1913年，阿尔伯特·爱因斯坦在构建广义相对论的努力中陷入了困境。他恳求他的朋友马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossmann）提供数学上的帮助：“格罗斯曼，你必须帮帮我，否则我会疯的！”四年后，当爱因斯坦完成一篇关于他（终于）完成的理论的宇宙意义的论文时，这种“疾病”已经转移到身体的其他部位。他患有胃溃疡；他患有肝病。由于精神上的过度劳累，爱因斯坦认为自己要死了。他写信给同行物理学家阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld）：“过去一个月是我一生中最富于启迪、也最疲惫的时光，确实也是最成功的一段时光。”
当时，他的大多数同事都没有体会到这种感觉，直到今天也是如此。他们研究爱因斯坦最伟大的见解，却未能完全理解他是如何实现的，也不知道这对他的意义；用哥伦比亚大学理论物理学家布莱恩·格林（Brian Greene）的话来说，他们通常无法“切身体会相对论”。理解上的缺失源于对广义相对论的模糊认识，即使是那些职业生涯都在利用它的人也是如此。它通常被描述为一种引力理论，但它不仅仅是一个理论。它是一系列描述物体如何运动的方程，但它不仅仅是方程。
广义相对论最好被理解为一个“景观”，无论是字面意义还是比喻意义。它是一系列概念的广袤 expanse，描述了时空所有可能的构型，以及它们在物质存在时发生变化的所有方式。它是一个现实的每个部分都相互连接的系统。爱因斯坦最初探索这个“景观”的尝试，正是让他如此兴奋又筋疲力尽的原因。每当其他研究者能够追随他的脚步时，他们就会发现全新的区域。这就是为什么，在其首次发表一个世纪后，广义相对论仍然在产生其最令人惊叹的发现。
II.
理解“景观式相对论”的最佳方式，就是审视最大的景观：宇宙。爱因斯坦认识到，空间不是一个固定的背景（一种可以用来测量运动的无形尺子），而是一个灵活的、动态的物质，它会因质量而弯曲和变形。这种弯曲就是我们所体验到的引力：它让你的双脚站立在地面上，让地球保持在轨道上。李·斯莫林（Lee Smolin）——滑铁卢安大略省理论物理研究所的理论家，也是爱因斯坦最坚定的追随者之一——赞扬了广义相对论能够提供一个单一的、统一的描述，来解释所有质量所决定的整个空间。“这是第一个可以应用于整个宇宙作为一个封闭系统的理论，”他说。
“这是第一个可以应用于整个宇宙作为一个封闭系统的理论。”
你肯定听科学家说过宇宙正在膨胀，但这到底意味着什么？1929年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）观察到，星系似乎正从四面八方远离我们。人们很容易想象那些星系在巨大的初始爆炸中穿过空间飞散开来。事实上，在20世纪30年代，英国天文学家E.A.米尔恩（E.A. Milne）试图用这种方式来描述哈勃的发现。他的分析以失败告终。爱因斯坦证明，唯一能够解释天文观测的方法，就是将空间视为一个动态的实体。星系并不是在太空中飞翔；而是空间本身在它们之间膨胀。
这是一个极其怪异的观念，但一旦你接受了它，许多其他想法就会顺理成章。首先也是最重要的一点是，大爆炸不是发生在空间中的一次爆炸，而是空间的爆炸。在大爆炸的那一刻，所有空间都挤在一个点里，而在过去的137亿年里，所有空间都从那里膨胀开来。由于空间在各个方向上都在膨胀，任何一个点都可以被视为宇宙的中心。你，就在此刻，就在这里，就是宇宙的中心。（这算不算是一种自我膨胀？）相对论使宇宙学家能够模拟元素的起源、星系的形成，以及从大爆炸到现代地球的直接演化路径。
而且，他们仍在探索相对论“景观”的新角落。由于空间是动态的，它可以以各种复杂的方式变形。引力的作用会压缩空间；这种压缩就是你所体验到的重量。爱因斯坦的方程也允许“反引力”的存在，即一种将空间推开的能量。几十年来，这种可能性被视为一种理论上的好奇。然后，在1998年，两个天文学家团队观察到宇宙的膨胀正在加速。这只有在相对论的框架下才能解释。驱动加速的反引力成分现在被称为“暗能量”，它已被广泛接受，以至于2011年的诺贝尔物理学奖就是为了表彰其发现。
然而，暗能量的真正本质仍然是一个谜。为了弄清楚这一点，一个国际天文学家团队启动了暗能量巡天（Dark Energy Survey），目前正在智利的塞罗托洛洛际美洲天文台进行。在五年的时间里，他们将拍摄3亿个星系的照片并记录它们的分布。引力倾向于使星系随着时间的推移聚集在一起，而暗能量倾向于使它们分散。这次巡天捕捉到的模式将开始揭示暗能量在所有地方是否以相同的方式起作用，以及其强度在宇宙历史进程中是否发生变化。暗能量的质量约为可见星系的15倍，因此它的影响可能决定宇宙的命运。
你，就在此刻，就在这里，就是宇宙的中心。这算不算是一种自我膨胀？
正如空间可以膨胀一样，当被运动物体（如被跳石惊扰的池塘表面）的引力扰动时，它也可以产生涟漪。这是科学家们才刚刚开始探索的相对论的另一个“荒野”。当引力波以光速传播经过地球时，它们会微妙地挤压和拉伸它们遇到的所有物体——包括你。这种效应极其微弱。为了分辨这些波，研究人员正在升级一对长2.5英里的探测器——一个在华盛顿州，一个在路易斯安那州——它们被称为激光干涉引力波天文台（LIGO），以及位于意大利的与之配套的维尔戈（Virgo）实验。到本世纪末，他们希望能够观测到由壮观但却看不见的宇宙事件（如黑洞碰撞）发出的引力信号。
啊，是的，黑洞——也许是爱因斯坦方程“景观”中涌现出的所有奇特特征中最著名的。黑洞是空间自身扭曲的地方；在这里，相对论的地形图最具扭曲性和吸引力。在事件视界——黑洞的边界——时间停止，量子力学描述的原子尺度现象被拉伸到城市大小……至少表面上是这样。广义相对论还认为，宇宙的所有部分都应该是连续的，这意味着黑洞的内部和外部之间不应有物理上的中断。这种明显的矛盾正在激发一场新的理论风暴，这些理论超越了科学家们目前对物理定律的理解。
即使在扭曲的黑洞案例中，那些似乎存在于相对论“景观”遥不可及的边缘的概念，也可能可以通过艰苦的观测来接近。一个名为事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）的全球性仪器，由散布在世界各地的九个射电天文台组成，目前正在收集信息，以创建我们星系中心超大质量黑洞的第一张直接图像。黑洞本身将看起来什么都没有（它，嗯，是黑的），但对其大小和周围结构的测量可以揭示质量扭曲空间结构的方式。任何偏离爱因斯坦预期的情况都将指向全新的物理概念。事件视界望远镜的第一张有意义的图像可能很快就会出现，也许在十年内。
III.
所有关于膨胀的宇宙、引力波和黑洞的想法，都花费了极其漫长的时间才得以发展，因为它们深藏在相对论的“景观”之中。爱因斯坦本人迟迟才接受前两者，并且从未接受黑洞，他认为关于它们存在的论证“不令人信服”，并假设自然过程阻止了它们的形成。许多作家，包括著名物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow），都将爱因斯坦对这些想法的抵制描述为“失误”——他的伟大头脑走错了方向。事实上，爱因斯坦开辟了一个如此广阔的“景观”，以至于他自己也需要远不止一生的时间来探索它。
即使现代物理学家们在爱因斯坦未能企及的地方不断前进，他们普遍的假设是广义相对论并非最终的定论。在描述引力以及黑洞等极端物体方面，相对论与量子力学——一套描述原子尺度世界的规则——发生了冲突。在被迫选择时，当今大多数理论家都将量子力学视为对现实更根本的描述，将相对论视为基于微观量子效应形成的大尺度现象。物理学家们在“自下而上”（例如将光解释为光子的集合，或将物质视为原子的簇）的研究中取得了很大的成功，然而一个世纪的经验表明，低估爱因斯坦“自上而下”的视角的力量是不明智的。正如李·斯莫林所说，量子力学是关于“子系统”的理论——也就是说，它只有在其周围环境的背景下才有意义——与相对论固有的宇宙范围形成对比。
爱因斯坦的整体方法是使广义相对论在解释和探索潜力方面独一无二。毫无疑问，未来会有物理学家比他走得更远。他们很可能会采用量子理论的许多工具和技术。但同样可以肯定的是，那些天才将不得不像爱因斯坦一样——从方程中后退一步，去观察更广阔的“景观”——如果他们想获得真正的启迪。他们将不得不切身体会相对论。
本文最初发表于2015年11月的《大众科学》杂志，标题为“阿尔伯特·爱因斯坦，景观建筑师”。
