第8章 第七章神奇的時鐘結構

1630年前後，伽利略在撰寫《關於兩大世界體系的對話》開頭幾頁時，曾兩次談到，意大利的科學（以及貿易）正面臨著被北方的競爭者所取代的危險。這個預言真是太準確了。當時伽利略最留意的一個人就是天文學家約翰尼斯?開普勒（Johannes Kepler），開普勒於1600年來到布拉格，年僅28歲，並在布拉格度過了他一生中成果最為豐富的歲月。 他提出了行星運動三大定律，把哥白尼體系關於太陽和行星運動的一般性描述轉變成為一種精確的數學公式。 第一，開普勒指出，一個行星運行的軌跡略呈圓形：它實際上是一個橢圓形，太陽位於稍稍偏離中心的某一個焦點上。第二，行星運行的速度並非恆定不變；行星和太陽的聯線在掃過該行星軌跡和太陽之間的面積時，其速度恆定不變，第三，一個行星公轉一周——即一年——所需的時間隨該行星至太陽的（平均）距離的增加而增加。

這就是伊薩克?牛頓（Issac Newton）在1642年聖誕節出生時的實際形勢。這時，開普勒早在12年前就與世長辭，伽利略也正好於這一年去世。當時，不僅天文學，整個自然科學都處在一道分水線上：一個新的偉大頭腦誕生了，他親身經歷了由那已完成歷史使命的陳舊的描述法向未來的動力因果關係的闡釋法的重大轉變。 到1650年時，文明世界的重心已從意大利移到了北歐。明顯的原因是，由於美洲的發現和開發，世界的通商貿易路線與從前不同了。地中海再也不像它的名字所暗示的那樣，是什麼世界的中心了。正如伽利略早已警告過的，世界的中心已經向北轉移到大西洋邊沿地區。伴隨著與從前不同的通商貿易關係，產生了迥然不同的政治觀念，不過意大利和地中海地區卻仍然處於一些獨裁政府的統治之下。

這時，在北方的信奉新教的航海民族，英格蘭和尼德蘭，各種新思想和新理論在向前發展。英格蘭正在成為一個共和製的、清教徒的國家。荷蘭人橫渡北海，來到英格蘭，他們排幹沼澤地的積水，使低窪的泥沼從此變為堅實的土地。在這廣闊的平川上，在這林肯郡（Lincolnshire）的朦朦霧靄中，培養出一種獨立精神，奧立維爾?克倫威爾（OliverCromwell）正是在這裡組建了他的“鐵軍”（Ironsides）。到1650年，英格蘭成為一個共和國，它斷然處決了在位的君主，使他人頭落地。 1642年，牛頓在烏爾索普（woolsthorpe）他母親家裡出生時，他的父親已在幾個月前去世了。不久，母親也改了嫁，小牛頓由外祖母撫養。他雖然還算不上是一個完全無家可歸的孩子，但從那時起，他從未表現出他是一個曾經享受過父母之愛的人。在整個一生中，他總是給人一種孤僻的、不為人所愛的印象。牛頓終生未娶。他似乎一直未能充分享受這種人間的溫暖，正是這種溫暖的情感使我們在同別人的交往相處中不斷磨礪思想，而成就也因此成為思想的自然結果。不過，與此恰恰相反，牛頓的成就都是單獨完成的，而且他一直擔心別人會竊取他的成果，正像（或許他這樣認為）他們曾奪走他的母親一樣。至於他在中學和大學求學的情況，我們幾乎一無所知。

牛頓從劍橋大學畢業後的兩年，即1665年至1666年，正值瘟疫流行，學校關門停課，他只好回家居住。孀居的母親也已回到烏爾索普的外祖母家中。在這裡，牛頓終於找到了自己的“金礦礦脈”：數學。今天，他的各種筆記本都已被人們查閱過，顯然，牛頓並沒有受過良好的訓練，但他自己求證了大部分他所知道的數學問題。後來，他繼續作出富有獨創性的發現。他發明了流數，即我們今天所說的微積分。當時，牛頓把流數看作是自己的秘密工具；他用流數得出了計算結果，卻又仍然用常規的數學形式把這些結果寫出來。 在烏爾索普，牛頓形成了萬有引力的構想，並且通過對月亮圍繞地球運動的計算加以檢驗。月亮，對於牛頓來說，是一個有力的象徵。他推想，假如月亮因地球的吸引而沿自己的軌跡運行，那麼，月亮就好像一個被用力拋擲著的球（或者蘋果）一樣：她落向地球，但她下落的速度是如此之訣，以致於她總是錯過地球——由於地球是圓形的，所以月亮總是不停地圍繞地球轉動。那麼，地球對月亮的引力究竟育多大呢？

我推斷，使行星不脫離自己的運動軌蹟的各種力必定與從這些行星到它們繞行的中心之間的距離的平方成反比關係，於是，我又將月球沿自己的軌跡運行所需要的力與地球表面的引力進行比較；我發現比較的結果與我的推斷十分接近。 這種言辭含蓄的陳述鮮明地體現了牛頓的性格。事實上，他在第一次粗略的計算中，已經得出了接近於真值的月球轉動週期，大約為271/4天。 當你一舉求得這個正確的數字財，你也會像當年的畢達哥拉斯那樣，覺得大自然的一個奧秘已在自己掌握之中。一條普遍的法則駕馭著那神奇的天體運行的時種，而月球的運行只不過是其中一段和諧的插曲而已。這猶如一把已經插入鎖孔的鑰匙，你只要扭動一下，大自然就會把有關她的構造的大量證據奉獻在你面前。不過，如果你是牛頓，你是不會把這個秘密公諸於世的。

1667年，牛頓回到劍橋，成為該校三一學院的一名研究員。兩年後，他的老師辭去數學教授職位。正像一般人歷來所認為的，這也許對牛頓不會有什麼明顯的好處，但結果卻不出所料一——牛頓被任命為數學教授。當時他年僅26歲。 牛領發表了他關於光學的第一部著作。就像他的全部偉大思想一樣，這也是“在1665年和1666年瘟疫逞兇的那兩年中”醞釀成熟的，“因為那正是我一生中創造力最旺盛的時期”。牛頓並沒有因瘟疫而閒坐家中，在瘟疫緩解後不久就回到了劍橋大學三一學院。 令人奇怪的是，我們大家都公認的這位闡釋物質世界的大師竟會以探索光的奧秘來開始他的科學生涯。這有兩個原因：首先，他所生活的環境是一個航海家的世界，當時英格蘭所有的才智之士都在致力於研究遠洋航行中產生的種種問題。像牛頓這樣的人當然並不認為自己正在從事什麼技術研究——如果這樣解釋他們的興趣所在，未免太天真了。正如年輕人常有的情形一樣，他們也被那些舉足輕重長輩們曾經熱烈爭論過的問題所吸引。望遠鏡就是當時的一個十分突出的問題。而且，牛頓也正是在為他自己的望遠鏡磨製鏡片時才第一次認識到白光中的顏色問題。

然而，除此之外，還有某種更為重要的原因。物理現象總是由能量與物質的相互作用構成的。我們藉助於光線看到物質，而正是由於物質的阻隔，我們才意識到光線的存在。這種思想貫穿著每個偉大的物理學家的世界，他發現，在這兩者之中，離開了其中一個，就無法加深對另一個的理解。 在1666年，牛頓開始考慮究竟是什麼東西在透鏡邊緣造成衍射光紋的問題，並觀察用一枚棱鏡模擬這種光紋的效果。每一枚透鏡的邊緣，就是一枚小小的棱鏡。當然，梭鏡造成五彩繽紛的光線這一事實，已是陳詞濫調，就像亞里士多德一樣，老掉牙了。是的，那個時代的所有解釋都是這樣，因為它們都沒有作出定性的分析。這些解釋只是說，白光穿越玻璃，在細的一端變得暗淡一些，變成了紅色；玻璃越細，光線就越暗淡，變成綠色；在玻璃最細之處，光線更加暗淡，變成蘭色。真是太奇妙了！這些說法，什麼問題也沒有解釋，聽起來卻滿有道理。正如牛頓所指出的那樣，當他讓陽光從一道縫隙中射進去，穿過他的棱鏡時，這個未予解釋，顯而易見的問題就不言自明了。這就是，陽光射入時像一個圓輪，射出時成了一種拉長的形狀。每個人都知道光譜被拉長了，對認真觀察的人來說，他們通過某種方式知道這一點已有1000年之久。但是，這仍然使牛頓這樣才能卓絕的人絞盡腦汁，去解釋這個顯而易見的現象。牛頓認為，光線顯然並沒有被改變；光線實質上是分離的。

在科學解釋中，這是一個完全嶄新的思想，牛頓的同時代人難以企及。羅伯特.胡克（Robert Hook）同他爭論，各種各樣的物理學家也同他爭論；直到牛頓自己對所有的爭論感到如此厭煩，以致他在給萊布尼茨的信中寫道：我對由我的光學理論的發表引起的種種爭論深感困擾，我責怪自己輕率地放棄了那與世無爭、恬然自得的幸福生活。 從那時起，他真的拒絕參與任何爭論——自然也拒絕與胡克這樣的辯才討論問題。直到胡克去世一年以後，到了1704年，牛頓才重新發表他關於光學的著作，他警告英國皇家學會主席說：我無意更多地關心哲學問題，因此，我希望，如果你們發現我在這方面無所作為，不要感到不快。 但是，還是讓我們從頭開始，用牛頓自己的話來說吧。在1666年，我為自己製成一枚三棱鏡，試圖研究與此相關的著名的“顏色現象”。我設法使房間裡的光線暗下來，只在窗簾上弄了一個小孔，讓適當的陽光從那裡射進來，然後把我的三棱鏡放在陽光射進來的地方，光線就被折射到對面的牆上。起初，看著由此產生的種種生動顏色，倒是一件十分開心的事；但在認真地思忖了一會兒之後，我很驚訝地發現這些顏色呈長方形，按照有關光的折射的習慣看法，我本來指望看到的是圓形。

我還看到，射向影像（Image）一端的光確實比射向影像另一端的光產生出更大的折射。因此，影像長短變化的真實原因不會是別的，光是由具有不同折射性的射線組成的，這些射線，與它們的射入角沒有任何關係，按照各自的折射率，投射到對面牆上的不同地方。 光譜的拉長現像在這裡得到了解釋；它是由色彩的擴展和分離引起的。藍色比紅色彎曲或析射得更厲害，而且，這也是光的一種絕對不變的特性。 於是，我又裝置了一枚棱鏡……以便光線能夠在穿過之後、在到達牆上之前產生折射。 然後，我把第一枚棱鏡拿在手上，慢慢地圍繞其中的軸線來回翻轉，圖圄使影像的幾個部分……成功地通過……這樣，我就可以看看第二枚棱鏡將光線折射到牆上什麼地方。

當任何一種射線與其它射線分開後，它就始終保持它的顏色，儘管我盡最大努力試圖改變它，也無濟於事。 關於這個問題，傳統觀點是這樣認為的：如果光線被玻璃減弱，第二枚棱鏡就應當產生新的顏色，把紅色變成綠色或藍色。牛頓把這次實驗叫作“批判性實驗”。這次實驗證明，一旦顏色由於折射而被分離，它們就再也不會發生變化了。 我已經用棱鏡使光線發生了折射，並用這束光線照射到在日光下呈現其它顏色的物體上，我用夾在兩塊玻璃之間的彩色膠片截斷這束光線：讓光線透過彩色的中介，而且是透過由別的射線照耀著的中介；但仍不能從中產生任何新的顏色。 然而，最驚人、最奇妙的是白光的構成。沒有哪一種射線可以單獨地顯示出白光。白光是複合而成的，它的構成需要用上述原色按一定比例混合起來才行。當我看到棱鏡折射的各種顏色被聚集在一起，再次混合起來，重新形成完全的和純粹的白光時，不禁讚歎不已。

因此，白色是光的正常顏色，這一點得到了證明，因為，光是各種不同顏色引起的射線的混合，這些射線從發光體的不同部分不加區別地投射出來。 牛頓在被選為英國皇家學會會員後不久，給學會寫了這封信。他早已表明，他是一個新型的實驗者，懂得怎樣形成一種理論，怎樣果斷地針對各種可能的結果來檢驗這種理論。他為自己的成就而深感自豪。 一位博物學家不會指望看到這種關於顏色的科學竟會具有數學的性質，但是，我敢於肯定，在這中間，具有和光學的其它任何部分一樣的確定性。 於是，牛頓在倫敦開始享有他在大學裡所具有的同樣的聲譽，一種對色彩的感覺似乎傳入這個繁華都市，好似光譜把它的絢麗光輝灑遍了商人們帶到首都來的綾羅綢緞。 畫家的調色板變得更加豐富多彩，產生了對來自東方的色彩繁富的藝術品的鑑賞趣味，人們自然而然地使用起大量形容顏色的詞藻來。亞歷山大?蒲柏（Alexander Pope）在牛頓發表《光學》（Opticks）時，年僅16歲，其詩作在美感上自然比不上莎士比亞，但他用了比莎士比亞多3倍或4倍的顏色詞彙，而且比莎士比亞以多達10倍的次數使用這些詞彙。 例如，蒲柏關於泰晤士河中游魚的描寫：眼睛明亮的河鱸，鰭翅紫紅，銀白色的鰻魚，在閃閃波光中盤繞，金色的鯉魚金光燦燦，四下游動，疾遊的鮭魚，身上課紅的斑點各各不同。假如我們沒有意識到這節詩可以被看作是一種運用顏色詞的練習，我們就會感到莫名其妙。 在大都市享有盛名，意味著種種不可避免的新的爭議。牛頓在致倫敦科學家的信中，扼要總結了他所取得的結果，這引起人們的紛紛議論。 1676年以後，與萊布尼茨關於發明微積分的優先權的漫長而痛苦的爭執也是在這裡開始的。牛頓絕不會相信，萊布尼茨這位強有力的數學家已經獨立地證明了微積分定理。 牛頓曾打算從科學界徹底退休回到三一學院的迴廊中去。學院大廈對一位境遇安適的學者來說，是一個寬敞的地方，在那裡，他擁有自己的小實驗室和花園。在內維爾院內（NevillesCourt），雷恩大圖書館（Wrens Great Library）正在修建。牛頓為建館基金捐贈了40英鎊。他似乎期待著一種潛心自修的學究式生活。但是，即使他拒絕在倫敦的科學家們中間應付周旋，他們也會找到劍橋來與他進行辯論的。 還在瘟疫流行的1666年，牛頓就已經開始關於萬有引力的構想，並且用這一思想非常成功地描繪了月亮圍繞地球的運行。在隨後的近20年內，他幾乎完全無意發表任何有關地球繞太陽運行這一更為重大的課題的論著，這似乎有些不同尋常。雖然還說不准絆腳石在什麼地方，但事實卻是明擺著的。只是到了1684年，才與在倫敦的克利斯多夫?雷恩爵士（Sir Christopher Wren）、羅伯特.胡克和年輕的天文學家愛德蒙德?哈雷（EdmondHolley）之間爆發了一場爭論，而這場爭論正是哈雷到劍橋拜訪牛頓的一個結果。 在他們相處了一段時間後，這位博士（哈雷）問牛頓，假定吸引力在從行星到太陽的距離範圍內相互起作用，他認為行星運行時勾劃出來的曲線是什麼樣子。伊薩克?牛頓爵士立刻回答說，將會是一個省略號（ellipsis）。 博士又驚又喜，問他是怎麼知道的。 “是這樣的”，他說，“我已經計算過了。”於是，哈雷博士要求他馬上拿出他的計算結果。伊薩克?牛頓爵士在稿紙堆中找了一下，沒有找到，但他答應重新計算，然後再把結果寄給哈雷博士。 花了整整3年，即從1684年到1687年，牛頓才寫出對這個問題的證明，並以《自然哲學的數學原理》（philosophiae naturalis principia mathematica）這樣一長串字為書名而發行，哈雷關懷、勸誘甚至資助了《原理》的寫作和出版，而薩繆爾?佩皮斯（SamuelPepys）則作為皇家學會主席接受了這部著作。 作為關於這個世界的一種體系，這部著作從出版之日起，就當然地引起了轟動。這是關於被納入一整套規律和法則的世界的絕妙描述。但遠遠不僅如此，這在科學研究方法上也是一個里程碑。人們把科學的描述，看作是一連串的命題，一個接著一個，源出於歐幾里得（Eucilid）的數學。情況也真是如此。但是，直到牛頓通過把數學從靜態的描述轉變為動態的描述，從而使科學成為一種物理體系之後現代科學方法才真正算得上是嚴謹而周密的了。 而且，我們在該書中確實可以看出絆腳石在什麼地方，明白牛頓為什麼在很好地描繪了月亮運行軌道之後沒有再深入進行探索的原因。例如，我相信，這是因為他在論述“一個天體怎樣吸引一個粒子？”的第十二節中未能解決這一問題。他在烏爾索普作過粗略的計算，把地球和月亮都當作粒子。但是，它們（包括太陽和行星）都是龐大的天體，它們之間的吸引力是否能夠被它們的圓心之間的吸引力所取代呢？是的，可以取代。但僅僅對（這一點已不無諷刺意味地得到了證明）那種縮小在正方形距離範圍內的吸引物來說才是這樣。在這裡，我們看到了牛頓在發表他的著作之前必須克服的極大的數學困難。 當牛頓遇到諸如“你沒有解釋引力為什麼起作用”、“你沒有解釋在遠距離上的運動是怎樣發生的”或者“你沒有解釋為什麼光以這種方式起作用”等問題的挑戰時，他總是用同一句話回答說：“我不作任何假設。”他說這句話的意思是：“我不作形而上學的推測。我制定一條法則，然後由此解釋符合這條法則的現象。”他在他的關於光學的著作中，的的確確是這樣說的，作為光學方面的一種新觀點，這也是他的同時代人未能理解的。 如果說，牛頓是一個非常乏味、非常枯燥、非常刻板的人，所有這些就不難得到解釋了。但是我要告訴你們，他並不是這樣一種人。他是一個最不同凡響、性情狂放的人。他曾嘗試過煉金術。背地裡，關於《啟示錄》他就洋洋灑灑地寫了幾大本。他相信，在畢達哥拉斯那裡，就已經發現了反平方（inverse squares）定理。這樣一個私下充滿了這種瘋狂的形而上學和神秘的推測的人，表面上卻如此這般，還聲稱：“我不作任何假設”——這是他神秘性格的一種不同尋常的表現。威廉?華茲華斯（William wordsworth）在《序曲》（prelude）中有過生動的描寫：牛頓，有著棱鏡和一副沉靜的面容。 這真是看的分明說得正確。 牛頓在大庭廣眾中的形象非常成功。顯然，牛頓在劍橋大學得到提升是因為他是一個一位論派教徒——他沒有接受“三位一體”的教義，使他那個時代的科學家為此頗感不安，由於他不能成為一個盡善盡美的人。他不可能擔任一所學院的院長。因此牛頓於1696年來到倫敦，進了造幣局，成了局長大人。胡克去世後，他於1703年接受了皇家學會主席職位。 1705年，他被安妮女王封為騎士。直到1727年他去世時，他一直統治著倫敦的學術界。這個鄉村來的孩子於得真是不錯。 可悲的是，我認為，他幹得漂亮並不是按照他自己的標準來衡量，而僅僅是以18世紀的標準來衡量的。可悲的是，他接受了這個社會的準則，心甘情願地作為一個權勢機構的獨裁者，並把這看作是自己的一生的成功。 一個知識的獨裁者，即使出身低微，也不會是一個富於同情心的人物。牛頓本人在私下的著述中，不像他在大庭廣眾面前總是顯得那麼驕做自大。 解釋所有自然現像這樣一種任務，對任何一個人，甚至對任何一個時代來說，都太困難了！如果準確無誤地作出一些解釋，把其餘的問題留給後人，較之徒然地去解釋一切，要好得多而且，在另一段更為著名的名言中，他表達了同樣的意思，但不如上一段話那樣簡短明晰，多少含有些悲涼的意味。 我不知道對世人來說，我看上去是怎樣一個人；但對我自己來說。我似乎一直是一個在海灘上嬉戲的孩子，不時因發現一個比平常更光滑、更美麗的貝殼而歡欣鼓舞，對眼前這浩瀚無邊的真理的海洋卻全然無知。 直到牛頓年屆古稀，皇家學會都沒有什麼科學的建樹。在喬治（the Georges）家族統治下的英格蘭人們只關心金錢（那時正值“南海泡沫”事件）、政治和醜聞。在咖啡館裡，聰明的商人籌資開辦公司，利用計劃中的發明創造。作家嘲笑科學家，半是出於惡意，半是出於政治動機，因為牛頓是政府機構中的大人物。 1713年冬天，一群心懷不滿的托利（Tory）派作家組成一個文學社團。在安妮女王乾次年夏天去世之前，這個團體經常在女王內科醫生約翰?阿巴思諾特（John Arbuthnot）所在的聖詹姆斯宮裡聚會。這個團體叫作“塗鴉社”（Scriblerus Clube），專愛嘲笑當時的學術社團。喬納森.斯威夫特（Jonathan Swift）在《格利佛遊記》（GulliversTravels）第三章中對科學界的抨擊，就是由他們的議論引起的。這個托利黨人的小團體後來幫助約翰?蓋依（John Gay）在《乞丐的歌劇》（The Beggars Opera）中嘲弄政府；又幫助他在1717年寫了一出叫作《婚後三小時》（Three HoursAfter Marriage)的戲劇。 這次嘲笑的對像是一個誇誇其談、老態龍鍾、名叫“化石博士”（Dr.Fossil）的科學家。 下面是引自該劇中化石博士與一位冒險家普洛特維爾（Plotwell）的一段對話，後者與這家的女主人有暖昧關係。 化石博士（以下簡稱“化”——譯者）：我答應郎夫特太太，把我的鷹化石帶來。這位可憐的太太似乎走錯了地方，可我還以為不至於如此。哈！誰在那裡？我可不喜歡這個傢伙的嘴臉。但我不會過份挑剔。 普洛特維爾（以下簡稱“普”——譯者）：依路斯特利斯日姆多敏尼，哈克阿德維尼——化：依路斯特利斯日姆多敏尼——不要老講拉丁語——如果你不能講英語，我們就無法交談。 普：我只能講一點英“魚”。我久仰一位藝術和科學的傑出人物的大名，他就是大名鼎鼎的化石博士。我想與他建立聯“西”（你們怎麼說？），我想拿我的一些東“石”和他交換一些東“石”。 化：請問先生來自哪一所大學？ 普：著名的克拉科夫大學……普：水文學、動物學、礦物學、水力學、氣體力學、對數學，你想到過對其中奧妙的解釋嗎？ 化：這跟我不相干。 在我們看來，牛頓在生前就受到嘲弄，受到嚴厲批評，似乎太無禮了。但是，事實上，每一種理論，無論多麼的堂而皇之，都包含著必然受到挑戰的種種假說，而且，總有一天必然會被別的理論所取代。牛頓的理論非常接近自然的實際，仍然不免也有這種缺陷。牛頓自己也承認這一點。他提出的最基本的假說是，他開宗明義地宣稱：“我把宇宙看作是絕對的。”這句話的意思是，宇宙到處都是平坦和無邊無際的，就像在我們的居住地一樣。而萊布尼茨一開始就對此提出了批評。不過，這在我們自身的體驗中也是不可能的。雖然我們習慣於我們所居住的平坦的空間，但只要看一看遼闊大地，就會發現這種看法並不全面。 地球是球形的；用此，兩個站在赤道線上相距甚遠的觀察者都可以看到北極點，而且他們每一個人都會說：“我在朝正北方向看。”對於一個生活在平坦的大地上的居民，或相信整個地球就像身邊的大地一樣平坦的人來說，這種情況是難以令人置信的。牛頓真的就像一個從宇宙整體角度主張大地平坦論的人一樣在行事：一手執尺子，一手拿懷錶，在宇宙間往返測量，似乎所到之處都像腳下這塊土地。然而，事實並非一定如此。 但是，如果說宇宙到處都必定呈球形，又有欠公允了。宇宙更可能是有些地方凹凸不平，呈波浪起伏狀。人們可以構想一種馬鞍形的宇宙，大型的物體在某些方向上比在其它方向上更容易滑動。當然，天體的運行也必定與此相同——既然我們能看見它們，我們的解釋也必須符合它們的運行情況。但解釋可以是各種各樣的。制約月亮和行星運行的種種規律應該是幾何學性質而不是引力學性質的。 當時，這還只是有待在遙遠的將來加以證實的一些推測。即使它們過去曾被提出，當時的數學還不能對付這些問題。那些深思熟慮的、具有哲學頭腦的人意識到，牛頓在把空間描繪成一個絕對的座標方格時，已經把人們對事物的看法不真實地簡單化了。與此相反，萊布尼茨曾說過這樣一句預言式的話：“我認為空間是某種純粹相對性的東西，正如時間一樣。” 在牛頓的體系中，時間也是絕對的。要標明天體位置，時間至關重要：首先，我們不知道這些星辰多麼遙遠，它們在什麼時刻經過我們的視野。因此，航海事業要求完善兩種儀器：望遠鏡和時鐘。 首先是望遠鏡的改進。它們集中在當時新建的格林威治（Greenwich）皇家天文台。無處不在的羅伯特?胡克早在大火（Great Fire）以後，在他與克利斯多夫?雷思參予重建倫敦之時，就已規劃了天文台的修建。從那時起，隨時想要確定自己位置——即經緯度——的海員，即使遠在天涯海角，也可以將他識別出的星辰與在格林威治看到的情形進行比較。在每一個海員風雨飄搖的生涯中，格林威治子午線成了固定不變的標誌：子午線，以及格林威治時間。 其次是作為確定位置的基本輔助手段的時鐘的改進。時鐘成了這個時代的象徵和中心問題，因為只有製成一台用於在船上指示時間的鐘，牛頓的理論才能夠應用於航海事業。這條原理十分簡單。既然地球在24小時內繞太陽運行一周，經度的360度中的每一度佔了4分鐘時間。一名水手只要把他在船上觀測到的正午時間與指示格林威治時間的鐘上的正午時間相對照，他就可以知道，每過4分鐘，他就到了離格林咸治更遠一度的地方。 英國政府提供2英鎊，懸賞製作一台在6個星期的航行中可以精確地標明半度的計時器。於是，倫敦的鐘錶匠（如約翰?哈里森）造出了一台又一台精巧奇妙的時鐘，設計了若干個鐘擺，使之在船隻傾斜時仍能正確地指示時間。 這種技術上的難題引起了創造發明的熱潮，確立了從此主宰科學和人們日常生活的對於時間的極大關注。一艘船就是一顆星辰的模特兒。一顆星是怎樣穿越空間的？我們又怎樣才能知道它指示的時間？航船成了人們思考相對時間的一個出發點。 在當時的工匠中，鐘錶匠就是貴族，恰如中世紀的石匠。十分耐人尋味的是，我們所熟知的時鐘，那戴在人們手腕上的脈搏計，那標誌現代生活的袖珍計時器，自從中世紀以來，曾以某種漫不經心的方式激發手藝人鑽研技藝的熱情。而在這時，這些早期的鐘錶匠想要做的，不是知道一天的朝暮晨昏，而是重現那燦爛星辰的流轉運行。 牛頓描繪的時空滴滴嗒嗒地順利走過了大約200年時間。如果牛頓在天之靈在1900年以前任何時候來到瑞士，所有的時鐘都會同聲高奏讚美之曲。然而，剛好在1900年以後的瑞士伯爾尼，就在離這座古老鐘塔不到200碼的地方，一個年輕人成長起來，使這些鐘爭執不休，各奏其調。他就是阿爾伯特?愛因斯但（AlbertEinstein）。 大約在這時，時間和光線第一次開始出差錯了，正是在1881年，阿爾伯特?邁克爾森（Albert Michelson）做了一個實驗（六年後，他又和愛德華?莫雷（EdWard Morley）一道重複了這一實驗），他在不同方向點上燈，吃驚地發現，無論怎樣移動儀器，他總是被同樣速度的光所映照。這種情況大大違反了牛頓的定律。大約在1900年，正是這一陣發自物理學“心臟”中的輕微的雜音，第一次引起了科學家的激動和疑慮。 我們還無從斷定年輕的愛因斯但當時是否已領悟到這個新問題。他並不是一個特別用功的大學生。但是，可以肯定的是，當他到伯爾尼去的時候，也就是在好幾年前當他還是個十多歲的孩子的時候，他就曾經問過自己：從光的角度來看，我們的體驗將會是怎樣的呢？ 對這個問題的回答充滿許多自相矛盾的論點，十分棘手。但是，儘管有這些自相矛盾的論點，最困難的還不是如何回答這個問題，而是如何證明這個問題。牛頓和愛因斯但這種人的天才在於，他們提出一些天真淺顯的問題，而由這些問題引出的答案卻常常是極為驚人的。詩人威廉?庫柏（William cowper）鑑於牛頓的這種品格，把他叫作“一位孩子似的明哲之士”（a child-1ike sage）,這一描繪也完全符合愛因斯但時常流露出來的那種對大千世界無比詫異與好奇的神清。無論是在他談及乘坐一束光線或者是談及穿越空間時，愛因斯但的言辭中總是充滿了對於這種原理的美麗商樸實的描述。我將引用他的著作中的一頁。我來到了這座鐘塔的底部，登上他當年作為瑞士專利局職員去上班時每天乘坐的有軌電車。 愛因斯但在他10多歲時的想法是：“如果我坐在一束光線上，這個世界看上去將是怎樣的呢？”假設這輛電車從這座鐘塔出發，沿我們看到這座鐘的時間的光線駛去。那麼，這座鐘就會靜上不動，我，和這輛沿光線運動的電車，就會在時間上固定下來。時間就會停滯。 讓我來說明這個問題。假設我背後這座鐘在我離開時指向“正午十二時”。現在我以光速離開它186000英里。這應該花費了我一秒鐘的時間。但是，這座鐘上的時間在我看來仍然是“正午”，因為在這座鐘上光速花費的時間恰好與我花費的時間一樣長。至少我所看到的是這樣，至少在這輛電車內部的宇宙是這樣，在保持與光速相同的速度中，我使自己與時光的流逝分割開來了。 這真是一個不同尋常的似非而是的佯謬。我無意深究其含義，也不涉及愛因斯坦所關注的其它問題。我只注意這樣一個問題：假如我乘坐一束光線，對我來說，時間就會突然終止。而且，這必定意味著，當我接近光速時（這正是我在這輛電車中所要模擬的），我就置身於我的時間與空間的車廂之中，而這個車廂正在越來越遠離我周圍的各種常規狀態的事物。 這種似非而是的佯謬說明了兩個問題。一個問題很明顯：所謂普遍時間並不存在。但更為微妙的是，這位旅行者和待在家裡的人的體驗大不相同——對走在這條路上的每一個人來說，都是如此。我在這輛電車上的體驗始終歸如一：我發現了同樣的規律，發現了同樣的時間，距離、空間、質量和力量之間的那些關係，而且每一個別的觀察看也會發現這些。但是，我的時間、距離等等的實際價值卻不同於那個站在人行道上的人。 這就是相對論原理的核心。但顯而易見的問題是：“好吧，是什麼使他的車廂和我的車廂聯結在一起的呢？”是光的流逝：光是聯結我們的信息載體。這就是我們為什麼說這是1881年以來使人們迷惑不解的最重要的實驗事實：當我們交換信號，我們發現信息在我們之間以相同的速度傳遞。光速對於我們具有同樣的意義。於是，很自然，時間、空間和質量等因人而異，因為它們的規律只是對車廂裡的我和外面的那個人來說才是始終如一的——而光速總是具有同等意義。 光和其它放射物都是從一個事件中像水波一樣擴展到整個空間的信號，有關這一事件的消息的向外擴散不可能比光和其他放射物更快了。光、電波和X射線是新聞和信息的最佳載體，並且構成了一種聯結物質宇宙的基本的信息網絡。即使我們想要傳送的信息只是時間，我們也不能比光或無線電波更快地將時間從一個地方傳到另一個地方。對這個世界來說，沒有普遍時間，也沒有離開了與之密切相關的光速仍可以校准我們的鐘錶的什麼格林威治信號。 按照這種二分法（dichotomy），我們必須再舉出一些例證。一道光線的軌跡（如同一顆子彈的彈道），在一個漫不經心的旁觀者看來，與那個在運動中點亮這盞燈的人看來，是不一樣的。在這位旁觀者眼中，這條軌跡要長一些；因此，這束光線在途中所花費的時間在他看來就要長久一些，如果他將獲得相同的光速值的話。 事實果真如此嗎？是的。今天我們對宇宙和原子過程知道得夠多的了，已經懂得，在高速運動中，情況的確這樣。假如我真的以光速的一半速度旅行，那麼，在愛因斯坦的電車旅行中，按照我的手錶的時間所花費的3分鐘或者多一點，對人行道上的那個人來說，就要多出半分鐘。 我們將使這輛電車達到光速，看看是怎樣一種情況。相對性的作用使事物改變了形狀。 （顏色也有所改變，但不是因為相對性。）這些樓房的頂部似乎向里或向外彎曲。所有樓房擠壓成一堆。我是在水平地行進。因此水平足巨離也似乎變短了，但高度卻保持不變。汽車和行人卻被扭曲了：變得又瘦又高。而且，我從裡向外看去的真實情景，對那個從外向裡看的人來說，也是真實的。好似（Alice in Wonderland）中描寫的情景，相對論的世界是對稱均衡的。那位觀察者也看到，這輛電車縮成一團：顯得又窄又高。 顯然，這是一幅與牛頓所描繪的完全不同的世界畫圖。對牛頓來說，時間和空間構成了一種絕對的框架結構，其中世界的物質活動均按部就班地照常規進行。他以一種上帝的眼光看待這個世界：這種活動在每一個觀察者看來都是一樣的，無論他處在什麼地方，也無論他以什麼方式旅行。相反，愛因斯坦的眼光則是一種人的眼光，按照這種眼光，你看到的和我看到的，對我們各人來說，是相對的，即相對於我們的位置和速度。而且，這種相對性不可移易。我們無法知道這個世界本來是什麼樣子，我們只能按照各人所見來進行比較，通過交換信息的實際步驟。在電車上的我和坐在椅子上的你對各種事物不可能持有那種屬於神靈的直接的看法——我們只能相互交流我們各自的看法。而這種交流也不是一蹴而就的，我們無法消除由光速造成的基本的所有信號的時滯。 這輛電車並沒有達到光速。它恰恰停在專利局附近。幹完這一天的工作後，愛因斯坦下車來，在傍晚來到波爾維克咖啡館（the Cofe Bollwerk）。專利局的工作並不十分繁重。 說實話，當時的大部分專利申請在今天看來都愚不可及，例如關於一種改進了的玩具汽槍的申請；關於交流電控制器的申請，愛因斯坦就這件東西簡潔地寫道：“不正確，不精確，不清晰。” 在波爾維克咖啡館度過的那些傍晚，愛因斯坦總是與他的同事談論一些物理學問題。他抽著雪茄，喝著咖啡。但他更是一個善於獨立思考的人。他接觸到了問題的核心，這就是“人類，而不是物理學家，事實上究竟怎樣相互交流？我們相互傳遞的是什麼信號？我們怎樣獲取知識？”這是他的所有著述的關鍵所在，這些問題就像剝開片片花瓣一樣，漸次揭示出知識的核心。 因此，他在1905年發表的那部偉大論著，並不僅僅是關於光線，或者如其標題所示，是關於“動體的電動力學”（The Electrodynamics of Moving Bodies）。在同一年，愛因斯但又進而提出一個附錄，認為質量與能量相對應，即質能關係式E＝mc2。對我們來說，值得注意的是，相對論的這種最初描述也許會立刻引起原子物理學的一種切實可行而又壓倒一切的論斷。但對愛因斯坦來說，這只不過是關於整個世界的描述的一部分，和牛頓以及所有的科學思想家一樣，愛因斯坦在某種意義上也是一個一元論者。這一點，來源於一種對自然過程本身的深刻洞察，而特別是對人、知識和自然界之間關係的深刻洞察。物理學不是事件，而是觀察。相對論就是對於這個並非作為事件而是作為關係的世界的理解。 愛因斯坦滿懷喜悅地回顧那些歲月。許多年以後，他對我的朋友西拉德（LeoSzilard）說：“那是我一生中最幸福的年月，沒有人指望我會'下金蛋'。”當然，他確實不斷生下了“金蛋”：量子效應、廣義相對論、場論。與此同時，愛因斯但早期的著作已得到證實，他的預言獲得了豐收。 1915年，在廣義相對論（The General Theory ofRelativity）中，他斷言靠近太陽的引力場會使從中穿過的光線發生彎曲——好像一種空間的彎曲。在1919年5月29日日全食期間，英國皇家學會派了兩支考察隊到巴西和非洲西海岸，驗證這一推斷。對於率領這支赴非洲考察隊的亞瑟?愛了頓（Arthur Eddington來說，對在那裡拍攝的照片作首次鑑定，是他一生中最重要的時刻，這一情景永遠保留在他的記憶之中。皇家學會會員奔走相告，愛丁頓致電數學家利特爾伍德（Littlewood），利特爾伍德當即寫了一封短信給貝塔朗特?羅素（Bertrand Russell）：親愛的羅素：愛因斯坦的理論完全得到證實。預言的偏移是1"72，而觀察到的偏移是1"75＋.o6。 你的JEL按照狹義相對論和廣義相對論，相對性是確鑿事實。質能關係式（E＝mc2)終於得到證實。甚至鐘錶變慢的原因也終於被孜孜以求的人類發現出來。 1905年，愛因斯坦寫了一份關於進行一次理想實驗來對這個問題進行檢驗的多少有些喜劇性的實驗方案：如果在A處有兩台同步運行的時鐘，而且其中一台沿一條封閉的曲線以勻速V運動，直到又回到A處，假定花了t秒，那麼，後者在到達A處時與那台在原地靜止不動的鐘相比，就會失去1/2t(v/c)2秒時間。我們從中可以得出結論，一台固定在地球赤道線上的鐘要比安放在地球兩極之一的同樣的鐘走得稍微慢一點。 在他的偉大著作問世50年後，1955年，愛因斯坦與世長辭了。這時，人們已經能夠測量千百萬分之一秒的時間。因此，有可能驗證這樣一個奇妙的思想，即“設想地球上的兩個人，一個站在北極，一個站在赤道線上。在赤道線上的那個人要比在北極的那個人走得更快；因此，他的時間就會失去一些。”這種觀點是這樣得到證明的。 一個在哈維爾（Harwell）的名叫HJ海依（HJHay)的年輕人作了這個實驗。他設想地球被壓扁成一個平坦的盤子，於是北極處於盤子的中央，而赤道線則環繞盤子的邊緣。他在邊緣和中央各放一台原子鐘，讓盤子轉動起來。這些鐘通過統計放射性元素數量的衰減來測定時間。而明白無誤的是，在海依的盤子的邊緣上的鐘要比盤子中央那台鐘走得慢一些。 在每一個轉動著的盆子上，情況都是這樣。而每一張旋轉著的唱片，每轉一圈，中央部分都比邊緣部分老化得快一些。 愛因斯坦與其說是一種數學體系的創造者，不如說是一種哲學體系的發明人，他具有一種發現重新看待實際經驗的哲學思想的天才。他不像上帝，倒像導航人那樣看待自然，也就是說，他是處在各種紛亂複雜的自然現像中的一個人，他相信，如果人們用一種新的眼光去看待自然現象，就會發現其中有某種共通的表現形式。他在《我所看到的世界》（TheWorld as l see It）中寫道：人們已經忘記，在經驗的世界中，是哪些表象使我們構造出（前科學的）概念，而且，沒有那早已形成的闡釋概念的種種觀察方法，我們就很難為自己描繪這個經驗的世界。我們不得不使用那些與原始概念不可分割地聯繫在一起的詞語構成的語言，這就使得這種描繪更加困難了。這就是我們在試圖描繪關於空間的前科學概念的本質時所遇到的障礙。 就這樣，愛因斯坦在他的有生之年把光和時間、時間和空間聯繫起來了；使能量和物質、物質和空間、空間和引力聯繫起來了。在他的生命快要結束時，他仍然致力於尋找引力與電磁力之間的某種統一關係。我記得，他在劍橋的評議會堂（the SenateHouse）演講時，身穿一件舊毛衣，赤腳穿著一雙絨拖鞋，告訴我們他試圖找出怎樣一種聯繫，而他又在怎樣的困難面前碰了壁。 這件毛衣，這雙絨拖鞋，對背帶和襪子的厭惡，並不是因為他有什麼病才這樣穿著的。 愛因斯坦在人們心目中，表達了一種來自威廉?布萊克的信念：“該死的背帶：讓我鬆弛一下吧！”他對輝煌的成就、世人的尊崇和舒適的生活，全不在乎；大多數時間他對於像他這樣一位著名人物應該怎樣的問題毫不在意。他痛恨戰爭、獸行和偽善。他尤其痛恨教條——但“痛恨”並不是表達他那悲涼情緒的恰當之詞；他把“痛恨”本身也看作是某種教條。他拒絕擔任以色列國的總統，因為（如他所解釋的）他沒有解決人類問題的頭腦。這是一種評判謙虛美德的標準，別的總統也可能採用這種說法，不會有太多的人棄之不用。 在牛頓和愛因斯坦兩位偉人面前談論人類之上升，幾乎是魯莽不恭的，他們大步前進，有如神明。在這兩人之中，牛頓是《舊約》之神；而愛因斯坦則是《新約》之人。他富於人情味，滿懷憐憫和極大的同情心。他關於自然本身的見解，就是一個人在神靈面前的看法，而這也是他關於自然的經常的說法。他熱衷於談論上帝：“上帝並不擲骰子”，“上帝並無惡意”。終於，有一天尼爾斯?波爾（Niels Bohr）對他說：“不要告訴上帝他該做些什麼。”但這有欠公允。愛因斯坦是一個能夠提出非常簡單的問題的人。而且，他的生活和工作都表明，當對這些簡單問題作出簡單的回答時，人們就可以聽到上帝在思考什麼了。