徐一鸿：“相对论”可能是物理史上最差的名字

广义相对论大概是最被人神化的物理理论了。在那个著名的传说里，物理学家西尔伯斯坦对另一位物理学家爱丁顿说“听说你是世界上仅有的三个懂相对论的人之一”，爱丁顿的回答是“我在想，这第三个人是谁？”

这三个人——不管他们是谁——当然都已经离世了。整整一百年过去，今天又有多少人懂相对论呢？

答案可能会让你惊讶：很多。事实上，许多当今科学家恐怕比爱因斯坦本人更懂。披荆斩棘的时代已经过去，多年研究所提炼出的核心想法，如今连普通大众都可以理解。这里说的不是那个姑娘和火炉的比喻；用著名华裔物理学家徐一鸿（Anthony Zee）的话，广义相对论的核心思想，每一个坐过飞机的人都曾亲身体会——那就是，航线为什么是“弯”的。

插画师经常用十分华丽的配图来展示广义相对论，但是它的本质简单得令人惊讶。图片来源：ultraphysics.co.uk

徐一鸿这个名字在中文世界里有点陌生，但若与“阿·热”相连，可能就会唤起许多读者的回忆——二十多年前，湖南科技出版社的“第一推动”丛书首批中《可怕的对称》（Fearful Symmetry，正版译为《可畏的对称》），由于当时出版商并未联系作者，将他的英文名缩写A. Zee（Zee是上海话“徐”氏的发音）译成了阿·热。

徐一鸿是上海人，1945年战乱时期出生于昆明，很小的时候举家从上海移居香港，随后又迁居巴西圣保罗。这趟意外的移居，奠基了他的未来：“那时候我们不了解巴西，我爸爸在香港的一些上海帮朋友，结伴去巴西做生意；他们以为巴西很落后，还要带上肥皂去巴西呢！我父母不知道巴西有没有学校，于是母亲给我买一大堆书。”从香港到巴西，四十多天的海上航行，百无聊赖，只能看书，“可能正是那个时候，我对科学开始着迷，有了研究科学的兴趣。”

后来的徐一鸿凭借全额奖学金来到普林斯顿，本科毕业后又在哈佛全奖得到理论物理博士学位，曾在普林斯顿高等研究院担任助理教授和访问学者（爱因斯坦正是在这里度过了后半生）；目前他在加州大学圣塔芭芭拉分校的卡弗里理论物理研究所任正教授逾30年，并获得终身高等研究员的职位——他是第一位获此荣誉的华人物理学家。

徐一鸿（Anthony Zee）教授。图片来源：ucsb.edu

徐教授的学术兴趣难得的广泛，并各有杰出贡献。起初他专攻粒子物理学，后来扩展到凝聚态物理、量子反常、随机矩阵理论、超导、量子霍尔效应等理论物理学领域。迄今为止，他完成的学术论文已有270多篇，被引用次数达2万4千多次。

除此之外，徐一鸿还是一位特别优秀的老师和科学传播者，无论是教科书还是科学写作都常常有让人豁然开朗的感觉。他说，“我觉得美跟真绝对是有很大关联的。”因此他投入了许多时间来讲解那些在他看来最美的物理理论——比如，广义相对论。

科学人：2015年是广义相对论诞生一百周年，假如没有人成功地得出广义相对论的话，现在这个世界会有什么不同？

徐一鸿：我现在可以马上想出两个不同之处。

我们人类的一件大事，就是要知道这个世界是怎么来的，宇宙是如何起源的。如果没有广义相对论，大爆炸理论就很难产生。为了描述宇宙是如何产生的，必须有广义相对论。

另外一个例子普通人都可以体会。很多人并不知道现在手机上应用的GPS，为了定位准确，需要用狭义相对论和广义相对论做修正。如果没有相对论，定位误差每天都会积累巨大误差，很快就不能用了。

科学人：据说爱因斯坦讲过一个关于相对论的解释：和姑娘在公园坐一个小时像一分钟，在火炉边坐一分钟像一个小时。这个比喻合适吗？

徐一鸿：爱因斯坦本来没打算用“相对论”作为新理论的名字，他本来的意思跟“相对性”恰好相反，叫做“不变性”。狭义相对论本来想说的是，什么东西在不同观测者眼中是不变的。所以“相对论”这个用词几乎是物理学史上最差的名字，导致后来很多人在相对论问题上望文生义，乱讲一气；甚至说“真相是相对的”，而那些物理学家证明没有真正的“真相”，诸如此类，全都是乱来。

还有一个好笑的故事，有些人听过相对论的科普演讲之后，说“我坐火车上面，可以看到旁边的树在动，我现在理解相对论的奥妙了”。但这个例子说的，是最简单、最明显的运动的相对性，跟相对论毫无关系。

所以我不是很喜欢跟姑娘在公园坐的这种说法，那个我有点怀疑是不是爱因斯坦先说的。我觉得这应该是别人说的。但好像后来爱因斯坦在一场科普演讲里面也用了这个例子，当笑话讲。

科学人：那您能否简单地解释一下，广义相对论是什么呢？

徐一鸿：我的书《爱因斯坦引力导论》里面有一个很好的例子。有一次我从洛杉矶飞北京，看到屏幕上画的航线图就觉得很奇怪，为什么航线是这样弯的呢？

图片来源：salon.com

是不是航空公司都喜欢北方，一定要经过白令海峡，跟爱斯基摩人招招手呢？为什么他不绕到夏威夷去走一走？就像是北极会产生某种吸引力，把飞机拉过去一样。更奇怪的是下次坐飞机，发现另一个航空公司也走这条路线。这是为什么呢？

事实上，这个航线之所以弯曲，不是因为有一个力量在拉它，把它吸引到北极，而是航空公司根据油耗多少决定的。因为地球表面弯曲成这样一个形状，沿着这一条航线飞行最省油钱，所以才这样飞。

在球形的地球上，就能看出北京飞洛杉矶为何要经过阿拉斯加附近了。图片来源：google maps

这正是广义相对论的核心。看起来一个物体在万有引力的作用下形成某种运动轨迹；实际上，这是因为时空是弯曲的，它沿着这样一条轨迹运动最“经济”。

科学人：1905年，很多研究者都逼近了狭义相对论。例如，洛仑兹得到了洛仑兹变换，然后庞加莱提出了相对性原理。但是1915年，爱因斯坦似乎是单枪匹马地发现了广义相对论。爱因斯坦是怎么样做到这一点的呢？

徐一鸿：你说的基本上是对的，当时广义相对论基本上只有他一个人在做。

物理学的历史上，几乎所有伟大的发现都不差一个人。如果没有这个人做，肯定也会有别人做出来；我们知道有很多很成功的诺贝尔奖级的研究，其发现权存在很大争议。如果要提出一个反例，可能就是爱因斯坦的广义相对论了。

不过说爱因斯坦完全是单枪匹马，那也不全对。数学家希尔伯特差不多也得到了广义相对论的数学形式，爱因斯坦还有点生气，据说他还写信给朋友，说希尔伯特偷他的想法之类的话。当然，广义相对论的作用量是希尔伯特写下的。现在我们都同意，那个作用量叫做叫爱因斯坦-希尔伯特作用量（Einstein–Hilbert action），因为其中的基本想法还是爱因斯坦的。

而且爱因斯坦也继承了前人的工作。数学家黎曼（Bernhard Riemann）研究微分几何中的弯曲流形，他曾经想过，这种弯曲的流形可能跟引力有关联。当时世界上还没出现狭义相对论，黎曼的弯曲流形的理论中只包含空间，他没有时间，他未能将空间和时间统一起来，所以他不可能写出来一个“不变”的理论。

科学人：如果没有爱因斯坦这样的天才，广义相对论还可能诞生吗？

徐一鸿：当然有可能，但发现时间会推后很多年。

爱因斯坦的出发点，就是用狭义相对论统一了空间和时间，按理说时空中所有的现象都应该服从该相对论。但当时的引力理论显然不满足相对论（注：牛顿万有引力的传播速度是超光速的）。于是爱因斯坦要把狭义相对论与引力结合起来，这就是当初他研究广义相对论的出发点。

今天来看，一个好学生把牛顿引力的公式写下来，放到狭义相对论公式旁边，用一个一眼看上去很简单的方法，差不多就能看到广义相对论的大概面貌。所以别人做出来也是可能的。

但这当然是马后炮的说法，广义相对论真的是很难的，就是爱因斯坦那个年代，都有很多人反对他做这方面研究。我最近在看一本普朗克的传记。当时的爱因斯坦很年轻，没有名气，而普朗克在德国享有很高的声望。普朗克帮过爱因斯坦很多忙，把他拉起来的。所以爱因斯坦一直都很感谢普朗克。那时爱因斯坦曾经跟普朗克说，他要把狭义相对论跟引力连起来，结果普朗克不但没有鼓励他，还说这个事情你最好不要去做。

科学人：普朗克说的也不错，确实很困难，爱因斯坦花了十年的时间才研究出广义相对论。

徐一鸿：对，确实困难。为什么这么困难？就是需要数学。研究广义相对论需要的数学，是当时所有的物理学家都没有掌握的东西。爱因斯坦学黎曼的微分几何的时候很辛苦，有很多概念的错误。对了，有些科普书里面讲爱因斯坦数学很差，这种完全是乱讲的。

科学人：为了证明广义相对论，科学家设计了很多精巧的实验。你最喜欢其中哪一个实验呢？

徐一鸿：我比较喜欢引力红移实验。就是说不同的钟，在地球上不同高度，时间流逝的速度都不一样。

我的书里提到这样一个故事。在19世纪时候，美国最有名的研究物理的学校是约翰·霍普金斯大学。那时哈佛的物理还比较落后，但哈佛很有钱，所以就决定要把他们的物理系搞起来，于是就请来了霍尔（Edwin Hall）。

霍尔发现了一个“霍尔效应”：如果你让电流通过一块金属板上，然后设置一个垂直于电流方向的磁场，那么电流在金属板上的运动轨迹就会朝一侧弯曲。

霍尔发现这个电磁学效应之后，就觉得引力一定也有这个效应，物体掉下来的时候，运动的轨迹也会弯曲（排除地球自转因素）。刚好哈佛那些人跑来请他，说你来的时候，我们会给物理系建个楼。（也就是今天的杰弗逊物理实验室大楼，其实在他来之前就已经在计划中了。）于是霍尔开出的条件是，他到哈佛工作，哈佛帮他建一座塔。所以霍尔下半生就研究把东西从塔上丢下来，看它的轨迹有没有发生弯曲——结果当然没有这种弯曲了。

杰弗逊物理实验室初建时的场景，左侧中央高出一截的就是霍尔的塔。图片来源：physics.harvard.edu

所以哈佛物理系建的这个塔，后来也一直就没有派上原定的用场，直到1959年庞德（Robert Pound）跟他的学生提出了引力红移实验——不同的钟在不同高度时间不一样。

提出实验之后，庞德突然想到，哎呀，我们物理系有这样一个塔，正好可以实际做这个实验。后来他回忆说，那个塔的第一层里面蛮窄的，当然也没有电梯。所以他所有的仪器都要拆开，用一个背篓背着爬上去，爬到上面再把仪器组合起来。后来，他就开玩笑说，“做完这个实验之后，我终于明白了引力的意义”。

科学人：一百多年过去了，我们是不是比爱因斯坦当年更懂相对论了呢？

徐一鸿：时间过了一百年，我们当然更懂了，很多东西那时候爱因斯坦也不知道。爱因斯坦那时经常会有错误的理解。比如说1916年史瓦西在第一次世界大战的战壕里发现的史瓦西解。

你想想看，为什么爱因斯坦自己没有找到这个解呢？既然爱因斯坦没有找到这个圆球形的解，他又怎么会计算出水星绕太阳公转时的进动呢？

现在我们这个问题，如果要说有一个圆球形的时空，它应该如何弯曲，基本上所有的学生都会用球坐标系对不对？爱因斯坦很奇怪，他计算水星进动时没有用球坐标系，他用笛卡尔直角坐标系，他用xyz。用xyz怎么可能计算水星绕太阳转动呢？很简单的算式用xyz会变成很复杂的一大堆算式。

但是爱因斯坦这个人有很好的物理直觉，他知道他不需要计算整个时空的弯曲，他只要距离引力中心很远的地方的数据，只要得到一阶修正就可以了。

史瓦西解出现之后过了五十年，差不多到一九六几年的时候，我们才知道它描述了一种黑洞。这个事情很奇怪，因为史瓦西解刚出现的时候，人们就知道它的视界上存在奇点。早期的相对论研究者并没有搞清楚，这究竟是一个物理学上真实的奇点，还是一个数学上的坐标奇点。现在你随便找一个比较好的学生，计算一个坐标变换下不变的物理量就知道那是一个坐标奇点，不是真实存在的。这就很奇怪，当时那些人为什么不懂得去算一个简单的标量呢？所以你说爱因斯坦当时有没有真正理解他的理论？

那个“黑洞视界”到底是什么东西？史瓦西找到的算式在视界处为什么会变成无穷大呢？爱因斯坦当时有一个错误的解释，说一个东西掉下去的时候，到达黑洞视界的时候，会反弹回来。（笑）。这也说明爱因斯坦完全没有理解这个解。所以你不能说一个这么伟大的人什么都了解，那是不可能的。

科学人：之前的物理学家其实并没有正确理解这个解啊。

徐一鸿：对。顺便说一句，在物理上提出一个好的名字很重要，你看差不多所有的科普书都讲惠勒怎么取的黑洞这个名字。你知道盖尔曼提出了一种粒子叫夸克，别人提出来是另外一个名字，就没有人去理他（注：费曼的学生蔡格（G. Zeig）独立提出了夸克模型，名字叫Ace）。其实有一些俄国人研究黑洞还研究的蛮深刻的，比如泽尔多维奇这些人。但是他们给黑洞起的名字叫冷冻星。这个名字很差，很不好，对吗？其实那既不是一颗星，也不是冰冻的。相比之下，黑洞好太多了。所以我觉得物理学理论的名字很重要。

科学人：相对论还面临一些未解的挑战，所以我们需要发展一个比广义相对论更有解释力的新理论，你觉得这方面哪个领域比较有前途呢？

徐一鸿：大家都知道弦论，但是现在都是没有结果。你很难碰到一个比它更强的理论，但它还是有点没落的样子。我的很多同事都是弦论的专家，但他们现在好像基本上都在做一点别的东西。

我的想法不是正统的想法。当然弦论是正统，我绝对没有反对弦论。我觉得如果一个东西我没有完全懂，我没有在那个方向上做研究工作，我也就没有资格去反对它。

但我就是想，有没有一些别的突破的可能呢？比如说弦论虽然很奥妙，要把广义相对论和量子力学结合起来，但人所有都是去修改广义相对论，没有人去修改量子力学。

所以我会想，为什么不去修改一下量子力学呢？不是我一个人说要去修改量子力学，很多人都想修改。但都是没有办法，因为关于量子力学的实验数据很多，精度也很高。比如说温伯格曾经提出过一些量子力学的修正项，后来被打下去，因为跟实验不符合。

但是修改量子力学的想法并非没有可能实现，当然我是随便说说了。我猜想很有可能，过了五十年，一百年，未来的每一个大学生都懂：你想要统一理论的话，把量子力学这样改一下就好了。

但我也没有办法修改爱因斯坦的方程，因为这个方程非常坚固。你们学过《相对论》也知道，因为你顶多在它的作用量里加一两个修正项。

科学人：在3+1维时空当中，是很难改变的。

徐一鸿：没有办法改。

科学人：广义相对论是一个从美学的角度出发，得到的正确理论，但是有些物理学家认为方程的正确和美没有必然的联系，你同意这样的说法吗？你觉得美在理论物理学中应该处于什么样的地位呢？

徐一鸿：理论物理学是一个很大的主题，我喜欢用基础物理学这个名称。在基础物理学里面的，我觉得“美”跟“真” 绝对是有很大关联的。菲利普·安德森（Philip Anderson,1977年诺奖得主）总是强调没有这种关联，那他是因为研究凝聚态物理学，当然没有必然联系，这种观点我完全不反对。但在基础物理学中，如果最后我得到了一个很丑陋的终极理论，我就会觉得不太对。不是我第一个人这样讲，从狄拉克、爱因斯坦一直到杨振宁。所以我觉得大部分的理论物理学家，在研究基础物理学问题是都会这样想。

科学人：我看到过一个资料说，爱因斯坦大概在1913年时得到了一个错误的广义相对论方程，大概过了两年左右，才得到了一个正确的方程。现在，我们可以事后诸葛亮地说，如果他当时从数学的美的角度出发，知道广义协变原理要求方程形式协变的话，其实很快就可以得到正确的方程，因为原来的形式是不协变的。

徐一鸿：对。我就奇怪他为什么不用作用量原理推导广义相对论。后来我去写我的书的时候，发现洛伦兹也写过一篇论文，说那个引力的拉格朗日量到底是什么，但是很奇怪洛伦兹他只写一个L，他就没有告诉你L是什么。所以，过了100年你再去看那些论文会觉得很好笑，你会发现基础物理学的研究是多么困难的事情。

科学人：如果相对论是美的，那么它也许能诞生出其他美的东西。你有看过和宇宙、和相对论相关的印象深刻的电影吗？

徐一鸿：我前两年看过一个电影叫做《万有引力》，后来又看到有一个电影叫《星际穿越》。《星际穿越》，我觉得还很不错，推荐大家看，但里面的情节在物理上是不大对的。主角怎么可能在书架后面发送信息？

科学人：威滕（E. Witten）当过你的助教，你在很多场合提到过他。我们想再问一下你对他有什么印象？给我们的读者介绍一下。

徐一鸿：威滕做助教是负责改量子场论的家庭作业。当时的美国（大概中国现在也是这样），有权决定可以收哪个学生做研究生的是一个学术委员会，由各个教师轮流来做。我记得当时委员会一共有6个成员。所以，我在其中做过两年。是我所在的那个学术委员会收威滕做学生。

1974年左右，我们普林斯顿在物理学领域是美国最好的学校之一。威滕当时一门物理课都没有学过。我问你，你觉得中国大陆做不做得到这个事情？如果现在有一个人来申请，要去念国内顶级大学的物理系，之前一门物理课都没念过，你肯定说不可能。所以在这种教育体制下，想收他都没有办法收。威滕很幸运，虽然他之前是念历史的，但他爸爸是一个物理学家。我们当时的学术委员会也没有厉害到可以看得出这个人将来能成大器，是系主任写了一个条子给我们说，“这个人应该收”。我们录取了威滕之后，他就来到普林斯顿的研究生院上课了，他就开始学那些基本的研究生课程。

你知道吗？其他学生开始的时候觉得这个人是什么地方跑出来的傻瓜。因为威滕总去请教这些人，其他学生就觉得他问的问题好白痴，什么课都没有念过。他确实是没有念过。但是，当一个学期结束的时候，那些同学反而要求威滕帮忙。

科学人：这也太快了。

徐一鸿：真的太快。当时我有另外一个学生跟他是同学，可以证明他确实很厉害。我觉得每过5年、10年会出这样一个人物，在美国。比如马尔达希纳（J. Maldacena），学校把他从研究生马上提拔成副教授，连威滕都没有这么快。

再比如说尼马·阿尔卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）。他是在美国出生的伊朗人，后来他爸爸妈妈搬到加拿大去了。所以，对于这样的天才，我们要给他土壤。

我再举另外一个例子，捷克的木托儿（Luboš Motl）。他也是一个怪人。当时他还是一个青少年学生，他的弦论知识完全是自己在网络上学的。他是在捷克的时候，求解了弦论里面一个难题。美国的物理学家班克斯（T. Banks）把他介绍到美国来，马上在哈佛做助理教授（assistant professor）。

科学人：马上？

徐一鸿：对，他是一个很热心很好玩的人，我蛮喜欢他的。比如说我在wikipedia上面的一个词条，就是他写的而不是我写的。

他在哈佛做助理教授。你知道到了一定年限之后，物理系就要评判他，看他可不可以升级做副教授等等。哈佛的传统是很少有人能从助理教授升上去。有一天木托儿就说，我管你哈佛怎么评判我，我不要评职称。他就回捷克去了。

我就问他，那你在捷克怎么生存？他说这有什么关系？“我有一个博客，可以发广告”。他住在捷克的一个小地方，有很多啤酒可以喝，感到很快乐。

当然，中国也有这样的例子，比如张益唐。我非常敬佩他，我觉得他曾经在快餐店厨房里面工作，跟他一起做工那些人，可能连微积分都不知道。他怎么能做出最高等的数学研究，不得了。

所以，我觉得做科学研究就要像木托儿、张益唐这样，要有气派。

科学人：为什么你愿意花很多时间写物理学的科普书。在你看来公众为什么需要了解相对论这么“难”的物理学呢？

徐一鸿：在科学界，做科普是一种传统。爱因斯坦1915年发表广义相对论之后，他自己也知道这个东西很重要，他要介绍给普通读者，所以他就马上写一本科普书。

所以，科普写作是人类文化的一部分。我觉得最好的解释就是，你要看科普书，就好比说你为什么要看文学书，要听音乐。

我已经连写了三本教科书，但是在此之前我先写了两本科普。是温伯格建议我这样写的。他说你要想写教科书，就要先写科普书，你写科普书的时候会受到非常好的训练，因为你要把物理学解释给大家听。

科学人：方便透露一下你最近的写作计划吗？

徐一鸿：下一本书是一本科普书，我准备写为什么科学家要寻求统一理论，这也是爱因斯坦的梦想。所以这本书题目可能就是追寻爱因斯坦的梦想。

（编辑：Ent；排版：Sol_阳阳）

感谢孙伊先生为促成此次采访所提供的热情帮助。

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