伽利略、牛顿、爱因斯坦和霍金：人类智慧的接力_风闻

2018 年6 月15日，物理学家史蒂芬·霍金的骨灰被送入威斯特敏斯特教堂，安葬在一块黑色的石板下，距离艾萨克·牛顿和查尔斯·达尔文的墓碑只有几英尺远。

参加霍金葬礼的除了他的家人、朋友和社会名流之外，还有从25 000余名群众中选取的1 000个人，教堂里人头攒动。伴随着舒缓而绵延的音乐，霍金的电子合成音最后一次回荡在教堂中。“我很清楚时间的宝贵。抓紧时间。现在就行动起来。我这一生，都在脑海中遨游宇宙。”

与此同时，欧洲航天局位于西班牙的一台直径约30 米的射电望远镜将这段话连同配乐一起，朝向太空的方向，发往一颗编号为1A 0620–00的黑洞。在接下来的3 500年中，霍金的话语将以光速飞向它的目的地，飞向它的终点。

没有人会觉得这样的仪式太夸张，毕竟在霍金生命的最后1/3，他是当代世界上最富盛名的科学家。纵观历史，除了霍金大概只有三四位科学家可以获得这样的公众声望，他们是爱因斯坦、牛顿、伽利略。

霍金生于伽利略逝世300周年忌日，在爱因斯坦生日那天去世，又与牛顿葬在一处。时间与空间交错，他们结下了独特的缘分。

并且，他们都是天体物理学家。

霍金在《星际迷航：下一代》里客串，与牛顿、爱因斯坦打扑克

在过去几千年的时间里，人类相信地球是宇宙的中心。直到伽利略击碎了地心说，牛顿发现了万有引力，爱因斯坦提出相对论统一了时间与空间，霍金的奇点定理力证宇宙起源于大爆炸……他们彻底改变了人类看待宇宙的方式。

伽利略、牛顿、爱因斯坦和霍金的人生充满戏剧性，他们有着非凡的头脑，又有着凡人的痛苦；他们在科学中表现出杰出的独创性，成功地传播了自己的研究成果，让人们能够获取这些知识；他们的思想也成为现代科学建立的基础，这些使得他们本人及其故事永垂不朽。

他们是不同时代的杰出天才，但是他们又有着那么多的相似性。从他们的事迹中，如今的我们也能受到感召。

群星璀璨科学家系列

《霍金传》《我的世界观》《牛顿传》《伽利略传》

给旧宇宙观致命一击：伽利略

伽利略是现代天文学与天体物理学的奠基人。他将观测天体、绘制星图的古老艺术，革新为一项探索宇宙奥秘、定位人与地球位置的科学事业。

爱因斯坦在谈到伽利略时写道：“他是现代物理学之父——实际上，他是整个现代科学之父。”爱因斯坦还补充说“伽利略的发现与他对科学推理方法的运用”是“人类思想史上最重要的成就之一”。

伽利略改良了荷兰人利珀希在1608年发明的望远镜，自制了天文望远镜，放大率可以达到30倍。伽利略将透镜固定在一个空心圆柱体两端，仅用这样简单的组装就彻底颠覆了我们对宇宙的理解、对人在宇宙中位置的理解。伽利略对银河系中遥远恒星的观测，绝对称得上是人类对太阳系外浩瀚宇宙的第一次窥视。

去谈判，勇敢地为自己争取利益

当时，哥白尼学说和托勒密学说正在激烈辩论，宣扬日心说的数学家兼哲学家焦尔达诺·布鲁诺于1600 年2 月17 日被活活烧死。伽利略很清楚布鲁诺的悲惨结局，所以他非常小心地描述和解释他对恒星的观察，然而，无论他的描述是否谨慎， 他的发现都是如此惊世骇俗。

1610年1月13日，伽利略用望远镜观测发现有四颗卫星围绕着木星运行。它们就像我们的月球一样，在与其他行星轨道面基本吻合的平面上旋转。木星展现的是一个微缩的哥白尼体系。

木星四颗卫星的发现具有历史意义，因为这是自古以来在太阳系里发现的第一批新星体。不仅如此，这个发现也是驳斥日心说模型反对者的一个重要理由。亚里士多德主义者认为，地球在绕着太阳运行时，不能同时控制月球。他们还提出了一个合理的问题：如果地球是一颗行星，为什么它是唯一有卫星（月球）的行星？伽利略成功地让这两种质疑销声匿迹了，他证明木星明显是在移动的，无论是绕太阳（符合哥白尼观点）还是绕地球（符合托勒密体系）运行，它都能控制不止一颗，而是四颗绕轨道运行的卫星！

尤有甚者，从前亚里士多德坚信天空中的星球（地球范围外的任何东西）都是完美无缺的，然而望远镜镜头下的画面显示，月球的表面有清晰可见的坑洞。

伽利略的月球蚀刻版画

逐渐地，由亚里士多德思想、托勒密和古希腊人的古老天文学建成的大厦崩塌了，它们被研究室里那些以精准数学为基础的精密观测得到的认识取代，数学与观测两者相结合终于成为一股不可阻挡的力量，使我们对宇宙的认识产生了极大变化。

不仅如此，伽利略还是为学术自由而战的象征。

19 世纪画家约瑟夫- 尼古拉斯·罗伯特- 富勒利所画的伽利略受审的情景

伽利略宣布他的发现后不久，权力很大的贝拉明主教就开始贬斥伽利略的理论。1616年，这位主教宣称哥白尼的模型体系“不但错误，还背离《圣经》”，继而发生了历史上著名的伽利略被迫害事件。伽利略余生都被软禁在家，除非他摈弃自己的学术信仰，否则就要被判为异教徒而受到刑罚。1633年，伽利略终于在宗教审判所承认，他所知道的“基本真理”全是假的。

**《伽利略传》**现代科学之父的探索与抗争

讲述伽利略作为物理学与天文学奠基人的生平故事、科学成就、捍卫真理的磨难与精神遗产。

然而，进步的潮流一旦涌现，就没有任何力量可以阻挡它。17世纪之初，一系列革命性的数学发展相继出现，这为牛顿的学术研究铺平了道路，为地心说转变成日心说的观念争取了最后胜利。人们从亚里士多德的凭空猜测转而走向经验主义、精确的观测与严谨的数学。牛顿接下传给他的接力棒、抵达创立万有引力定律和微积分这一转折点。

彗星的轨道与海洋的潮汐：牛顿

1666年，为躲避瘟疫从剑桥回到乡下的艾萨克·牛顿，坐在苹果树下，思考着苹果为什么会掉到地上，而不是飞到空中。从那一刻起，牛顿揭示了隐藏在迷雾中的世界的真理。

牛顿凝视苹果落下的传统形象

300年来，苹果下落的瞬间一直被看成引发牛顿导出万有引力灵感的一刻，可是我们几乎可以确定的是，这个故事是编造出来的。

事情的真相是，牛顿并不会侥幸地因为单一事件或者回到童年的环境，而产生某种推动力，进而得到启发，反而是专心的研究和绝对的奉献，逐步揭露事实真相，才是比较可能发生的情况。正如有人问牛顿是怎么会想到这些前所未知的东西时，他回答说：“我经常将一些问题放在眼前，等待第一道曙光缓缓出现，再一步步地看到圆满、明亮的光辉。

在乡下躲避瘟疫的那两年，牛顿在观念与数学两方面奠定了基础，其后20年间，根据炼金术的知识和实验的证明，他才逐渐建立了更详细的理论。种种因素都是必要的：如果牛顿没能在17世纪60年代积累数学认知，他对于行星运动的直觉上的领会，到最后也不过是个好的臆测罢了；若牛顿没有深厚的炼金术知识，他几乎绝无可能将1665年和1666年得到的有限的行星运动概念加以延伸，发展出伟大的万有引力、超距作用等观念；若没有搜集的那些实验证据，牛顿的理论就不会如它们在《自然哲学的数学原理》中那样具有影响力，更不可能那么快地激发其对于力学和运动定律的应用，以至于一个世纪之后，引发了工业革命。

牛顿的晚年画像，由范德班绘制

牛顿很容易计算出了行星的运行轨迹，而在分析了皇家天文台的大量观测资料后，他惊讶地发觉维持行星环绕运行的引力，原来也决定了彗星的运行方式和路径。彗星的路径为万有引力概念提供了进一步的线索。如果彗星的运动能够被精确地计算，它就有可能让我们全面了解行星运动和涉及天体力学的所有的力。

最终，牛顿建立了一个描述所有巨大物体之间相互吸引的理论。任何两个物体，无论处于宇宙中的什么地方，或多或少都会感受到一种相互拉扯的力，无影无踪，但又不可阻挡，令人费解。树上的苹果不仅受到地球上每一个物体的引力作用，也同时受到宇宙中每一颗恒星的引力作用，无论这颗恒星距离地球有多远。

**《牛顿传》**破界创新者

关于牛顿的经典传记，也是一部科学史。英国传记作家从150多万字手稿中还原真实的牛顿，畅销15年的经典版本。

牛顿的方程漂亮而准确地描述了作用于物体上的引力，但是他无法解释这个力是如何作用的，它是由什么构成的，又是怎样跨越遥远的距离依然起作用的。两个半世纪之后，爱因斯坦终于解释了这个问题。

人类对大自然认识的彻底修正：爱因斯坦

爱因斯坦在1915 年完成了他的旷世杰作——广义相对论。

阿尔伯特·爱因斯坦

早在牛顿之前，人们就认为时间和空间固定不变，有别于其他物理属性。人们把时空看作舞台，上面上演着永不停息的宇宙戏剧。在这样一个舞台上，质量、长度和时间都是绝对不变的，事件与事件之间的空间距离和时间间隔对所有观测者来说都一模一样。

然而，爱因斯坦发现，质量、长度和时间并非绝对不变，空间距离和时间间隔也与观测者的相对运动有关。对一名以近光速运动的宇航员来说，相比较他那留在地球上的双胞胎兄弟，时间变慢了（表上的指针走得慢了），空间收缩了（运动物体的长度缩短了），运动物体的质量增加了。这些都是狭义相对论预言的结果，并且每一条后来都为20世纪的实验所证实了。

不过，狭义相对论并没有将加速度囊括进来，而广义相对论做到了这点。爱因斯坦在奋力构建广义相对论的过程中曾表示，这个理论让狭义相对论看起来就像是“小孩子的把戏”。就像量子概念挑战了原子领域人们对“现实”的既定看法，爱因斯坦让人类朝着理解时间和空间的真正性质迈进了一步。广义相对论就是爱因斯坦的引力理论，它能引导他人研究宇宙的大爆炸起源。

在牛顿的引力理论中，两个物体（比如太阳和地球）之间的吸引力正比于两者质量的乘积，反比于两者质心之间距离的平方。在牛顿物理学中，两个质量体之间没有任何接触，因而引力是一种神秘的“超距作用力”。然而，在广义相对论中，引力是大质量物体的存在引起的时空扭曲。按照这个理论，地球之所以会绕着太阳运动，并不是因为有一些看不见的神秘力量在拖拽它，而是因为太阳巨大的质量造成的空间扭曲。简单来说就是，物质扭曲了空间，而扭曲的空间又决定了物质的运动方式。

1954年，爱因斯坦坐在普林斯顿家中

1915 年11月，爱因斯坦运用广义相对论研究了水星轨道的一个特征——这个特征正是运用牛顿引力理论无法解释的。爱因斯坦也因此检验了广义相对论的成色。水星在环绕太阳运动的过程中，每一圈的路径并不完全相同。天文学家通过精确的测量证明，这颗行星的轨道会发生轻微的摆动。爱因斯坦运用广义相对论计算了这种轨道偏移。当他看到计算得到的数字与实验数据相符（在误差范围内）时，他心跳加速，感觉好像心里的一块石头终于落了地。“这个理论美得无与伦比。”他写道。

1919年，爱因斯坦通过广义相对论预言的光线弯折现象得到了证实，他也因此成了第一个诞生于科学界的超级巨星。

**《我的世界观》**一本书读懂真实的爱因斯坦

完整收录爱因斯坦关于人生观世界观的文章，20多篇初次译为中文。杨振宁代序。

无限果壳之王：霍金

在爱因斯坦崛起成为科学代言人不到100年的时候，霍金取代了他，成为首屈一指的科学名人。

霍金是我们这个时代中最著名的科学家。公众崇拜霍金，却不了解确切的原因。爱因斯坦发现了相对论，牛顿发现了万有引力，但绝大多数崇拜霍金的人却不知道他因何出名。他们其实也不知道，为什么媒体总把霍金与爱因斯坦或者牛顿相提并论。霍金自己总是谦虚地拒绝这种比较，但同时他的勤奋和努力又在不断引发类似的比较。

史蒂芬·霍金

霍金的朋友、物理学家约翰·普瑞斯基尔说：“他对科学有三个伟大的贡献。一个是奇点定理……一个是关于宇宙波函数的想法；但是到目前为止，最重要的还是霍金辐射的发现与推演。”

黑洞是一种具有强大引力的天体，所有靠近它的物体，包括光在内，都无法逃脱它的引力。正因为黑洞连光线都能吞噬，所以它们都“黑”到了极致。它们是终极的吸收体，吞噬一切光亮，不会反射出一丝一毫。但是在20 世纪70年代，霍金有了一个惊人的发现：黑洞不是真正完美的黑色，它们会向各个方向辐射粒子，包括光子。这一发现后来被称为“霍金辐射”。

在大多数情况下，霍金辐射异常微弱，在任何合理距离上都无法被探测到。然而，仅仅是发现这种辐射的存在已足够产生深远的影响。因为一旦接受了黑洞会辐射能量的说法，就意味着黑洞必将在辐射中蒸发，或者叫爆炸。而这又意味着被黑洞吞噬掉的物质和能量最终必然会得到释放。

霍金早就意识到，这些物质和能量的释放导致了现代物理学的两大支柱——爱因斯坦相对论和量子理论——之间不可调和的冲突。这种冲突意味着，霍金辐射的发现不仅颠覆了我们关于黑洞的传统认知，还有可能是统一量子理论和爱因斯坦相对论的一个重要里程碑。甚至，我们可能通过霍金辐射找到一个“万有理论”来取代这两大支柱。

**《霍金传》**重塑一个立体、真实又闪耀的霍金

《展望杂志》2021年十大传记奖，知名科普作家执笔，首次曝光一手采访资料。对霍金精神遗产的全面总结。

霍金和他的前辈一样，是能够直接凝视宇宙中最具破坏性的力量的少数几个人之一，他独自深入黑洞的深处，探寻到别人无法触及的深奥知识。

而当他被说成是牛顿再世的时候，他的驳斥也不是虚伪的谦虚，尽管他的确是一位一流的物理学家，对广义相对论和宇宙学做出了重大的贡献。但就像他自己反复坚持的那样，他并没有像牛顿、爱因斯坦和伽利略那样的智慧。

霍金的成功在于他发现了一些新东西，在一些重要的方面改变了我们对于宇宙的理解，而且改变了多次。不仅如此，他的胜利还表现在，他酝酿出了新的重要思想，并且激励了一代科学家去追随他的脚步。

20 世纪60 年代初，当霍金的研究开始时，宇宙学领域还是一片沉寂，已经几十年没有取得任何实质性的进展了。但是到他去世的时候，宇宙学摇身一变，已经成为物理学中最激动人心的领域。它改变了我们对于宇宙形成的理解，也产生了一个又一个诺贝尔奖，直到现在还是这样。

向宇宙深处眺望

人类从未停止思考关于存在的问题：宇宙是如何开始的？地球是如何形成的？地球上的生命是如何开始的？意识是如何出现的？

最初，人们从神学中寻找答案，世界上各个民族都有自己的创世神话。后来人们转向哲学，思辨意识与存在的关系。终于又跨越了哲学与科学的边界，所有这些问题现在被广泛地认为属于科学领域。

例如，我们现在知道，我们的宇宙大约始于138 亿年前，从一个极热的、密度极高的状态膨胀而来，俗称宇宙大爆炸。我们知道，太阳是46 亿年前由气体和尘埃云的引力坍缩形成的，而地球是由太阳周围吸积盘中的尘埃粒子积聚而成的，等等。

尽管宇宙学研究的东西离地球很遥远，已经将人类的视野延伸至月亮、至太阳、至星球、直至那遥远的星辰，但天文学家对地球的关注，超过以上所有天外之物。随着对宇宙研究的深入，我们对地球，对生命，对人类自身的感激之情将越深。

对宇宙的探索让地球更美好。

**霍金说：“记得仰望星空，不要只看脚下。”**对于大多数人来说，这些物理学家带给人们最大的启发或许就是，提醒人们偶尔从生活的细小和琐碎中抬起头，对这个世界保持好奇心。