已经为组成夸克的粒子起名为“格里克”。后来，人们提出了五花八门的亚夸克模型，起了各种各样的名称，如亚夸克、前夸克、前子或初子，还有叫奎斯、阿尔法的。1974年，美国物理学家帕堤和萨拉姆提出了这样的亚夸克模型：i味子：p、n、λ、x，自旋；ii色子：r、y、g、l，。自旋s=0。它们可构成夸克ur=（pr）、uy=（py）、ug=（pg）等。还有构成轻子：e=（nl）、yu=（xl）、u=（λl）等等。1977年，日本东京大学核物理研究所寺泽英纯教授在以上模型基础上，又提出了一种新的模型：夸克=味子+色子+代子，这些味子、色子和代子，均是自旋为的亚夸克。不管提出的模型有多么不同，但都认为夸克还有下一个层次，所以，我国把亚夸克又称为“亚层子”。
夸克到底是个什么面貌？亚夸克是否真的存在？这些还都没有结论，正期待着人们去揭示它。
2.难得一见的胶子真面目
一般来说，物理状态有一条基本规律，即体系的总动量等于其各部分动量之和，所以由三个夸克组成的质子，它们的动量之和就应等于质子的总动量。可事实并非如此，实验的结果表明，原来每个质子里的夸克动量之和比质子的总动量要小得多。这是为什么呢？这就促使人们去寻找新的粒子。
有人设想，应该有种像胶一样的东西，把质子内的三个夸克“粘”在一起，由于它们的相互作用，构成了质子。根据这一思路，人们便把这种粒子命名为“胶子”。胶子不带电荷，不直接与电子作用，但也具有动量和能量。在快速运动的质子里，胶子携带百分之五十的动量，三个夸克动量之和，再加上胶子的动量，便构成了质子的总动量。
不过胶子与夸克的耦合机制比光子与电子的耦合机制更为复杂。无论什么时候，光子与电子的作用，电子仍是它的本身，不发生变化。但是，胶子与夸克作用却能改变夸克的颜色。比如，胶子可使红夸克变成绿夸克。通过红、绿、蓝三种不同的颜色，胶子可以同夸克耦合成9种不同的形式，其中有三种耦合形式颜色相同，构成两种迭加态，总共有8种耦合形式。每种耦合形式存在一种胶子，这样就有了8种不同的胶子。
同时，胶子还是带颜色的，具有与色荷相同的色性。也就是说，以色对称性而言，这些胶子构成8种重态，既然胶子带色，那么不仅在胶子与夸克之间有相互作用，而且胶子彼此之间也有相互作用，有人推测存在一种三个胶子交汇成的顶点，每条色线从一个胶子引向另一个胶子，都是光滑而连续不断的在任何一点都没有色线终止，也不会产生新的色线。例如，一个红-绿胶子与一个红-蓝胶子在三个胶子顶点相遇，不可能产生一个红一绿胶子。只有蓝色终止，才能另外产生红色。
以上这些都是纸上谈兵，还都是种种假设。因为胶子不具有弱电性，不参与电磁相互作用和弱相互作用，特别是不带电荷，所以，寻找起来异常困难，但是，人们并没有停止寻找它的脚步。
有人根据电子偶素衰变成两个和三个光子的现象，推测J/Ψ粒子衰变时，可能会变成三个胶子，因为J/ψ粒子的力学机制与电子偶数极为相像。一些科学家分析，J/ψ粒子在夸克-反夸克体系衰变时，首先产生胶量子，待到胶量子彼此离开一段距离后禁闭力发生作用胶子便碎裂为强子。最终的强子体系由3个强子喷注组成。每个喷注都是初始胶子的碎片。但是，由于J/ψ粒子的质量太小，它放出的强子数目寥寥无几，无法看清它们的来源。
1977年，美国费密国立加速器实验室主任利昂·莱德曼，为寻找u子对，将一束400GeV的质子流笔直地射向一个核靶上，结果发现了一种新介子，它比质子重10倍，能量为9.5Gev。这个新发现的粒子被命名为y，可能是一种新夸克及其反夸克构成的束缚体系，这为胶子的存在提供了新的可能性。
1979年，丁肇中领导的一个研究小组，用一台叫“马克一捷”的大型综合探测器，经过近4个多月的周密观察，找到了446起有价值的强子事例，找到了胶子的踪迹。另外一些科学家从电子-正电子湮灭过程中，探测到了高能三喷注事件，其中一束喷注就是由胶子碎裂而成的。
后来，一些科学家认为，在微观粒子中，还有一个只包含胶子的粒子，它全由胶子组成，它的最简单色单态结构，包含两个胶子，这种新粒子被叫做“胶子球”。1980年，斯坦福大学的罗伯特·霍夫塔施特领导的物理学研究小组，在研究J/ψ粒子的强衰变时，发现了一个质量为1.4GeV的新粒子。这个新粒子具有许多与人们对胶子球设想的一致性，但还不能最后肯定为胶子球。这个新粒子被命名为L粒子。
尽管物理学家付出了这么大的努力，但仍未见到胶子的真面目。看来要想一睹它的芳容，还需要时间。
3.追捕物质的基本结构：夸克
人们在传统上一直遵循着科学的还原论来揭示自然中的质朴有序：把复杂的系统分解成较为简单的部分，再分别对这些部分加以研究。一切物质都是由少数基本单位（即最初的“原子”）组成的，这种观念起源于古希腊。但是，只是在20世纪，技术才有了足够的进展，使我们能够详细地研究、了解原子的作用。这方面最早的发现之一，主要是卢瑟福勋爵在20世纪初作出的。这个发现就是，原子根本就不是基本的粒子，而是由其内部的构件合成的结构。原子质量大部分集中于小小的原子核，原子核只有1厘米的一万分之一大小。核的周围包围着由较轻的粒子（即电子）构成的云，电子云延伸的距离达1厘米的一千万分之一。因此，一个原子的绝大部分是一无所有的空间，加上量子因素排除了电子具有精确的轨道的可能性，原子便让人觉得像是一种非物质的模糊的实体了。
电磁力使电子离不开原子核，原子核带有正电荷，原子核的周围是电场，电场使带负电荷的电子逃脱不了。很久以前人们就发现，原子核本身也是复合体，是由两种粒子组成的，一种粒子是质子，带正电荷，另一种粒子是中子，既不带正电荷，也不带负电荷。质子和中子的质量分别都是电子质量的1800倍。
物理学家们一旦发现了原子的基本构造，就能够将量子论应用于原子，从而揭示出一种惊人的和谐。电子的波的性质通过电子存在于其中的某种固定的“定态”或“能级”中并将它自己表现出来。假如能量以光子的形式（小批的光能）被吸收或被发射，就会发生能级之间的跃迁。因此，能级的存在是以光能的形式显示出来的，而光能的情况可以从光的频率（颜色）推断出来。分析一下原子所吸收或发射的光，就会发现一种光谱，光谱是由一系列谱线或不连续的频率组成的。最简单的原子是氢原子，是由一个质子（原子核）和一个电子组成的。氢原子的能级可用一个简单的公式乘以一个固定的能量单位表示。式中的n和m是整数1，2，3...这种紧凑简洁的算术式使人想起音乐的音调，比如吉他或管风琴上的泛音，这些音也可以用简单的数字关系来表示。这并不是偶然的巧合。一个原子的能级的排列是与量子波振动相对应的，正如一部分乐器的频率是与声音的振动相对应一样。
假如在氢原子中使电子束缚于质子的力在数学上不是简单的，那么，原子的和谐就不会如此完美。实际上，原子就是依存于这种和谐的。使电子束缚于原子核的电引力满足一个叫作平方反比定律的有名的物理学定律。这个定律说的是，假如质子和电子之间的距离加倍，二者之间的电引力就降低为原先的四分之一；假如二者的距离是原先的3倍，二者之间电引力就降低到原先的九分之一，依此类推。这种井然有序的数学规律性也可以在引力中见到，例如，行星和太阳之间的引力就是这样。平方反比定律导致了太阳系的引人注目的规律性，这些规律性可用算式表示。运用这些算式，就可以预测日食月食以及其他的天文现象。在原子中，这些规律是量子性质的，表现为能级的排列和发射的光的频谱。但太阳系的规律性和原子的规律性都来自平方反比定律的质朴性。
明白了原子核的结构之后，物理学家们接着就开始探寻原子核内部使原子核结为一体的力。这种力不可能是引力，因为引力太弱，也不可能是电磁力，因为同性的电荷是相斥的，所以，带有正电荷的质子如何竟能在一起相安无事就成了一个谜。显然，必定有一种很强的吸引力来克服质子之间的斥力。实验表明，使原子核成为一体的力要比电磁力强得多，这种力在质子的一定距离或范围之外就突然消失了。这种距离很短，比原子核还要小，所以，只有最近的粒子才处于核作用力的范围之内。中子和质子都处于核力的影响之下。因为这种力很强，所以大多数原子核要用很大的力量才能破开。重原子核不那么稳定，可以很容易地裂变，放出能量。
核粒子也是按不连续的量子能级排列的，只是没有原子和谐的那种质朴性。原子核是一种复杂的结构，这不仅是因为组成原子核的粒子数目多，而且也是因为核作用力并不遵守质朴的平方反比定律。
20世纪30年代，物理学家们在量子论的框架中研究核作用力，终于明白了这种力的性质是与粒子的结构分不开的。在日常生活中，我们把物质和力看成是两个独立的概念。力可以通过引力或电磁效应作用于两个物体之间，或直接通过接触作用于物体。但物质只是被看作是力的来源，而不是力的传播媒介。因此，太阳引力跨越一无所有的空间作用于地球，用场的语言来描述就是：太阳的引力场（若是没有引力表现出来，引力场是看不见也摸不着的）与地球相互作用，对地球施加了一种力。
在亚核的领域里，量子效应起着重要的作用，量子论的一个中心论点是，能量是以不连续的量的方式传导的。这也是量子论的由来。因此，光子就是电磁场的量子。当两个带电粒子互相靠近时，就受到了它们都有的电磁场的影响，电磁力就在它们中间起作用。电磁场使它们的运动轨迹发生偏转。但一个粒子通过场对另一个粒子所施加的扰动必须以光子的形式传导。因而，带电粒子之间的相互作用不是一个连续的过程，而应被看作是由一个或多个光子转移造成的脉冲。
有人把这种相互作用的机制比作两个打网球的人，这两人的行为通过球的往来而有了联系。因此，光子的行为颇像个信使，在两个带电粒子之间来回跳荡，告诉这个带电粒子那里还有一个带电粒子，从而引起一种反应。物理学家们借助于这样的概念，就可以计算出原子层面上的很多电磁过程的效应。在所有的场合中，实验的结果与利用计算得来的预测惊人地相符。
电磁场的量子论的成功应用令20世纪30年代的物理学家们倍感欣喜，他们很自然地又把它应用于核力场。日本物理学家汤川秀树应用量子论，发现质子和中子之间的力实际上可以用二者之间信使般往来的量子为模型，但这里的量子与我们所熟悉的光子大不相同。汤川的量子必须有质量，才能再现出核力的那种作用距离极短的效果。
夸克理论的基本预设是，夸克本身是真正浑然一体的基本粒子，是一种像点一样的物体，没有内部成分。在这方面，夸克颇像轻子，因为轻子不是由夸克组成的，它们本身似乎就是基本粒子。事实上，夸克和轻子之间有着自然的对应，使人们获得意想不到的机会得以洞见大自然的运作。夸克和轻子之间的系统联系见下表。表右边一栏是夸克，左边是已知的所有轻子。要记住，轻子感受到的是弱力，而夸克感受到的是强力。轻子和夸克之间还有一个区别是，轻子或是不带电，或是只带1个单位的电荷；而夸克则带三分之一或三分之二单位的电荷。
尽管轻子与夸克有差别，但二者之间存在着深刻的数学对称，使轻子和夸克在上面的图表中有了逐层面的对应。第一个层面只有四种粒子：上、下夸克、电子及电中微子。奇怪的是，一切普通的物质竟全是这四种粒子构成的。质子和中子是由3个3个的夸克组成的，而电子只是充任构成物质的一种亚原子粒子。中微子只是跑进宇宙里，一点也不参与物质的大体构造。就我们所知，假如其他的粒子都突然消失了，只要有这四种粒子，宇宙就不会有多大变化。亚原子粒子可分为两大类：轻子和夸克。夸克没有被发现单独存在，而是两个或三个地在一起。夸克的电荷是分数的。一切普通的物质都是由Ⅰ层面的粒子构成的。Ⅱ层面和Ⅱ层面似乎是Ⅰ层面的简单复制，其中的粒子是高度不稳定的。可能尚有未发现的层面。表中没有列入信使粒子：光子、引力子、胶子以及弱作用力的介体W和z。
下面一个层面的粒子似乎就是第一个层面的复制，只不过较重而已。第二个层面的粒子都极不稳定（中微子例外），它们所构成的各种粒子很快就衰变为层面Ⅰ的粒子。第三个层面的粒子也是这样。
于是就必然产生这样的问题：层面Ⅰ之外的其他粒子有什么用处呢？为什么大自然需要它们？在形成宇宙的过程中，它们扮演了什么角色？它们是多余的赘物？或者它们是某种神秘的、现在尚未完全明了的过程的一部分？更为令人不解的问题是，随着将来能量越来越高的粒子加速器的出现，是否也只有这三个层面的粒子？是否会发现更多的或无穷多的层面？
还有一种复杂的情况加深了我们的不解。为了避免与量子物理学的一个基本原则相冲突，我们必须设想每一种夸克实际上有三种不同的形式，即人们所说的“颜色”。任何一个给定的夸克都必须被看作是某种多层电镀（比喻说法）的叠加，不断地闪现出（又是一个比喻说法）“红”、“绿”、“蓝”的颜色。这样一来，一切又看上去像是乱了套的动物园，但是，收拾局面的方法就在眼前。对称又来救驾了。不过，这一次的对称，其形式更微妙、更深奥，怪不得被人们称作超对称。
4.大自然的四种基本力
物质基本结构分析的另一个大线索是：力。不管粒子动物园有多么纷纭复杂，其中看来只有四种基本的力：引力，电磁力（因与日常生活密切相关而广为人知），弱作用力和强作用力。中子和质子之间的强力，当然不可能是基本力，因为中子和质子本身就是复合物而不是基本粒子。当两个质子相互吸引时，我们实际上看到的就是六种夸克相互作用的合力。夸克之间的力才是基本力。可以用描述电磁场的方式描述夸克之间的力，而夸克的色就相当于电荷。质子的对应物是所谓的“胶子”，其作用就是我们先前说过的像信使那样，不断地在夸克之间来回跳动，将夸克胶结在一起。物理学家们仿照电动力学，把这种由“颜色”产生出来的力场理论叫作色动力学。色动力作用要比电磁力作用复杂。这有两个原因。第一，夸克有三色，而电荷却只有一种，于是，与一种光子相对应的就是八种不同的胶子。第二，胶子也有颜色，因而彼此也有很强的相互作用，而光子不带电荷，彼此间又是那么不相干。
30多年前，某些富有远见的理论物理学家突然想到，大自然有四种基本力，这数目似乎太多了，很可能这四种基本力并不是真正独立的。麦克斯韦在19世纪60年代提出了一个数学式，使电力和磁力统一于一个单一的电磁场理论。很可能还会有进一步的综合。
一种徘徊不去的难以解决的数学问题更推动了某些理论物理学家作如是想。除了最简单的作用之外，每当人们把量子论应用于所有的作用时，得到的结果总是无穷，因而也就是无意义的。而将量子论应用于电磁场时，有一种数学特技使人们能够绕开无穷，量子论因而也就一直能预测一切人们所能想像的电磁作用。但同一个数学特技对其他三种力却不起作用。人们希望，通过某种方式把电磁力和其他三种基本力结合进一个单一的描述式，这一个单一的描述式所具有的数学温顺性会消解电磁力之外的其他三种力，使人们能够得出一个可以理解的算式。
实现这一宏伟目标的第一步是斯蒂芬·温伯格和阿布杜斯·萨拉姆在1967年迈出的。他们成功地改造了电磁力和弱作用力的数学表达式，使这两种力被结合进一个统一的数学表达式之中。他们的理论表明，我们通常之所以把电磁力和弱作用力看成是不同的力（确实二者在性质上显著不同），是因为在我们现行的实验中所利用的能量极低。当然，这里所说的“低”是相对而言：现在的加速器可以给一次对撞足够大的能量，假如这能量不是加在一个质子上而是加在一个台球上的话，释放出来的能量就会为一个普通人家提供几百万年之需！不过，温伯格-萨拉姆理论有一种内含能量单位，这种单位的能量只是到了现在才能由现有的技术达到。上面所说的现行实验所利用的能量“低”，也是与这种单位相对而言的。
在20世纪70年代，实验的证据慢慢积累起来，情况变得有利于温伯格-萨拉姆理论。1980年，他们为在统一力研究方面的工作获得了诺贝尔奖。1971年就已经证明，那令人头痛的无穷可以像所希望的那样，在一个统一式中被扫除，物理学家们开始谈论大自然的三种而不是四种基本力了。
那令人头痛的无穷之所以能被扫除，其主要原因是在统一力的理论中出现了更加抽象的对称群。人们早就知道，麦克斯韦优美的电磁理论之所以有力量，之所以优美，在很大程度上要归功于该理论的数学描述中所显示出来的平衡和对称。统一力的理论中又来了平衡，这平衡被称作规范对称，是一种抽象的平衡。但这种平衡能让人想起日常生活中的事。
可以用攀登断崖的例子来说明规范对称。从崖底攀到崖顶要耗费能量。但是，由下往上攀登有两条途径。一条较短，是垂直着直接登上崖顶；再一条较长，是顺着较缓的坡道登上崖顶。这两条途径哪一条更有效率呢？回答是：两条途径都要耗费相同的能量（在这里，我们对诸如摩擦之类不相关的复杂情况忽略未计）。实际上很容易证明，攀登崖顶所需的能量是与所选用的途径完全无关的。这就是规范对称。
上面所举的例子说的是引力场的一个规范对称，因为你要攀上崖顶，必须克服的是引力。规范对称适用于电场，也适用于与电场类似但更为复杂的磁场。
现已证明，电磁场的规范对称是与光子没有质量的特性密切相关的，同时，也是使统一为理论避开灾难性的无穷的一个关键性因素。温伯格和萨拉姆终于“驯服”了弱力，使之与电磁力合并起来。
物理学家们受到统一规范理论成功的鼓舞，把注意力转向了另一种核力——夸克间的色动力。不久以后，就提出了色规范理论，接着，有人便试图将弱力和色动力统一到一个“大统一理论”（GUT）中去，办法是使用更大的规范对称将所有的其他对称包容在一个规范对称之中。目前，估价GUT的成就还为时尚早，但至少它所作的一个预测——经过无限长的时间之后，质子可能会很不稳定并自发地衰变——现在正有人进行检验。
但是，引力仍是没有就范。无穷的难题报复性地缠住引力不放。现在，物理学家越来越倾向认为，只有在包含了某种超对称的一种超统一理论中，这一难题才会获得解决。一大群数学家和物理学家正在为创制一个这样的理论而奔忙。这一理论的目标，是那不可抗拒的统一场理论的梦想——一个单一的力场，涵盖大自然的所有的力：引力，电磁力，弱作用力和强作用力。但是，这还远远不够。量子粒子和作用于这些粒子之间的力表明，任何一种力的理论同时也是一个粒子的理论。那么，超统一理论也应当能完全描述一切夸克和轻子，解释为什么在表1中有三个层面的粒子。
有人说，要是真能达到这个令人目眩的目标，也就是达到了基本物理学的顶点，因为像超统一理论这样的一个理论能够解释一切物质的行为和结构——当然，是以一种还原论的方式进行解释。有了超统一理论，我们就能够用一个方程式，用一种宇宙的总公式把大自然的一切秘密都写下来。这样的一个成就会证实人们长久以来所宠爱的信仰——宇宙是按照一个单一的、质朴的，具有惊人的优美的数学原理运行的。约翰·惠勒下面的话，就表达了人们要达到这一最终目标的迫切心情：“总有一天，有一扇门肯定会开启，显露出这个世界的闪闪发光的中心机制，既质朴，又优美。”
我们离这智慧的极乐世界还有多远呢？理论物理学家们现在正把他们的希望押在一套理论上。这套理论的名称叫超引力。这套理论的关键是一种奇异的超对称，这超对称被描述为时空的平方根。它的意思是，假如两个超对称运算式相乘，你就会得到一个普通的几何对称运算，如空间中的移动。
乍看之下，这种抽象似乎没有什么大用处，但仔细分析就可以看到，超对称与一个粒子可能具有的最基本的属性之一——旋转有着密切的关系。人们发现，所有的夸克和轻子都以一种颇为神秘的方式旋转。我们现在且不去管它如何旋转。我们要关心的是，那些“信使”粒子——胶子、光子、还有引力和弱力的相应的粒子或者是不旋转，或者是以一种正常的而不是神秘的方式旋转。超对称的意义就在于，它把以神秘的方式进行旋转的粒子和其他的粒子联系了起来，正如同位旋对称把质子和中子联系起来一样。于是，超对称的运作能把一个旋转的粒子变成一个不旋转的粒子。当然，这里所说的“运作”指的是数学步骤。实际上，把一个旋转的粒子变成一个不旋转的粒子是不可能的，正如你不能把你的左手变成右手一样。
通过把引力理论置于超对称的构架之中，引力的信使粒子（称作引力子）就获得了以一种“好玩的”方式旋转的同伴粒子，以及其他的粒子。这么多种类的粒子进入超引力理论，这就有力地表明，那可怕的无穷难题被压下去了，而且，到目前为止利用这一理论进行的一切具体运算得出的结果都是有穷的。
今天的复杂的物理，是由原初大爆炸火焰构成的质朴的物理冷却而成的。这种看法，倒是美妙而吸引人。大自然的最终原理，也就是惠勒所孜孜以求的“闪光的中心机制”，我们因能量不足而难以窥见，假如人们追踪到大统一时代以前的那些时期，追到离时间起始处更近、温度更高的地方，就可以找到超引力了。超直引力所代表的，就是存在的起始，在起始之处，时间和空间同基本力都结为一体。大多数物理学家认为，时空的概念在超引力时代之内是不能用的。实际上，有迹象显示，时间和空间应被看作是两种场，这两种场本身也是先几何元素组成的原初汤“冷却”而成的。因而，在这超引力的时代中，大自然的四种力是浑然一体的，而时空则尚未成一个雏形。当时的宇宙只是一堆超质朴的元件，是一些上帝用以造出时间、空间和物质的原料。
本章描述了物理学关于基本力研究的新近进展。这些进展已使人们以全新的观点看待大自然。这种观点的影响在物理学家和天文学家中间迅速扩大。现在，人们已开始把宇宙看成是由质朴的东西冷却而生成的复杂的东西，颇像是浑然无形的海洋冻成了姿态各异的浮冰。科学家们有一种感觉，这就是宇宙学的研究课题和人们对物质当中的基本力的研究正在为宇宙提供一个统一的描述。在这种描述中，物质的极端结构与宇宙的总体结构紧密联系在一起，两种结构都以一种微妙而复杂的方式影响着彼此的发展。
5.物质的基本结构到底由什么构成
物理学的一系列成功的，无疑代表了以还原论理论为其基础的现代物理学思想的一个胜利。物理学家们试图把物质还原为最终的构件——轻子、夸克、信使粒子——从而得以瞥见那基本的定律。而正是那基本的定律控制着形成物质的结构和行为的力量，从而能够解释宇宙的很多基本特点。
尽管如此，以这种方式追寻某种已被感觉到的终极真理是远远不够的。例如，我们不能用夸克来理解意识、活的细胞，甚至也不能根据夸克理解诸如龙卷风之类的无生命的系统，否则一定会闹出笑话的。
到目前为止，本章所用的语言在很大程度上并没有传达出物理学家心目中的物质结构的概念。当一个物理学家说，质子是由夸克“组成的”时，他的本意并非如此。比如，我们说一个动物是由细胞组成的，或一个图书馆是由书组成的时候，我们的意思是说我们可以拿来一个细胞或一本书，或从那较大的系统那里随便拿来什么东西，进行孤立的研究。但夸克却不是这样。就我们所知，不可能真地拆开质子拿出夸克来。
然而，拆开原子现在已成了家常便饭；原子核敲开较难，但在高能的冲击下也会分裂。这或许意味着用高速粒子轰击质子或中子，将会把质子或中子粉碎为夸克。然而，实际情况却不是这么回事。一个极小的高速电子会穿过质子的内部，将其中的一个夸克猛烈地弹开，从而使我们确信质子内部的什么地方确有夸克。但是，若打击质子的不是小小的电子，而是一个大锤，即另一个质子，那么，我们就不会在质子的碎片中看见夸克，而只能看见更多的强子（质子、介子等等）。换言之，夸克从不孤立地出现。大自然似乎只准许夸克以集体的面目出现，出现的时候总是2个2个或3个3个地在一起。
因此，当物理学家说质子是由夸克组成的时，他的意思并不是说这些神秘的夸克可以单独地显现出来。他只是指一个描述层面，这一层面比质子层面更基本。管辖夸克的数学法则要比管辖质子的更质朴，更基本。从某种意义上说，质子是合成的，不是基本的；但质子由夸克的合成与图书馆由图书的合成不是一码事。
如果将量子因素纳入考虑之中时，理解物质的基本结构便更为困难。这是因为，没有哪种亚原子粒子（不管是夸克还是什么别的基本粒子）是货真价实的粒子。实际上，亚原子粒子可能连“东西”都算不上。这就使我们又一次认识到，所谓物质是某某粒子的集合这种描述，实际上必须被看作是由数学所确定的描述层次。物理学家对物质结构的精确描述只能通过抽象的高等数学来进行，而人们只有认识到这一背景，才能明白还原论所说的“由……组成”的真正含义。
海森堡的测不准原理的一个方面，很好地说明了量子因素给研究“什么是由什么组成的”这一课题带来的困难。但这次的二象性，不是波粒之间的二象性，也不是运动与位置的二象性，而是能量与时间之间的二像性。能量与时间这两个概念处于一种神秘莫测的对立关系之中：你知道了一个就不知道另一个。因而，哪怕在一个很短的时间内观察一个系统，其能量也有可能发生巨大的起伏。在日常的世界里，能量总是守恒的，是能量守恒的经典物理学的柱石。但在量子微观世界里，能量可能以自发的、不可预测的方式不知从哪里冒出来或消失在哪里。
当考虑到爱因斯坦著名的E=mc2的公式时，量子能量的起伏就变成了复杂的结构。爱因斯坦的公式说的是，能量和质量是相等的，或者能量能够创造物质。这里，我们想讨论一下，在没有外部能量输入的情况下，物质粒子如何能从量子能量的起伏中被创造出来。海森堡的原理颇像个能量库。能量可以短期借用，只要迅速归还就行。借用期越短，可借用的量就越大。
比如在微观世界中，一次突然的能量起伏可能使一个正负电子对在短期内出现又消失。这正负电子对的短暂存在，就是由海森堡式的借贷维持的。其存在的时间从不超过秒。但无数个这样忽现忽隐的幽灵粒子累加起来的效果，就使空无一物的空间有了某种变换的质地，尽管这是一种模糊的、不实在的质地。亚原子粒子就必须在这不停运动的海洋中游动。不仅电子和正电子，而且质子和反质子，中子和反中子，介子和反介子，总之，大自然的所有粒子都是这么动荡不定的。
从量子的角度来看，一个电子不仅仅是一个电子。变换能量的花样在其周围闪烁着，不知什么时候突然促成了光子、质子、介子甚至其他电子的出现。总之，亚原子世界的一切都附着在电子上，像是电子穿上了看不见摸不着的、转瞬即逝转瞬又来的一件大衣，或者说，像是幽灵一样的群蜂嗡嗡地围着中间的蜂巢飞翔，构成了蜂巢的覆盖物。当两个电子相互靠近时，它们的覆盖物也纠缠在一起，于是，相互作用就发生了。所谓的覆盖物，只不过是将先前被看作是力场的东西加以量子的表达罢了。
我们永远也不能将电子跟其所带有的幽灵粒子分离开来。当有人问“什么是电子”时，我们不能说电子就是那个小粒子；我们必须说电子是不可分离的一整串东西，包括跟它在一起的产生力的幽灵粒子。说到具有内部结构的强子，就更加模糊难辨了。一个质子不知为何总是带着夸克，而夸克又是由胶子连在一起的。这里也有一种怪圈：力由粒子产生，而被产生的力又产生力……
而对光子这样的粒子来说，这种怪圈意味着光子可以展现出很多不同的面孔。通过借入能量，它可以暂时变成一个正负电子对，或一个正反质子对。已有人进行了实验，试图看到光子是如何变成正负电子对或正反质子对的。但是，人们又一次发现，要想从这种错综复杂的变化中分离出来“纯”光子是不可能的。
就大多数不稳定而且寿命又极短的粒子来说，已难以说清哪些是“实在的”，哪些是“幽灵”。有一种ψ粒子，在秒内就衰变了；而由海森堡原理造成的正负电子对，其寿命也跟ψ粒子差不多。谁能说前者是实在的，后者只是个幽灵呢？
一位叫杰弗里·邱的美国物理学家曾把亚原子世界中的这种闪烁不停的变幻比作一个民主政体。我们不可能抓住一个粒子，说它就是某某实体。我们必须把每一个粒子看成是在一个没有终结的怪圈中由所有的其他粒子组成的。没有哪一个粒子比其他任何粒子更基本。
我们将会看到，物质的本性在其量子论方面具有强烈的整体论的味道：物质的不同层面的描述是相互连锁的，一切东西都是由另外的一切东西组成的，然而一切东西同时又显示出结构的等级次序。物理学家们就是在这无所不包的整体性中追寻物质的终极分成，追寻终极的、统一的力。
第二章：万有引力之谜：引力波如何印证
1916年，当爱因斯坦提出广义相对论时就曾预言，具有大质量物体作加速运动时，可能要产生引力波。当时许多科学家对引力波是否存在表示怀疑。直到物理学家皮拉尼·邦迪等人从理论上证明了引力波的存在，以及有可能被探测到，这才引起了人们研究引力波的兴趣。
尽管对引力波的检测至今还没有直接证明，但是，科学家们并不怀疑引力波的存在，都在想方设法，使引力波的面目大白于天下。在不远的将来，对引力波的研究会有突破性的进展吗？
1.人类对引力与光的科学解释
（1）苹果带来的经典理论古希腊哲学家在许多领域的天才思想至今仍未被超越，但他们对引力却所知甚少。亚里士多德（Aristotle）相信每个物体都有其在宇宙中的“自然位置”。最底层是陆地及其所有的直接附着物，在这上面是水，然后是空气，最后是最轻的元素火。一个因受力而离开其自然位置的物体总是要返回到它原来的位置上的，因此，被抛射到空气中的箭或石块总是会落回地面。亚里士多德还进一步断言，物体的运动都沿直线进行，由弓射出的箭将沿直线向上运动，当弓所提供的力停止作用时，箭就又沿直线落回地面。
在20个世纪里几乎没有人对古希腊哲学家的理论表示过怀疑，尽管日常生活提供了反面的证据：箭的运动轨迹并不是一条直线，而是一条曲线即抛物线。只有一个人，即6世纪时生活在亚历山大城的约翰·菲罗帕纳斯（John Philoponus），敢于提出惯性原理，向亚里士多德的思想挑战。
伽利略（Galileo）是对引力进行严格的科学考察的第一人。他做了一系列实验，包括让各种不同的物体从比萨斜塔上落下以及让不同大小的球沿斜面滚下。1638年，他发现了引力的最基本的性质：在其作用下的所有物体都得到同样的加速，与物体的质量或化学成分无关。
伽利略的工作以其对物理现象的仔细观察和深刻的科学推理而著称。他的结果显然与亚里士多德对世界的认识相反。在研究一个物理现象时，我们必须分离出所有那些使我们的日常经验复杂化的外部因素。为了从对在空气中下落的物体的观察而推导出支配真空中物体自由下落的普遍规律，伽利略必须首先理解摩擦力和空气阻力，因为正是这些与物体的大小和质量有关的“寄生”效应掩盖了引力的真正作用（如果像某些历史学家所认为的那样，伽利略事实上并没有从比萨斜塔上抛出物体，那么他由一连串的抽象推理而得出自己理论的能力应当受到更高的赞誉）。
伊萨克·牛顿也是一个直觉的天才、有分析的天才。按照广泛流传的说法，1666年的一个月夜，当一只苹果从树上落下时，伊萨克·牛顿（Isaac Newton）正坐在那棵树下沉思。他突然意识到，由于同一种吸引的力量即地球引力，月亮和苹果都会朝地球下落。他计算出，两个物体之间的引力随它们距离的平方反比例减小，距离加倍，则引力减小4倍。月亮与地心的距离（384000公里）是苹果与地心距离（6400公里）的60倍，所以月亮下落的加速度比苹果小60×60=3600倍。然后他运用伽利略的自由落体定律，即下落距离正比于加速度，也正比于时间的平方，于是得出苹果在1秒钟内下落的距离与月亮在1分钟内下落的距离相等。月亮的真实运动是已知的，牛顿所估计的距离与之相符。他所发现的正是万有引力定律。（2）不可见世界的两位先知
18世纪末，约翰·米切尔（JohnMichell）牧师和皮尔·西蒙·拉普拉斯把光速有限的认识与牛顿的逃逸速度概念结合起来，从而发现了引力的最富魅力的结果：黑洞。
逃逸速度的概念是人们很熟悉的。一个人无论用多大力向空中扔出石块，石块终将落回地面，这使人感到引力似乎不可抗拒。然而，我们还是要问，引力能够对物质束缚到什么程度？如果不是由地球上而是由火星的一颗小卫星上（比如说火卫一）抛出石块，情形就完全不同。火卫一的引力是如此之小，一个人的臂力就足以把石块抛到绕它运转的轨道上，甚至可以把石块抛到围绕火星的轨道上，而火卫一距离火星约有9000公里。
让我们仍回到地球上来。地球的引力可以由一个又深又宽的开口井来表示。抛射物体只有速度足够高才能逃离地球。为了把一颗卫星送入轨道，火箭发射器必须到达一定的高度，然后转到与地面平行的方向，再加速到至少每秒8公里的速度，这个速度所对应的离心力（朝向外空）才能与引力（朝向地心）相平衡。
有一种叫作飞车走壁的危险表演，摩托车手驾车在陡峭的斜壁上奔驰，随着车速增大，车子也沿着斜壁升高。一颗轨道上的卫星很像这里的飞车，它也在引力井的壁上运转。
如果摩托车手进一步把车速增大到另一个临界值以上，他就会飞出斜壁。同样，如果火箭的速度足够大，它也能摆脱地球的吸引。这个临界速度对一块石头或一枚火箭来说都是一样的，它就叫逃逸速度。就地球而言，它是11.2公里/秒，对其他任何一个行星、恒星或别的天体，也很容易算出其大小。这个速度只取决于那个提供引力的星球的性质，而与被抛射的物体无关。星球的质量越大，逃逸速度也越大；质量一定时，逃逸速度则随星球半径的减小而增大。
这就是说，一个星球的密度越大也就是越致密，它的引力井就越深，要逃脱它的束缚显然就越困难。火卫一的逃逸速度只有5米/秒，月亮的是2.4公里/秒，而太阳的是620公里/秒。对于更致密的星球，例如白矮星，这个速度高达每秒数千公里。
关于黑洞的思想正是来自于把简单的逃逸速度概念推向极端。自1676年奥拉斯·雷默（Olsus Roemer）对木星、卫星的运动进行观测以来，已经知道光的速度大约是300000公里/秒。于是就很容易想象出这样一种星球的存在，其质量是如此之大，以至于从其表面逃逸的速度大于光速。
约翰·米切尔在一篇于1783年的英国皇家学会会议上宣读并随后发表的《哲学学报》的论文中写道：“如果一个星球的密度与太阳相同而半径为太阳的500倍，那么一个从很高处朝该星球下落的物体到达星球表面时的速度将超过光速。所以，假定光也像其他物体一样被与惯性力成正比的力所吸引，所有从这个星球发射的光将被星球自身的引力拉回来。”此后不久，数学家、天文学家、天体力学王子皮尔·西蒙·拉普拉斯于1796年在他的《宇宙体系论》中也作了类似的陈述。
除了超前一个多世纪料想到光能被引力捕获外，拉普拉斯和米切尔还猜想到巨大的暗天体可能像恒星一样众多。在20世纪末，这科学巨变的时期，暗物质的存在正是宇宙学中最重要的课题之一。宇宙总质量的相当大一部分很可能是看不见的。对这些不可见星球（直到1968年才命名为“黑洞”）的详细研究需要一种比牛顿理论更精确的引力理论。爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，其“大小”恰与米切尔和拉普拉斯猜想的一样。
但是，严格说来，这两个理论在不可见星球的大小上的一致只是表面上的。按照牛顿理论，即使逃逸速度远大于300000公里/秒，光仍然可以从星球表面射出到一定高度，然后再返回（正如我们总能把一只球从地面往上抛出）。而在广义相对论里来讲逃逸速度就是不正确的了，因为光根本不可能离开黑洞表面。黑洞的表面就像一只由光线织成的网，光线贴着表面环绕运行，但决不能逃出来。如果黑洞在自转，则捕获光的那个面与黑洞自身的表面是不相同的。借助于逃逸速度来描述黑洞，虽然有着重要的历史价值和启发作用，却是过于简单了。
直至广义相对论建立为止，米切尔和拉普拉斯的思想被人们完全遗忘了。这一方面是因为没有什么迹象表明宇宙中存在如此致密的物质（当然，不可见性本身是一个好理由）；另一方面，他们的思想是建立在牛顿关于光本性的微粒说基础上的，即光微粒也像通常物质一样服从引力定律。而在整个19世纪，光的波动说占据了统治地位。按照这种理论，光是一种振动在媒质中的传播，光波是不受引力影响的，米切尔和拉普拉斯的思想因而失效。（3）导致20世纪的两大物理理论产生的两个简单问题
行星的运动之所以能被计算出来，是因为我们知道物体之间的相互吸引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比。然而这里还有许多更深刻的问题尚未回答，比如引力的本质，它如何由物质产生，又如何作用到被真空隔离的物体上。
牛顿的引力不像马拉车的力那样通过直接接触来传递。一个物体产生的引力能作用到远处的另一物体，这种不需要媒质而瞬时作用的力的概念，是雷纳·笛卡儿（Rene Descartes）于1644年在其《哲学原理》（Principes-delaphilosophie）中所阐述的，并难以被机械宇宙观所接受。牛顿本人是一个忠实的机械论者，他把自己的定律看作只是一种能计算物体运动的数学工具，而不是一种物理真实。他曾说过，想象引力能瞬时地和超距地作用是荒谬的，是没有一个真正的哲学家能接受的。拉普拉斯曾试图通过考虑引力以有限速度传播来修改牛顿理论，他的推理在原则上是正确的（自爱因斯坦以后，我们知道引力是以光速传播），但在实际上是错误的：他算出引力的传播速度必定是光速的700万倍。
19世纪，同样的超距作用问题重新出现在研究电的学者面前。与引力相似，两个物体间的电力也与它们电荷的乘积成正比（引力是与两物体质量的乘积成正比），与它们距离的平方成反比。尽管物理学家最后还是接受了（没有更好的办法）引力的超距作用，但是，他们却拒不接受电力也是如此。
于是，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了场的概念。场能够作为物体间相互作用的媒介，并以有限速度传播。不是两个电荷在真空中通过瞬时力相互吸引或排斥，而是每一个电荷都在其周围产生一个“电场”，其强度随距离增大而减小。每个电荷所受的力都归结为两个场的相互作用。那么，引力也能以同样方式来描述：一个物体产生的引力场作用于所有其他物体。
这决不只是一种描述词语的简单改变。场的根本优越性在于，它把瞬时超距作用代之以需要时间来传播并随空间距离增大而减弱的作用。场论，这经典物理的光辉顶峰，看似毁坏了牛顿物理的根基，实则开辟了通向电磁学，然后是相对论的道路。
麦克斯韦的理论统一了电和磁，看似简化了物理学，实则使问题更为复杂，因为它使伽利略和牛顿的宇宙图像顿起祸端。通过对电磁场的仔细的理论和实验研究，立即提出了两个简单的问题，这两个问题最终导致了20世纪的两大理论物理成果：量子力学和相对论。
第一个问题是，辐射的本质究竟是什么？麦克斯韦的理论把电磁辐射纯粹作为波来处理，但是辐射可转移能量和动量的能力强烈地显示出其粒子性。到19世纪末，已有一系列实验提供了辐射的不连续性的证据。
在两个世纪之交，马克斯·普朗克（Max Planck）提出了一个假设，即电磁波（尤其是光）只能以一种能量包，即所谓量子的形式被发射或吸引。然而直到1905年，爱因斯坦才首先把光量子看作真实的存在，现在称为光子。为解释光电效应，也就是金属板被足够高频率的光照射时发出电子的现象，爱因斯坦假定辐射是由其能量与频率成正比的真实粒子组成，这些粒子把能量传给金属中的电子，从而使电子射出。爱因斯坦复活了牛顿的光的微粒论，这个理论曾被拉普拉斯用来推测巨大的暗星球对光的捕获。力学与电磁学之间的明显对立直至20年后，即量子力学指出所有物质和辐射都具有波粒二象性时，才得以消除。
第二个问题是，电磁波在什么媒质中传播？正是这个问题导致了对时空结构的探索，从而产生了相对论。（4）爱因斯坦与等效原理
爱因斯坦在1905年既复活了光的微粒说，又维护了麦克斯韦电磁理论的正确性，但是他却陷入了进退维谷的境地。关于辐射的这两个概念是相互矛盾的：如果光是由粒子组成，那么按照万有引力定律，它就会受别的物质影响，如果真是这样，光速又怎能如狭义相对论要求的那样是绝对恒量呢？
这个矛盾当然应归根于引力。引力在宇宙中无处不在，并使所有物质加速，而狭义相对论的惯性系是严格地没有加速度的。爱因斯坦很清楚这个，他认识到，要使引力能与狭义相对论的电磁时空相协调，首先必须重新理解“力”的概念本身。
牛顿万有引力定律要求一切物体都具有一种称为引力质量的内在属性，用以量度每个物体所能产生的引力。此外，牛顿还用三个基本定律概括了物体在任何力（引力或别的力）作用下的行为。第一定律简单地说就是笛卡儿的惯性原理：不受力的物体保持静止或作匀速直线运动；第二定律规定使一个物体加速的力与物体的加速度和质量都成正比（即人们熟知的公式F=ma）；第三定律陈述作用与反作用的平等性：每一个力（例如人推墙的力）都伴之以一个大小相等、方向相反的力（墙也推人）。
所以，牛顿的力是使物体偏离其惯性运动的原因。物体总是反抗对其惯性状态的改变，这种反抗由其惯性质量来量度。按照这个思路，万有引力同其他任何力一样，也是一种力，而引力质量之于引力恰如电荷之于电力。我们知道，惯性质量相同而带电荷不同的物体在同一电场中受到不同的加速，因而在牛顿理论中就没有理由认为引力质量和惯性质量必定相等。
但是，伽利略和牛顿所观察到的引力的基本性质，正是地心引力同样地加速所有物体，而与物体的惯性质量或引力质量、体积以及化学性质都无关。一片羽毛、一个分子或是一块砖，在地球表面附近释放后都同样具有9.8米/秒2的加速度（也就是说，假如没有空气阻力，它们的速度每秒钟都增加9.8米/秒，在第一秒末是9.8米/秒，在第二秒末是19.6米/秒，等等。这个恒定的加速度正是地球表面的引力加速度）。
这意味着，不仅根本不存在“引力中性”的物体，而且所有物体都具有完全一样的相应引力荷。这只有在引力质量与惯性质量严格相等时才可能。这种相等性于是被接受为一条公理，称为等效原理。
这种相等起初被认为只是近似的，后来却经受住了整个科学史上最高精度的验证。匈牙利男爵罗兰·万·厄缶先在1889年，后又在1922年对等效原理作了验证，精度达十亿分之一。现在，检验精度已经提高了1000倍。由于一个物体中的所有能量都对惯性质量有贡献（把电子和核束缚在原子中的电磁能就很显然），我们就能得出结论：所有能量都有重量，甚至是光也有重量。
爱因斯坦意识到，等效原理是理解引力的关键。引力与电磁力大不相同，包括进引力，将给狭义相对论带来实质性的扩充。让我们来进一步考虑等效原理的物理意义。
在爱因斯坦看来，引力质量与惯性的等效只是一个更强得多的等效性的弱形式，而强等效性是把均匀引力和加速统一起来。爱因斯坦指出：
①任何加速都相当于引力。一个坐在加速度与地心引力（g=9.8/2秒）相等的飞船里的人感觉不出来与站在地面上有什么区别。
②引力的作用可以通过选择一个适当的加速参考系来消除。他的著名例子是一架突然断了缆绳的电梯，电梯中的人将觉得失重，与在太空中已脱离地球引力的人的感觉一样。
我们在这里看到引力与自然界所有其他的力（如电力）之间的巨大差异。不可能用加速来冒充电力，因为一个电场中的物体并不受到同样的加速，加速度与物体的电荷有关。准确地说，引力实际上不是一种作用于时空中的不同物体之间的力，而是时空自身的一种性质。
引力对人们早已熟悉的时空结构摧毁性地入侵的结果，就是广义相对论。
物理学的自洽性要求一种相对性，即要求参考系中的物理规律能取相同的形式。在这个意义上，广义相对论可说是推翻了狭义相对论。狭义相对论里的参考系都以恒定速度运动，不受力，没有加速度。时空连续体是一种平坦的不毛之地，没有任何局部特征，这种空虚性保证了位置和速度的相对性。但在引力存在的情况下，所有参考系都受到加速。因此在广义相对论中没有惯性参考系。时空连续体变得坑洼不平，而位置和速度只能相对于这样的时空来确定。所有的参考系，无论是不是惯性系，只要我们知道如何从一个参考系正确地过渡到另一个，就能用来描述自然定律。从这个意义上讲，爱因斯坦引力理论的名称是取错了，因为广义相对论的相对性比狭义相对论是减小了。
由于一个均匀引力场能由一个加速来消除或代替，并且反之亦然，一个在这个场中下落的物体就不受任何力（人之没有落向地心是因为他脚下地面压力的阻挡）。恒定引力场中的自由下落因而就是物体的“自然”运动。对宇宙中任何一个足够小的区域而言，引力的变化不大，则自由下落运动定义出一个局域惯性参考系，其中的物理定律取其最简单的形式，即由狭义相对论所给出的形式。狭义相对论并没有被完全抛弃，它是被包括到一个更广泛的理论中，而保持在一定范围内的适用性。
2.爱因斯坦方程在引力理论中的地位
所有理论都有自己的方程式。爱因斯坦引力场方程把时空变形的程度与引力源的性质和运动联系了起来，物质告诉时空必须如何弯曲，而时空告诉物质必须如何运动。
爱因斯坦方程是极为复杂的，其中涉及的物理量不再只是力和加速度，而是还有距离和时间间隔。它们是张量，这种量像一张有着多项条目的表格，包含着关于几何和物质的所有信息。
引力对物质的作用比电力更为复杂，从而需要有比标量（纯数）和矢量（有三个分量）更复杂的数学术语来进行描述。为认识这一点，我们可回顾在牛顿引力理论中只有物体的引力质量才是引力源，这个质量是由一个固着地联系于物体的纯数来表示的。在爱因斯坦理论中，引力质量只是与物体相联系的总引力量的一个分量。狭义相对论（它对于一个引力可看作均匀的小时空区域总是适用的）已经证明，所有形式的能量都与质量等价，从而都能产生引力。一个物体的能量是与观测者的相对运动有关的。对于一个静止物体，所有的能量都包括在它的“静质量”；中（E=mc2）但物体一旦运动，其动能就会产生质量，从而产生引力。要计算一个物体的引力效应，就必须把它的静止能量与描述其运动的“动量矢量”结合起来，这就是对引力源的完整描述需要使用“能量-动量张量”的缘故。
更有甚者，对时空中的每一点都需要20个数来描述其弯曲情况。时间和空间的几何变形因此需要有“曲率张量”（我们记得，曲率随着维数的增多变得越来越复杂）。爱因斯坦方程正是描述曲率张量与能量-动量张量之间的关系，把二者分别放在一个等式的两边：物质制造曲率，而曲率使物质运动。
曲率张量和能量——动量张量的不同分量是如此紧密地相互联系着，以至于一般说来不可能找到方程的精确解，甚至不可能从整体上定义什么是空间，什么是时间。我们不得不把引力源加以理想化，才有可能算出一点什么来。有鉴于此，迄今已找到的解（描述着各种弯曲时空）大多与真实的时空毫不相干。在这个意义上，爱因斯坦方程的内涵是太丰富了，它包含着无数个有着稀奇古怪性质的理论上的宇宙。
这种丰富性或许损害了爱因斯坦理论的可信性，但是，我们不要由此以为广义相对论只预言那些不可能观测或是超越人类理解力的东西。恰恰相反，爱因斯坦既是一位物理学家，也是一位哲学家，他试图从太阳系开始描述我们的这个宇宙。运用他的方程的近似解，他首先计算出了太阳系里三个不能由牛顿引力定律得出而又可观测的引力效应：太阳附近光线的偏折，水星轨道的异常，引力场中电磁波频率的变小。下一节将讲述广义相对论这三个预言的成功。
广义相对论的第三个主要应用，即引力波，可能要等到21世纪。爱因斯坦方程在引力理论中的地位，相当于麦克斯韦方程之于电磁学。现在我们都知道电荷的加速产生电磁波，类似地，广义相对论预言引力源的运动也产生波，即曲率的起伏在弹性时空结构中以光速传播。
3.检验广义相对论三个成功的预言
爱因斯坦用来检验广义相对论的三项观测是光线在太阳附近的偏折，水星轨道的异常和引力场中原子谱线的红移。
光线经过太阳附近时的偏折是在1919年日食时观测到的，结果与爱因斯坦的计算值一致。
第二项检验涉及行星运动。按照牛顿天体力学，一个孤立行星是在一个固定的椭圆轨道上围绕太阳运转（椭圆的主轴不动）。由于其他行星的存在，这个运动受到干扰，椭圆轨道会缓慢地进动。1859年，法国天文学家勒维叶发现，水星的近日点（即其轨道上离太阳最近的点）进动得比牛顿理论预期的要快。对外层行星（主要是木星）引起的扰动的详细计算得出，水星进动速率应为每百年5514角秒，而实际进动是每百年5557角秒，多出43角秒（一个圆是360度，每一度是3600角秒）。这个异常显然很小（每经过三百万年水星轨道才会比理论值超前一圈），但是牛顿理论在它所运用的领域是如此精确，因而必须对这一现象作出解释。
最自然的设想似乎是还存在一个扰动物体，可能是一个围绕太阳的物质环，或者甚至是一个未知行星。维叶就是因为有了这种设想而成名的，他在1846年通过对天王星轨道扰动的分析预言了另一个行星即海王星的存在，随后很快就被证实。勒维叶试图证实在太阳与水星之间还有一个行星，并取名为火神星。他计算出火神星会很罕见地越过太阳盘面（只有这时才有希望由它投在日面上的阴影来探测它）。但在1877年，刚巧在他预言的火神星越过日面的时间之前，他去世了，因而不会知道自己已经失败。那一天所有的望远镜都对着太阳，但是火神星固执地拒不出现。
以解释水星近日点进动为唯一目标，出现了许多稍加修改的牛顿式引力理论。当时已经知道，其它行星也有类似的近日点进动，如金星、地球和小行星伊卡鲁斯，但那些能解释一个行星行为的理论却不适用于别的行星。
后来，由于注意到显示近日点进步的是最靠近太阳的那些行星，天文学家开始寻找由太阳内部产生的扰动力。太阳显然不是精确球形的。这种变形原则上能引起近日点进动，然而实际上太阳还是太圆了，牛顿引力理论，无论经过修改与否，仍然被这一小撮古怪行星挫败了。
1916年爱因斯坦广义相对论终于为行星近日点进动提供了一个自治的统一的解释。进动并不是由一种来自太阳的神秘引力所引起，行星是在由太阳质量所弯曲的时空中自由运动。它们的轨道是测地线，而由太阳质量所弯曲的时空连续体的测地地线并不是严格的椭圆或双曲线，轨线的轴会随时间而缓慢进动，理论计算的进动速率精确等于观测值。
爱因斯坦提出的第三项检验是关于光在引力场中的表现“慢化”。电磁辐射的频率减小，波长相应地增大，即所谓“红化”（红光在可见光谱中波长最长）。要以现有的实验精度来检验广义相对论，太阳上的这种效应就太微弱了，即使是密度比太阳大得多，能给光线施加更强束缚力的恒星，由于其光谱受磁场和星体内部物质不明运动的影响很大，因而很难把各种效应区分开来。
这第三项检验简单地就是引力场中时间弹性的另一种说法。狭义相对论已经证明，加速使钟变慢（双生子佯谬）。按照等效原理，就可以得出结论，引力也会使钟变慢：一楼的钟就会走得比二楼的钟慢。
直到爱因斯坦逝世以后，才能造出足够精确的钟来测量地球这样弱的引力场中的时间弹性。1960年，哈佛大学的物理学家以千分之一的精度测出了垂直向下落23米的伽马射线的频率移动（伽马射线是一种高能电磁辐射）。观测太阳附近光线的偏折必须等日食到来，检验水星近日点是否进动得太快需要一个世纪的观测资料积累，而现在有了可按设计重复进行的实验室测量。一个繁荣的实验引力时代开始了。
从1976年起，超稳定即精确度为一千万亿分之一的钟被放到了高空飞机上，那里的引力比地面上减弱的程度应当可以测量出来。这种飞行的电磁钟与在地面实验室里同样的钟作了比较。二者的速率确有差别，而且与广义相对论预言的结果完全一致。
空间探测器的出现使得测量太阳引力场更显著一些的时间弹性效应成为可能。用雷达发射器向位于太阳另一侧的一个空间探测器发出一个无线电讯号，讯号被探测器反射并返回地球，在地球上记量全程的时间，被太阳引力变曲的几何使得这个时间与讯号在真空中传播的时间不同。这个实验是在1971年用水手号探测器进行的，它再次证实了时间延迟效应。
也许有人要问，为什么要做这么多很花钱的实验去证实一个看来已经很好的理论？回答是，所有这些广义相对论实验都只涉及太阳系的引力场，而这个场是处处都很弱的，也是定常态的（即不随时间变化）。这个繁荣的实验引力时代激发了理论家们的想象，许多引力理论被提出来与爱因斯坦理论竞争。那些理论大多含有一些附加参量，可以由发明者随意调节。这类理论中最著名的一个是由德国物理学家帕索·约丹（Pascual Jordan）和法国物理学家叶维·舍里（Yves Thiry）提出，后来由美国物理学家卡尔·布兰斯（Carl Brans）和罗伯特·迪克（Robert Dick）所发展的（迪克本人对实验引力的发展有着卓越的贡献）。
由于附加参量的灵活性，那些理论可以被调节得能说明太阳系里观测到的所有效应。那么，怎么能确定究竟哪一个理论是正确的呢？
只有通过分析所有这些理论对强的、动态的（即随时间迅速变化）引力场情况所作的预测，才能作出回答。然而在相当长的时期里，自然界并未给我们提供合适的检验场所，直到1974年双脉冲星的发现，情况才有大变。这两个靠得很近且相互绕转的中子星的轨道周期在变短，观测结果与爱因斯坦理论一致，而与所有其他参与竞争的理论都不相符。
广义相对论无疑是人类有史以来最辉煌的智力业绩之一，而且是由一个人单独完成的。1911年，在布拉格大学工作的爱因斯坦首次计算了光线在引力场中的偏折。他的结果本应在1914年日食时检验，但是第一次世界大战的爆发使这个计划搁浅。这对爱因斯坦来说倒是幸运的，因为他的理论在当时还不成熟，他的预测是错的。然而，他没有因挫折而丧气，他承认自己是一个科学上的“偏执狂”。英国物理学家泡尔·狄拉克（PaulDirac）后来说道：“科学完全占据了爱因斯坦的思维。如果他给你一杯茶，当你在用匙搅动时，他就会在思考如何对杯中茶叶的运动作出科学的解释。”
爱因斯坦于1915年11月完善了他的广义相对论方程，并陆续于11月4日、11日、18日和25日在《柏林报告》（Berliner Berichte）上发表，他的理论从此走上了灿烂的历程。最早的两本有关专著于1918年出版，一本是在伦敦，作者是阿瑟·爱丁顿（那时，德国科学在英国受到冷遇，英国图书馆不再接收德国期刊。爱丁顿读到的爱因斯坦论文，是他的一个德国朋友邮寄的，可能是英国仅有的一份）；另一本是在柏林，由赫曼·魏尔（Her-mann Weyl）写成。光线经过太阳附近时的偏折，是1919年5月29日日食时在巴西的索布拉尔观测到的，这应感谢弗兰克·戴森（Frank Dyson）和爱丁顿的热忱。对爱因斯坦预言的证实是皇家学会于1919年11月6日在伦敦举行的一次著名会议上宣布的。
那时，第一次世界大战刚刚结束。整个世界噩梦初醒、疲惫不堪，而又在寻求着新的思想。爱因斯坦理论以其关于弯曲空间的稀奇思想抓住了公众的想象，尽管一般人连其中的一个字都不懂，无数的科普文章出现在通俗的和专业的期刊上，人们都被迷住了，相对论成了时髦的话题。爱因斯坦成了世界上最负盛名的思想家，无论是哪一方面的问题，都有人去问他的观点。美国以隆重的仪式欢迎了他，他成了公众的偶像。
科学界的反应就复杂得多。有的人为爱因斯坦独行侠式的创造所倾倒，赞美之词超过以前对牛顿的赞美。“思辨威力的一个最美妙的例证”，赫曼·魏尔这样宣称，并且又毫不犹豫地加上：“遮掩真理的墙已被推倒。”马克斯·玻恩（Max Born）则在1955年说是“人类智慧最伟大的成就”。值得强调的是，在物理学家中，对广义相对论最强烈支持的是那些能够理解它的人。
另一方面，那些拒不接受这个理论的人也是太过分了。很难不提一位物理学家波阿色（H·Bouasse）的令人惊讶的评论：“这种在我看来将是短命的赞誉，是由于爱因斯坦理论不属于物理理论的范畴，它是一种先验的、凌驾于一切之上的、不可理解的假设，给它的成功予以模棱两可的理由……，最后，我们实验物理学家要说的是：我们只接受那些适合我们的理论，我们拒绝那些我们不能理解因而对我们无用的理论。”
广义相对论的另一个激烈反对者阿尔瓦·古尔斯腾（Allvar Gullstrand）是瑞典的眼科学家和数学家，1911年诺贝尔生理学奖获得者，也是诺贝尔物理学奖委员会成员。这或许就是为什么1921年授予爱因斯坦诺贝尔奖是“特别由于他对支配光电效应的定律的发现”，而不是由于他的相对论。
法国物理学家约翰·爱森斯塔（Jean Eisenstaedt）评论道：“这种偏见就像正派的绅士们憎恨本世纪产生的立体派、非图形派和达达派绘画。那些绅士们庆贺自己不懂新艺术，而嘲笑表示赞扬的人是不懂装懂的假内行。”
这里，对科学和艺术创造二者的对照是恰当的。广义相对论常被比作一项优美的抽象艺术创作，然而一个理论的优美并不保证它的正确，注重实用的物理学家需要时间来确认它符合自己的原则。国际天文学联合会（它每三年举行一次全世界天文学家的大会）于1922年热情地设立了一个“相对论”委员会，它只开过一次会，然后就决定再继续活动是无益的。
时至今日，争论仍未结束。然而相对论仍在发展壮大，尤其是在过去的近30年里，其起因则是来自奇特的遥远星球的闪烁信号首次进入了大型射电望远镜。
第三章：超光速之谜：时光可以倒流吗
爱因斯坦狭义相对论认为：宇宙中所有的物体，其相对速度运动都无法超过真空中的光速。
但是，人们的思维并没有被这种结论封闭住，仍在发挥着探索精神，寻找着超光速运动的粒子，简称快子。科学家们相信快子的存在，但要想发现它却比登天还难，因为它的速度要比光速快几百万倍。
近些年来，天文科学家在宇宙中陆续发现了一些超光速运动的天体。
对超光速天体的发现和对快子的论证，为科学家提出了新的课题，等待着人们做进一步的探索。
1.开启电讯时代的麦克斯韦的光
狭义相对论支配着所有涉及高速度、高质量的现象。要想了解超光速，必须先了解狭义相对论。要想了解狭义相对论，必须先了解电磁理论。
在19世纪末，物质间的作用力被分为三类：引力、电力和磁力。电的特征是存在正、负两种电荷。同种电荷相互排斥而异种电荷相互吸引，作用强度随距离变化的关系则与引力一样。磁力是磁体的特性，磁体吸引铁，并指向地球两极的方向。每个磁体都有两个极，即北极和南极，同种磁级相排斥而异种磁极相吸引。这些知识在我们读初中时已经获知，这里无须详尽阐述。
在吸引与排斥的行为上，电和磁看来很相似。古希腊人已经觉察到与毛皮摩擦过的琥珀能吸引碎草片（英文中电一词就是来自希腊文中琥珀一词），天然磁矿石能吸引铁屑。公元前6世纪，希腊大几何学家泰勒斯（Tha-les）认为，电和磁是同一种现象，这些奇特的物质含有吮吸周围物体的“精灵”。
24世纪以后，丹麦物理学家克里斯琴·奥斯特（Christion Oerted）在上一堂电流实验时，一根磁针碰巧正放在他的实验装置旁边。他注意到，每当接通电流时，磁针就发生偏转。这个发现之后几个星期，安德烈·安培（Andre Ampere）和弗兰克·阿拉果（Francois Arago）提出了一个理论，即变化的电力产生感应磁力，反之亦然。随后的实验工作充分地证实了电和磁现象之间的密切关系。
然而，电磁理论只是在1898年发现了电子后才得到真正验证。这种作为原子基本成分之一的基本粒子，带有不可再分的电荷，因而作为电荷的基本单位。通常的原子是电中性的，因为原子核外电子的负电荷被束缚在核中的正电荷所抵消。电荷可以静止，也可以运动，例如金属导体中的自由电子可以到处运动。正是电荷在电场作用下的运动形成了电流。
类似地，天然磁石的磁性是由其分子之间的微型电流所产生的。在大得多的尺度上，地球的磁场也是由其转动着的镍-铁核中电导物质的大规模运动产生的。电与磁的真正统一是在1865年，麦克斯韦把它们的所有性质概括在四个方程中，建立起了电磁场理论。
一个静止电荷具有不随时间变化的径向电场。当电荷运动时，其周围电场会自己调节到新的位置，场的变动以一个有限速度即光速传播。电荷的任何移动都使场发生这种变动，特别有意义的是，如果电荷作周期性运动，则场的变动取波的形式，恰如一根棒子在水里上下搅动时会造成环形水波一样。麦克斯韦预言，电荷的周期性运动将产生以光速在真空中传播的电磁波。
一个正常峰谷形式的波，两个相邻波峰之间的距离叫做波长，每秒时间内波峰的个数叫频率。人眼能看见的光只是电磁波谱中很小的一部分，即一个很窄的波段。波长越大，频率越小，两者成反比关系。
观测和理论天文学都建立在电磁辐射的性质的基础上。携带着能量和动量（频率越高，携带得越多）的电磁波对与之遭遇的物质施加一个力。例如，照射到这页书上的光在加热着和推着书纸，太阳发出的电磁风能把彗星的尾巴吹得背离它，恒星核心的辐射压能阻止恒星因自身引力而收缩。
电磁理论像万有引力定律一样伟大，它在理论上和实践上都给整个人类文明带来了意义深远的影响。麦克斯韦死后8年即1887年，亨利希·赫兹（Heinrich Hertz）在实验室成功地造出了电磁波。20世纪初，古列莫·马可尼（Guglielmo Marconi）第一次实现了跨越大西洋的无线电联系，电讯时代从此开始。
2.运动与静止：从伽利略到爱因斯坦
相对论，这一在20世纪物理学里居于中心地位的辉煌成就，其思想并非由爱因斯坦首创。相对性原理作为物理定律的基础已有3个世纪之久，这通常归功于伽利略，而实际上给出正确表述的是笛卡儿。
在对自然界的研究中运用相对性原理，意味着可以合理地期望对物理现象的表述而不依赖于观测者的位置和运动。如果各个观测者得到的物理定律具有同样形式，他们所取的参考系就是等价的。
伽利略已经注意到这样两个人所作的观测的等价性：一个在一条停靠港口即相对于陆地静止的船里，另一个在一条沿直线匀速驶离港口的船里，每人都从舱里1米高处释放一只球，则两球都竖直下落，经历的时间都是0.45秒。
伽利略知道，由于地球是圆的，驶离港口的船在作圆周运动。受圆形为完美的古老思想影响，他因此断定圆周运动是物体的自然状态，与静止不可区分。笛卡儿也认识到，均匀平动，即无限直线上的匀速运动，与静止不可区分。现代人都有这样的体验，坐在停着的火车里看旁边一列开动的火车，会觉得自己的车在朝相反方向开动。
这些现象虽然简单，却包含着深刻意义，因为它们表明静止与匀速运动之间并无差别。静止是一种惯性状态，与之等价的匀速运动就也是惯性状态。
惯性原理可以表述如下：一个自由物体，即不受任何力的物体，以恒定速度运动。
地球本身几乎是一个理想的惯性参考系，因为对于通常实验室里时间不长的实验来说，地球绕太阳的转动可以近似看作以30公里/秒的恒定速度沿直线运动。考虑到地球的自转，可以通过选定指向遥远恒星的方向来建立地球惯性系。（1）射手与火车
惯性原理给予匀速运动的参考系以优越地位，这些参考系中的自然规律表现为“静止”的形式。伽利略的相对论，以及后来爱因斯坦的狭义相对论，都建立在所有惯性系（包括静止参考系和匀速运动参考系）是等价的这个基础上。
但是，仅仅确定惯性系的这种性质是不够的。有了一个惯性系中对某一自然现象的描述，物理学家还必须能在任何别的惯性系中也作出描述，他们需要的是从一个惯性系转换到另一个惯性系的具体方式。正是在这个关键点上区分了伽利略相对论和狭义相对论。
爱因斯坦喜爱的表述这些抽象概念的方式是拿一列以υ=108公里/小时（30米/秒）的恒定速度奔驰的火车作例子。现在有两个惯性系，静止的铁轨和相对于铁轨作匀速运动的火车。设想有一个坐在车厢顶上的人朝火车前进的方向射出一颗子弹，子弹相对于人的速度是υ′=800米/秒。
运用伽利略变换公式从火车惯性系转换到铁轨惯性系，铁轨上的观测者测得的子弹速度是υ′+υ=830米/秒。如果车厢顶上的人再朝相反方向打一枪，则从铁轨上测量的子弹速度是υ′-υ=770米/秒。与人们的常识一致，伽利略变换公式可以归结为简单的速度矢量合成。（2）亚里士多德的第五要素
如果所有恒速运动的参考系都与静止参考系等价，设想一个固定在欧几里德几何的绝对空间里的参考系是很有吸引力的。对伽利略来说，这个绝对空间在太阳上，因为太阳是宇宙的中心。牛顿则认为，绝对空间是以太，是亚里士多德的（气、水、火、土以外的）第五要素，是一种弥漫于物体之间所有空隙的完全刚性的物质。
电磁理论的建立似乎支持了关于以太的思想。很难想象一个波能够没有媒质而传播：声波要有空气，水波要有水。光作为电场和磁场的一种振荡，也就必然需要一种振动的媒质使之得以传播，于是可以把以太定义为电磁波传播的媒质。
再来看火车上的射手。这回他用一支光枪，射出速度为300000公里/秒的光弹。按照伽利略变换公式，铁轨上的观测者测得的光速应分别是c=u=300000.03公里/秒（朝火车前进方向发射时）和c-u=299999.97公里/秒（朝相反方向发射时）。迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morley）的实验，以地球来代替火车，以以太来代替铁轨，证明了以上的推算是错误的。
这些著名的实验是阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Mich-elseon）和爱德华·莫雷（Edward Morey）在1881年到1894年之间做的。他们本来的意图是确定地球相对于以太的绝对速度，为此制作了一台非常灵敏的干涉仪，用来测量沿地球运动方向和垂直方向上的两束光之间的差异。他们预期能由此将地球的绝对运动测定到每秒几千公里的精确度。
迈克尔逊-莫雷实验的原理可以用两条船的竞赛来比喻。两船的速度都是c，河水以恒定速度υ流动。A船沿与水流平行的路线行驶一个来回，B船则由河的此岸驶到彼岸，然后返回。每条船行驶的距离都是河宽的二倍。按照毕达哥拉斯定理，B船将获胜。
在迈克尔逊一莫雷实验里，c是光速，υ是以太相对于地球的速度，但是比赛结果却不同：两条“光子船”总是准确地同时到达。要弄懂这个结果，要么得设想地球是完全静止在以太中，要么以太根本就不存在。
事后看来，如果我们严格遵照电磁理论，迈克尔逊和莫雷的结果并不奇怪。麦克斯韦理论是与伽利略的相对性原理明显矛盾的，因为其中的光速是不变的，完全与参考系无关。无论光弹沿什么方向射出，铁轨上的观测者测得的光弹速度既不是30000.03公里/秒也不是299999.97公里/秒，而是300000公里/秒。光速在任何方向上、在任何参考系里都是完全一样的。
伽利略相对论曾被认为是对惯性系中自然定律普适性的表述，而支配电磁现象的麦克斯韦方程公然与之对抗。伽利略-牛顿的时空概念与电磁理论是不相容的，其中一个必须被抛弃。
当爱因斯坦在1905年意识到这个矛盾时，他立即认定电磁理论是正确的，并作为一条基本原理提出：真空中的光速是绝对不变的，是信号传播的最高速度。与这条原理不相容的伽利略相对论不得不让位于一个新的相对论，后来被称为狭义相对论（广义相对论的建立是在十年以后）。
伽利略相对论中从一个惯性系到另一个惯性系的变换公式也就必须代之以狭义相对论的公式（在广义相对论里惯性系的实质将被改变），这就是罗伦兹（Lorentxz）变换。这种变换使麦克斯韦方程保持不变，光速也成为绝对常量。
对火车射手实验，伽利略的速度和公式ω=υ+υ′被换成一个稍微复杂一些的、保证光速不变的公式。如果υ=υ′=c，由新的公式将得出ω仍等于c。这个结果似乎与读者的常识相违背，难道铁轨上的观测者不正是如伽利略变换得出的那样，测量的是830米/秒和770米/秒吗？然而，实际上这里并无矛盾，因为只有对极高速度（远高于地球上常见的物体运动速度）的情况，罗伦兹变换才与伽利略变换有显著的差别。即使是对地球绕日公转运动（速度高达30公里/秒），罗伦兹变换公式带来的修正也只有百万分之一。
只有当速度大于10000公里/秒时，相对论效应才显得重要。因此，牛顿力学仍然适用于大多数物理现象，对所有不涉及高速的情况都能给出正确结果。相对论效应狭义相对论效应只是在速度高到接近于光速时才变得显著，在低速情况，运动与静止时各物理量（长度、质量和时间）值之比总是接近于1。
3.明可夫斯基时空：光使时空联姻
在本世纪的开端，相当多的物理学家都意识到了迈克尔逊-莫雷实验给物理学带来的危机，强调这一点无损于爱因斯坦的功绩。有些学者，例如亨德里克·罗伦兹（Hendrik Lorentz）和亨利·彭加勒（Henri Poincare），对这场危机的洞察尤为深刻。罗伦兹首先提出（1904年）时间和长度都随参考系速度的变化而变化。1905年，彭加勒在他的论文“论电子的动力学”中引入了一个数学式，后来由赫曼·明可夫斯基（Hernann Minkowski）于 1908年发展完善，其中把时间作为第四个维度。新的相对论的确已如躁动在母腹中的婴儿。
彭加勒的论文发表后一个月，爱因斯坦的“论运动物体的电动力学”在德国的《物理学杂志》（Annalender Physik）上发表，当时在伯尔尼专利局供职的爱因斯坦看来并不知道他的前辈们的工作。狭义相对论的最终诞生，是因为爱因斯坦并不满足于只推导公式，他构造出了一个由光编织成的新时空。
在伽利略和牛顿的宇宙里，时间和空间是相互完全独立的。空间有三个维度，就是说，需要有三个坐标来确定空间中的一个点。空间是由欧几里德几何来量度的。（几何一词的原意是“大地测量”）。两点之间的最短路线是连接它们的直线，两条平行线只在无穷远处相交，三角形的内角和是180°，等等。这些定律在学校里被讲授着，因为它们在日常生活中高度精确地成立，两点之间的空间距离总是与测量者无关。
时间只由一个数来量度，与空间维度不同的是，它总是只朝一个方向流驶，从“过去”流向“未来”。从观察上和情理上都可确认，一个事件的原因总是在其结果之前，这种不可逆转的次序称为因果律。
时间与空间一样，对所有观测者都是相同的。既然速度没有上限，所有的钟，无论它们之间的空间距离有多远，都能被即时地调为同步，并继续保持指示出一致的时间。因此，伽利略一牛顿时空的因果结构就归结为，一个在空间同时地延展的现在时间，把过去和将来分离开来。
把时间和空间作为独立实体的观念遭到与牛顿同时代的数学家和哲学家威尔赫姆·莱布尼兹（Wilhelm Lerbniz）的强烈反对。他以哲学论据坚持时间和空间只能是联系于物质而存在。两个世纪后，爱因斯坦的相对论证实了莱布尼兹的观点，时间间隔和空间距离都不再是固定的量，它们依赖于观测者与被观测物体之间的相对速度。伽利略——牛顿的绝对时空结构让位于一种新的四维结构，即明可夫斯基时空。
时空中的一个点是一个事件，由三个空间坐标和一个时间坐标来确定。两个事件间的间隔是不变量（即不依赖于参考系），但现在是时间间隔和空间间隔的结合，每一个都不再单独守恒。
本书将频繁使用的一种能清晰地表述时空结构的方式是光锥。想象空间中的一个点和一条由该点发射的光线，在一个没有任何物质的空间，光波的波前是一个以发射点为中心的圆球这个球以光速随时间膨胀。仍略去空间的一维，光波就能由该图表示。随时间膨胀的光球在图中成为一个圆锥，其顶点是光所发出的位置和时刻（即一个事件）光锥描述光线发出后的经历。
狭义相对论的基本出发点是任何粒子都不可能运动得比光更快，光速是一个绝对恒量。这就是说，1秒钟内任何粒子走过的距离不可能大于30000公里，而光则能精确地走过这个距离，在时空图上是这样来显示的，所有粒子的世界线（用以称呼时空轨迹的名词）都位于光锥内部，而作为极限的光子（光的粒子）世界线则严格地座落在光锥面上，因为光锥正是由光线来规定的。
在明可夫斯基时空里，光速是信号传递的极限速度，这使得其因果结构与牛顿时空的大不相同。对某一事件E，光锥把所有的时空事件分成两种：能够被来自E的电磁信号所影响的事件（光锥内部）和不可能被影响的事件（光锥外部，或称“外界“）。狭义相对论禁止任何一条世界线从光锥内穿到外界，也禁止反向穿越（这并不排除完全处于外界区的世界线。有人假设了一种在外界区以超光速运动的粒子，称为“快子”，但是关于这种粒子的理论有许多棘手的问题，在实验室里也从来没有探测到其存在）。
总之，光线的轨迹使我们能够构造出一个时空连续体的框架。狭义相对论中没有引力，所有的光锥都是相互平行的，因此，明可夫斯基的时空连续体是刚性的，或者说是平直的。伽利略和牛顿的时空分离的观念被统一的时空观念代替了。
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