吴鑫岩
在爱因斯坦于1905年提出狭义相对论以前，人们普遍认为时间和空间是彼此分离的，任何物体的运动都是在时空这样一个不变的框架结构内进行的。那时，人们认为电磁波与声波类似，其传播也需要一种物质性的媒介。因此，科学界普遍认为宇宙空间中充满着一种被称为“以太”的物质。然而，在19世纪80年代Michelson和Morley在Case Western Reserve大学做了一系列实验，其结果有些出人意料之外。
Michelson和Morley的实验装置十分经典，如今还广泛地运用在很多领域中，包括最近对引力波的成功探测。首先，一束光射到一个与波束成45度角的半透分光镜上，这束光就被分为了两束：一束光继续向前传播，经过一段距离以后遇到一个反光镜后被反射回来；另一束光被分光镜反射后沿90度角横向传播，也被一个反光镜反射回来。这两束被反射的光发生干涉，从而形成干涉条纹。如果其中的一条光路的距离发生了变化，这束光的相位就会不同，从而会导致干涉条纹的变化。由于光的波长很短（可见光的波长不到一微米），这种方法可以探测到十分微小的变化。
按照当时人们想象的情景，地球是在“以太”中高速运动的（地球绕太阳公转的速度大约为30 km/s，也就是光速的万分之一左右）。如果把Michelson-Morley干涉仪的一条光路与地球运动的方向一致，而另一条光路与其垂直，当这两路光返回时所经过的路径就会不同，因此就会导致干涉条纹的移动。按照实验装置的尺寸计算出的结果表明移动的距离会达到0.4个干涉条纹，可是实验结果却在0.02以下，基本上可以说没有变化。这个实验结果在其他实验室多次得到了验证，这种不可思议的现象困扰了科学界将近二十年，直到爱因斯坦提出了狭义相对论。其理论的核心在于空间和时间共同构成了一个四维时空，在其进行“旋转”变换时，不变的不再是空间的距离，而是光速。
科学上的很多理论都是违反人们直觉的，其中最突出的就是“日心说”。太阳和天上的绝大多数星星一样都是从东方升起，然后从西方坠落，人们理所当然地认为地球是宇宙的中心。爱因斯坦的狭义相对论提出以后，有好几年都没有得到积极的响应，因为人们很难放弃绝对的时空观念。然而，从狭义相对论推导出的“质能方程”却引起了人们的注意，最终导致了原子反应堆和核武器的出现。
杰出的理论物理学家都有轻微的自闭症倾向，他们对外界的评价往往不屑一顾。在提出了狭义相对论以后，爱因斯坦就开始苦苦思考另一个问题：质量的两重面孔。学过初中物理的人都知道，质量出现在两个定律中：其一是牛顿第二定律，质量与加速度有关；其二是万有引力定律，质量与重力有关。我们一般人并没有觉得这有什么问题，可是，爱因斯坦却觉得这事有点蹊跷。经过十年的苦思冥想，他终于解决了这个问题，从而提出了广义相对论。
力是人们在日常生活中常用的一个概念，它在经典物理中也有其相应的重要地位。然而，在现代物理中它却没有一席之地，而是被更广义的相互作用所取代。在爱因斯坦提出的广义相对论中，引力被空间的扭曲所取代，行星的圆周运动变成了“直线运动”。科学界对新理论的接纳是十分苛刻的，它有一些基本的准则。首先，任何理论都必须有实验的支持；其次，越简洁的理论越优秀（Occam’s razor）；此外，理论必须有自洽性，也就是能够自圆其说。如果空间真的被恒星所扭曲，那么光线通过的时候就会改变方向。在1919年出现了一次日全食，人们得到了一次难得的机会来验证广义相对论。当时有人问爱因斯坦，如果实验结果是否定的，他会做何感想？爱因斯坦毫不介意地摆摆手说，自然界应该按照他所提出的理论来运转。当然，实验结果没有让他失望，广义相对论从此得到了科学界的承认。
爱因斯坦的狭义相对论似乎否定了“以太”的存在，然而，其广义相对论却又把空间变成了可以扭曲的一种“介质”。爱因斯坦做了这样一个联想：船在水面上航行会产生水波，那么大质量的星体在运动时也应该导致一种波在空间中传播，因此他在1916年做出了存在引力波的预言。由于引力波太微弱，当时的科技水平根本就无法探测。直到1983年，麻省理工学院和加州理工学院的科研人员提交了一个大型激光干涉实验室（LIGO）的设计。从原理上来说，这与Michelson和Morley的实验装置如出一辙，只不过其规模巨大，有两条四公里长的光路。1990年美国自然科学基金批准了这个项目，经过将近十年的设计和建造终于在1999年正式交付使用。然而，十年匆匆而过，LIGO并没有探测到引力波的存在。在2010年人们开始对实验装置进行升级，这个耗资两亿美元的工程在2014年完工。又经过一年左右的调试和观测，终于在去年获得了令人信服的结果，证实了爱因斯坦在一个世纪前的预言。
人们常常把理论和实验当作科学进步的两条腿，彼此交替向前迈进。理论的创建者肯定会青史留名，而众多的实验工作者却往往默默无闻。因此，青年学生会有重理论轻实验的倾向，这个倾向在亚洲国家尤其严重。其实，在这背后也存在着文化的差异。基督教认为每个人都有“原罪”，所以西方人对人们所发表的任何观点都普遍持怀疑态度，除非能够拿出确凿的证据。因此，批判性思维是西方大学教育的一个核心指标。然而，东方人却缺乏这种怀疑精神，容易轻易接受古圣先贤的说教。因此，东方人在接受知识方面的学习能力很强，然而，在创新和实验方面往往有所欠缺。