凡人與天才：你與愛因斯坦之間，差了多少本相對論

知識 07-09

文 | 俞見

前天晚上，我的第一審稿人（其實就是我愛人）突然問我，引力波都火成那樣了，你作為一個理工科宅男就不想寫點什麼嗎？

我只能汗顏。引力波是理論物理領域的高深學問，我確實是不懂啊。

凡人與天才：你與愛因斯坦之間，差了多少本相對論

世上就是有這麼一些專業，會讓人深刻意識到個體間智力上的差距，理論物理就是其中最具代表性的一個。

和絕大多數清華學生一樣，原本我是不懼怕物理的，所以本科入學那年看到必修課里有個A類高等物理，我並不以為意——直到拿到人生第一張不及格的物理考卷。更讓我無法接受的是，在這場平均分不到50的考試中，竟然有個人拿了90分。知恥而後勇，之後我刻苦攻讀，終於將高等物理的綜合成績提升到85分。然而，土狼追趕飛鷹是不會有結果的：那個大牛拿了98。

經常聽到名校學生的家長這麼教育子女說：你們都是千里挑一的天之驕子，他能做到的，你也一定能做到。依愚見，這真的只是一廂情願。話說，人類智力是呈正態分布的，千里挑一從字面上講就是高於平均值3個標準差以上的高智商人群。

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這個人群既包含智商恰好卡著3個標準差（145左右智商）的普通幸運兒，也可能包含著高達6個標準差（190左右智商）的超級幸運兒，非要讓前者去企及後者的成就或許就有點強人所難了。簡而言之，清華北大之類的名校是個體智力差距（統計學上應該叫極差）最大的地方，絕非通常大家所想像的「伯仲之間」。

之所以要講大學的陳年舊事，只是想提示一下，怎麼樣的人才能在理論物理領域有所建樹。比如這次引力波實驗中，加州理工團隊里有一個原清華基科班的大牛，名叫楊桓，此人中學時代便是國際物理奧林匹克競賽金牌得主。聽聞過他的軼事，其神奇程度或在98分大牛之上。幾十上百個這種等級的大牛組成了LIGO引力波項目團隊，只是為了驗證愛因斯坦一百年前的論斷，說白了就是打了個下手。以我的短淺見識，遙望楊桓已然是個極限，實在無力想像愛因斯坦的境界。

那麼理論物理究竟想解決些什麼課題呢？中學時代，物理老師通常會告訴我們，在宏觀低速條件下，我們應該使用牛頓力學；微觀下應該使用量子力學；高速時應該使用相對論。但是理論物理學家會覺得此類觀點非常沒有美感，完全不是他們心目中世界本原的面貌。自愛因斯坦起，幾乎每個有理想有追求的理論物理學家，不管是搞天體的還是搞統計的，都夢想建立大統一理論，即將所有物理現象歸納於同一模型的理論。這個理論還有一個很大氣的名字，叫做萬物之理----The Theory Of Everything（對，就是霍金那部電影）。在這個框架下，四種基本力和所有粒子都應該有一個符合物理美學的統一數學表達。

那我們要用怎樣的方法找到這個萬物之理呢？

話說，世界上所有科學，其起點和終點都是「經驗（experience）」。比如，因為我們對光有感性認識，於是就會去研究光學，而我們的最終目的是將光應用於生產實踐。至於光學理論的研究過程，我們則會訴諸「理性（reason）」，即通過邏輯推演找到一個能完美解釋經驗現象的機理。此類理論的構建過程相對簡單，因為我們對光有充分的感性認識，而現實「經驗」通常能很好的引導「理性」找到正確的方向。

我們回頭看看相對論：「沒有發現以太」或許算是「經驗的起點」，星際旅行或許算是「經驗的終點」，然後剩下的就只有大篇的「理性」推導了。從平常人的角度來看，無論是「以太」還是星際旅行，都是完全沒有感性依附的虛構「經驗」，在這種情況下怎樣指導「理性」去找到正確的研究方向呢？

且看愛因斯坦是怎麼做的。在構建相對論大廈時，愛因斯坦只用了兩根柱子：1. 光速不變 2. 在不同慣性參考系中，一切物理規律相同。基於這兩個假設，愛因斯坦僅僅依靠邏輯和數學便創立了相對論。這個工作的難度有多大呢？打個比方，狹義相對論那幾個短短的結論公式大家多半是見過的，為了論證它們，愛因斯坦用了68頁篇幅（包括前言）。愛因斯坦堅信，宇宙的規則體現在簡明的數學關係中，這種簡單美學將指引物理學家穿越冗長的推導，走向真理。

現在，簡明的真理也給了自媒體一絲博取眼球的機會。為了讓沒有理論物理基礎的大眾能夠「看懂」高深的科學，公眾號們紛紛拋出「XX分鐘看懂XXX」的噱頭。然而，這些「雞湯科學」註定只能是一知半解。還是拿相對論為例：狹義相對論研究的是四維空間中的物理規則（多了一個時間維度），是不能用簡單的三維空間幾何關係進行推演的。但是由於公式本身形式簡單，用幾何模型牽強附會並沒有什麼難度，以至於各種「科普讀物」爭相解（wu）讀（du）。事實上，嚴密的狹義相對論推導必須用到洛倫茨變換，我們可以從《狹義和廣義相對論》里隨便抽出兩頁看看愛因斯坦是怎麼做的。

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上面這頁數學推導並不是特別嚇人，但是一本160頁的著作全篇都是這種東西，就足以把人逼瘋了。當然，最應該嘆服的是愛因斯坦，他必須在前無古人的純粹數學推導中，憑藉直覺和想像力引導自己走向真理。

這裡我提到了想像力。現在的理論物理學，特別是萬物之理的研究，很大程度上是在想像力的基礎上構建起來的。在這個領域中，研究的起點和終點都是「虛無」的，沒有任何感性經驗的支撐。物理學家需要在已有數據的基礎上想像出一個模型，用強大的數學工具將它構築成自洽的理論大廈，之後設計實驗論證它的正確性。然而，由於實驗手段的匱乏，目前有好幾個理論都處於自洽但無法證實的窘境。在這裡我要引用柯南同學的一句話：真相永遠只有一個。雖然有N個自洽理論，但其中至少有N-1個是錯誤的。

如此看來，愛因斯坦是非常幸運的，因為引力波終究被證實了——雖然花了一百年。

大家或許好奇，這所謂的理論大廈究竟長什麼樣呢？趁著引力波的熱度，不妨把一百年前愛因斯坦的《論引力波》拿出來給大家鑒賞。

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通篇十幾頁除了短短的前言和結論，其餘都是這種天書。然而，引力波無非只是相對論大廈的一隅。

愛因斯坦僅僅依靠兩個基本假設，就構築了如此輝煌的理論殿堂，這是理性的力量。事實上人類兩千年前就已經掌握了這種神奇力量，那時候它叫歐幾里得幾何學。基於5條簡單公理，古希臘人成功構築了一個邏輯嚴密的理性大廈。幾何和理論物理在本質上有如此相似的特徵，以至我們可以說：一個人如果小時候不痴迷幾何學，就肯定不是做理論物理的料。這句話聽起來很欠揍，不過好在是愛因斯坦說的，不是Sheldon Cooper，也不是愚見。

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然而放在當下來看，愛因斯坦這句話頗有點可笑——理論物理根本就不是塊香饃饃，幹不了這行對我們而言完全不是什麼損失。以LIGO引力波項目為例，參與者通常連續數年呆在方圓幾千平方公里的無人區，干著最具有挑戰性的工作，生產著最有價值的科技副產品，承受著放射性傷害的風險，卻拿著相當微薄的報酬。以前面提到的楊桓為例，憑他的數學能力，隨便在華爾街找個投行就能讓他的薪酬翻上數翻。

但是他堅定地選擇了科學。

拋開我對科學家素來的敬仰，我仍然覺得，他們才是人類的希望。

本周撲克百家，如約而至

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