我们聊一个比较大的话题，我们的世界和宇宙到底是由什么构成的？是由空间、时间和粒子构成，这个世界有着广阔、均匀的空间，粒子在里面永不停息的运动，彼此之间相互作用，除此之外再无他物？
不过探索到这里还远远没有结束，牛顿的方程无法描述自然界中存在的所有力，除了引力，还有其他力作用在物体上，物体并不是只有在自由下落的时候才运动。牛顿留下的这个问题就是要理解其他可以影响我们的力，而这个问题要一直等到十九世纪才得到解答，并且带来了两件意想不到的大发现。
第一个意想不到的事，是我们可见的所有现象都由万有引力以外的另一主力支配，今天我们把这种力称之为电磁力，是这种力让物质聚集在一起形成了固体，也是这种力让分子中的原子结合在一起，使原子中的电子结合，使化学物质和生命体可以运转起来。是这种力让我们大脑中的神经元运转，主宰我们接受外界信息的过程以及我们的思维方式，是这种力创造了阻碍滑动物体运动的摩擦力，也是他制造了电动机和内燃机。
第二件事更加重要，要理解这种力，需要对牛顿的宇宙观进行重要的修正，宇宙的构成不只有粒子、时间和空间，而是多了一个概念，这就是场的概念。理解电磁力的工作由两位英国人完成，他们就是著名的迈克尔法拉第和詹姆斯克拉克麦克斯韦。十九世纪的时候，法拉第在伦敦一个摆满了线圈、小刀、铁笼子的实验室里工作，研究电磁物体的吸引和互相的排斥。
作为牛顿理论的信奉者，他尝试理解带电物体和磁体的相互作用，但是逐渐的通过和这些东西的密切接触，他看见了一些全新的东西，或者说他获得了一种直觉，而那种直觉将会成为现代物理学的基础。他的直觉是这样的，他认为我们不应该像牛顿假设的那样，认为物体之间是直接相互作用的。我们应该认为存在某种电磁铁激发的实体布满了整个空间，并且作用在物体上，法拉第凭直觉知道的这种实体，今天我们就称之为场。那么场到底是什么呢？法拉第把它看作很多束非常细腻的线充满了整个空间，就像是巨大的、隐形的蜘蛛网，填满我们周围的一切。他把这些线称作力线，因为从某个角度来说，这些线承载了力，他们把电磁力从一个物体传递到了另外一个物体。
带电的物体，比如摩擦过的玻璃棒，会使它周围的电磁场线弯曲，这些场反过来会对其中的带电物体产生力的作用，两个带电物体不会直接吸引或者互相排斥，而要经过他们之间的媒介，这个媒介就是场。其实牛顿对他自己所引入的超距作用也感到非常的困惑，地球是怎样吸引如此遥远的月球的呢？太阳是怎样不和地球接触就有引力的呢？他在一封给朋友的信里是这么写的，没有生命、没有意识的物质，可以在没有其他非物质因素介入的情况下，对其他物质起作用，在没有相互接触的情况下产生影响，这实在是不可思议。在没有任何媒介的情况下，作用力可以从一个物体传递到另外一个物体，这一点对我来说十分的荒谬。引力一定是由某一媒介根据特定法则持续产生作用的，至于这种媒介是物质还是非物质，就留给我的读者思考了，你看能够意识到自己发现其中存在局限，其实也是一种天才。
即使是像牛顿这样伟大的发现，牛顿的理论极其出色，整整两个世纪都没有人会自寻烦恼去提出质疑。直到法拉第读到了牛顿提出的悬而未决的问题，并且找到了解答问题的关键，解释了不相邻物体是如何互相吸引和排斥的。我们后面还会说到，爱因斯坦会把法拉第的绝妙办法应用到牛顿的引力理论中，引入新的实体，让法拉第完全背离了牛顿简洁、优美的本体论，宇宙不再只由空间中的粒子组成，一名新的演员场登上了舞台。
法拉第意识到他迈出了这一步的重要性，他在自己的书里多次发问，这些力线是不是真的存在，经过怀疑和思考之后，他得出结论，认为他们真的存在。他也意识到自己想表达的是在牛顿物理学成功两个世纪之后，对世界的结构进行了修正。后来的麦克斯韦立刻意识到这个观念非常可贵，他把法拉第用口头语言解释的洞见，转述成了一整页的方程，这些方程现在被称为麦克斯韦方程组，他们描述了电磁场的特性，是法拉第力线的数学表达，正如当年牛顿把前人的想法用数学表达出来一样。今天麦克斯韦方程组每天都用来描述电磁现象，设计天线、收音机、电动机、还有电脑。这些方程还可以解释原子是怎样运动的，形成石头的物质微粒为什么会粘合在一起，太阳如何活动？他们可以描述各种各样的现象，我们所见的几乎一切，除了引力之外，都可以用麦克斯韦方程组很好地进行描述。
另外麦克斯方程组还得到了一个非常美妙的成就，他告诉我们光是什么东西。麦克斯韦意识到他的方程预言法拉第的立线可以震动和起伏，就像是海面上的波浪一样。他计算了法拉第立线波动的传播速度，结果竟然和光速相同，这是为什么呢？麦克斯韦领悟到，因为光只不过是法拉第力线的飞速振动。法拉第和麦克斯韦不仅解决了电和磁如何运动的问题，与此同时，作为一个副产品，他们也指出了光是什么，我们看到的世界是多彩的，但颜色是什么呢？
简单来说，它就是光作为电磁波的频率，也就是震动的速率，如果播震动的更快，颜色就会偏向蓝色，如果震动的慢一些就会偏向红色。我们感知的颜色是由视觉神经产生的反应信号，可以辨别不同频率的电磁波。光只不过是法拉第力线的快速震动，就像风吹过湖面时的波纹。我们并不是没法看到法拉第的力线，我们是只能看到震动的法拉第力线，看见就是感知到光，光是法拉第力线的运动。如果没有东西传输他们的话，任何物体都不会从空间中的某个位置移动到另外一个位置。
全部的现代通信技术，比如收音机、电视、电话、电脑、卫星、wifi、网络等等，都是麦克斯韦预言的应用，麦克斯韦方程组是电信工程师进行一切计算的基础。电磁波这个物理实体并不是通过实验被发现，而是来自麦克斯韦的预言，并且起初仅仅是为了寻找一种数学描述。
到此，我们关于宇宙由什么构成的探索再一次发生了转变，世界不再只是由空间中的粒子组成，而是由空间中的粒子和场组成。这一点看起来似乎是一个微小的改变。但是几十年之后，一个年轻的犹太人会得出远远超过法拉第想象力的结论，并且从核心深处撼动牛顿的世界观。这个年轻人就是爱因斯坦，在介绍爱因斯坦最重要的理论广义相对论之前，我要先介绍狭义的相对论，因为它阐明了时间和空间的结构。
让我们先回到麦克斯韦的方程里，牛顿和麦克斯韦的理论有那么一点点相互矛盾，麦克斯韦方程组给定了一个速度，就是光速，但是牛顿力学与存在恒定速度这件事是不相容的，因为牛顿方程里包含的是加速度，而不是速度，在牛顿物理学中，速度只能是一个物体相对于另外一个物体而言的。伽利略强调说地球相对于太阳在运动，即便我们感知不到这个运动，因为我们日常所说的速度是物体相对于地球的速度。我们说速度是一个相对性的概念，意思是说谈论一个物体本身的速度是没有意义的，唯一存在的速度是一个物体相对于另一个物体的速度。
但如果是这样，你仔细想一想，麦克斯韦方程组里给定的光的速度是相对于哪个物体而言的呢？有一种可能是存在一种统一的实体，光速是光相对于这种实体的速度，那个时候人们普遍相信这种叫做以太的实体是真实存在的。二十世纪末的时候，人们进行了大量的实验，试图测量地球相对于这种假想的以太的速度，不过这些实验都宣告失败了。爱因斯坦曾经说，任何实验都没有真正对他有所帮助，只有通过思考麦克斯韦方程组和牛顿力学之间显著的矛盾，他才找到了正确的方向。他问自己，能不能找到一种方式，让牛顿和伽利略的核心发现与麦克斯韦的理论相一致，爱因斯坦由此达到了一个惊人的发现。
他发现在一个世界的过去和未来之间，比如说你正在看这篇文章的此时此刻与你的过去和未来之间存在着一个中间的区域、一个延展的现在、一个既不是过去也不是未来的区域，这个就是狭义相对论的发现，这个既不存在过去，也不在未来的中间区域，时间一般来说非常短，取决于相对于你而言事件发生的位置。世界离你的距离越远，延展的现在持续的时间就越长，在离你几米远的地方，对你来说既不是过去，也不是未来的中间区域，持续的时间只有几纳秒，可以约等于零。但到了月亮上，延展的现在的持续时间会达到几秒钟，到了火星会有一刻钟。
我们可以说在此刻的火星上，有已经发生的事件和尚未发生的事件，也有那么一刻钟的时间，这段时间的事情既不发生在过去，也不发生在未来。比如说我在火星，你在地球，我问了你一个问题，你听到就立刻回话，但你的回复要在我提出问题的一刻钟之后才能传到我这里，这一刻钟的时间相对于你回答我的时间，他不在过去也不在未来。爱因斯坦领悟到关于自然的重要事实，就是这一刻钟是无法避免的，我们没有任何办法能把它消除。换句话说，当我们说火星上某一个事件正在发生，这个是没有意义的，因为现在并不存在，宇宙中并不存在现在发生的事件，宇宙中发生的事件不能用一系列的、一个接一个的现在来描述。
爱因斯坦对牛顿时空结构巧妙的重建，在一九零五年和一九零六年完成。这个重建的第一个成果就是空间和时间融合成了统一的时空概念，电场和磁场也以同样的方式融合，合并成一种单一的实体，我们今天称之为电磁场。用这种新的语言来表述的话，麦克斯韦描述这两种场的复杂方程组就变得十分简单了。
这个理论还有另一个含义，会产生重大的影响。在新的概念里，能量和质量也合二为一，就如同时间和空间合二为一、电厂和磁场合二为一一样。在一九零五年之前，有两个看似确定无疑的普遍定律，质量守恒定律和能量守恒定律。第一个定律已经被化学家广泛证实了，质量在化学反应中不发生改变。第二个，能量守恒定律直接由牛顿的方程推导出来，被认为是最没有争议的定律之一。
但是爱因斯坦意识到能量和质量是同一个实体的两面儿，这表明质量本身并不守恒，能量也不守恒，他们之间的一种可以转化为另外一种。只存在一个守恒定律而不是两个，守恒的是质量和能量的总和，而不是其中的一个。存在着某个方程可以把能量转化为质量，或者把质量转化为能量，爱因斯坦计算出了通过转化一克物质可以得到多少能量，结果就是著名的公式e等于mc方。今天爱因斯坦提出的施工结构已经被充分的理解了，在实验室中经过了反复的检验，对时间和空间的理解和自牛顿时代以来的方式也不再相同，空间并不独立于时间存在。
写到这儿我们复习一下宇宙是由什么组成的这个问题。在牛顿时代，宇宙由空间、时间、粒子和引力构成，到了法拉第和麦克斯韦的时代，增加了场的概念，宇宙由空间、时间、引力场、电磁力场、还有粒子构成，到了爱因斯坦提出狭义相对论的时代，空间和时间合并到一起，宇宙由时空、引力场、电磁力场和粒子构成。物理学年鉴发表了爱因斯坦的文章，所有问题一下子都明了了，这给物理世界带来的冲击是非常巨大的。
麦克斯韦方程组和牛顿物理学之间明显的冲突广为人知，但是没有人知道该怎样解决。爱因斯坦的方法非常简单，震惊了所有的人。尽管爱因斯坦在一九零五年迈出的步伐已经非常让人惊叹了，我们却还没有谈到他真正的杰作。爱因斯坦的最大成就是第二种相对论，也就是十年之后，他在三十五岁的时候发表的广义相对论。广义相对论是物理学家创造最美的理论，也是量子引力的第一大支柱，二十世纪物理学的真正神奇之处也由此展开。
在发表了狭义相对论之后，有一件事一直困扰着爱因斯坦，狭义相对论和引力理论并不相容，牛顿已经解释了物体下落和行星公转的原因，他设想了一种所有物体之间相互吸引的力--引力，但是这种力是如何在中间没有任何媒介的情况下吸引遥远物体的，这一点他一直无法解释。我们前面也提到了，牛顿自己也怀疑在互相不接触的物体之间的力，这个概念中一定有某些东西被遗漏了，地球想要吸引月球，二者之间应该存在某种能够传递这种力的东西。两百年之后，法拉第找到了一种答案，不是引力，而是电磁力的答案，也就是场，电磁场可以传递电磁力。到了这一步，逻辑清晰的人都会明白，引力肯定也有他自己的法拉第力线。类比来看，太阳和地球之间的引力，或者地球与下落物体之间的引力，很明显也是源自一种场，在这里是引力场。
对于是什么传递了力这个问题，法拉第和麦克斯韦发现的解答一定不仅适用于电场力，也适用于引力。肯定存在引力场和麦克斯韦方程组类似的方程，能够描述引力线的运动。爱因斯坦广义相对论的美妙之处就是用数学描述了引力场，爱因斯坦不仅创造了引力场的数学形式，写出了描述他的方程，还探索了牛顿理论中另一个深层次的未解之谜，并且把两者结合起来。牛顿认为物体在空间中运动，空间呢必须是一个巨大、空心的容器，是一个能装下宇宙的牢固的盒子。但是这个容纳世界的空间是由什么构成的呢？空间它到底是什么呢？
对于我们现在人而言，空间的概念似乎很自然，但这是由于我们十分熟悉牛顿物理学，如果认真思考的话，空空如也的空间并不是我们直观的体验。亚里士多德说，如果两个物体之间没有东西，那么就什么都没有，怎么可能同时存在某种叫空间的东西，又什么都没有呢？粒子在其中运动的空间到底是什么？那它是某种东西还是什么也不是呢？那如果他什么也不是，那他就不存在，没有他也可以，如果他是某种东西，他唯一的性质就是呆在那儿什么也不做，真的是这样吗？
自古以来，空间的概念就一直困扰着思想家，德莫克利特本人把空白的空间作为原子世界的基石，但并没有把这个问题解释清楚。他说空白空间是某种介于存在和不存在之间的东西，原子存在、空间不存在，然而“是个存在的不存在”，没有比这更难理解的了。人们对牛顿空间概念合理性的质疑一直就没有停止，爱因斯坦也非常知道这一点，他提出了不止一个，而是两个难题，第一个是我们如何描述引力场，第二个是牛顿的空间到底是什么？爱因斯坦的非凡就体现在此，这也是人类思想史上最闪亮的时刻之一。
他认为如果引力场实际上就是牛顿神秘的空间，如果牛顿的空间只不过是引力场的另外一个形式呢，这个极其简单、优美又充满智慧的想法就是广义相对论。如果说对于广义相对论你只能记住一句话，就请把下面这句话记住，世界并不是由空间、粒子、电磁场、引力场组成，而只是由粒子和场组成，除此之外别无其他，没有必要把空间作为附加要素加进来，牛顿的空间就是引力场，或者反过来说引力场就是空间。那么到了这里，我们对宇宙由什么构成的观念被再次刷新了，时空和场是一回事儿，宇宙的构成就只剩下两个东西，场和粒子。
与牛顿平直、静止的空间不同，由于引力场是一种场，他会运动，也会起伏，并且遵循一定的方程和麦克斯韦的场和法拉第力线一样，这是对世界极大的简化。空间也是世界的一种组成部分，和电磁场类似，它是一种会波动、起伏、弯折、扭曲的真实的实体。爱因斯坦说：我们并不是被容纳在一个无形的、固定的盒子里面，而是在一个巨大的、活动的软体动物的内部。太阳让它周围的空间弯曲，地球并不是由于神秘的超距作用吸引力才围绕着太阳运动，而是在倾斜的空间中沿直线运动，就好像在漏斗中转动的珠子，不存在什么漏斗中产生的神秘的力，而是漏斗臂弯曲的特性使珠子旋转。行星环绕太阳运动、物体下落，都是因为他们周围的空间是弯曲的，理念就此形成了。
爱因斯坦剩下的问题就是要找到方程，让这个理念变得更加坚实，那如何描述这种时空的弯曲呢？爱因斯坦非常幸运，这个难题已经被数学家解决了。十九世纪最伟大的数学家、数学王子高斯已经完成了描述曲面的数学，比如说山体的表面。后来他让一位才华横溢的学生把这个数学推广到三维或者更高维的弯曲空间。这名叫黎曼的学生写了一篇看似毫无用处的博士论文，黎曼的成果是任何维度弯曲空间的属性都可以用一个特定的数学对象来描述，我们称之为黎曼曲率一般以字母r来表示。我们以平原、小山、还有山脉为例，平原表面的区域r等于零是平的，曲率不等于零的地方则是山谷和小山。在山峰的顶点，曲率有最大值，也就是最不平坦，或者说最弯曲。
运用黎曼的理论可以描述三维或者四维弯曲空间的形状，爱因斯坦付出了巨大的努力，终于学会了黎曼的数学，他写出了一个方程，其中r正比喻物质的能量，也就是说有物质的地方空间弯曲的会更多，这个就是答案。这个方程可以和麦克斯韦方程组类比，但是适用于引力，而不是电场力。方程只有简单的一行，就这么简单，一个洞见，空间会弯曲变成了一个方程。这个神奇的理论延伸出了一系列梦幻般的预测，听起来就像疯子乱讲话，但最后竟然全都被证实了。
一开始，爱因斯坦重新计算了像太阳这样的物体对周围空间的弯曲效应，以及这个弯曲对行星运动的影响。他发现行星的运动轨迹和开普勒与牛顿的方程的预测大致相同，但不是完全一致，在太阳附近空间弯曲的影响，比牛顿的力的影响要强。爱因斯坦计算了水星的运动，由于它是离太阳最近的行星，所以他和牛顿的理论对预测的差异也最大。他发现了一个细微的差别，水星轨道的近日点每年比牛顿理论预测的要多运动零点四三秒弧度，这是个非常小的差别，但是天文学家还是可以观测到这个差别。
通过天文学家的观测结果来比较，这两种预测结论十分明确，水星的运动轨迹遵循爱因斯坦预测的轨迹，而不是牛顿的预测。爱因斯坦的方程描述了星体附近空间如何弯曲，由于这种弯曲光线会偏折，他预言太阳会让周围的光线弯曲。实验测量在一九一九年完成，光线的偏折被测出来了，结果和预言完全一致，因为狭义相对论。没错，时间和空间也是一体的，所以不止空间会弯曲，时间也会。爱因斯坦预言，在地球上海拔高的地方时间流逝得更快，海拔低的地方要慢一些。经过测量之后发现确实如此。现在很多实验室中都有非常精确的钟表，即使高度上只有几厘米的差异，也可以测出这种奇特的效应。
广义相对论还预测，星体只要有足够的氢作为燃料就会燃烧，然后渐渐停息。当热产生的压力无法支撑剩余的物质时，它就会因为自身的重量而坍缩。当一个足够大的星体发生这种现象的时候，由于重量太大，物质就会被压扁到极致，空间极度弯曲成为一个洞，黑洞由此诞生。除此之外，理论还预言空间会像海绵一样起伏，这些叫引力波的效应可以在天空中双星那里观测到，他们会发射引力波，失去能量，逐渐向彼此靠拢。
由于两个黑洞产生的引力波，在二零一五年下半年被地球上的天线直接观测到，爱因斯坦理论看似疯狂的预言又再次被证实了。这些丰富繁杂的现象，你想光线的弯曲、牛顿引力的修正、时钟变慢、黑洞、引力波、宇宙膨胀、大爆炸都源自于这样一种理解。空间并不是单一、静止的容器，而是有自己的动力学和物理学，就像它包含的物质和场一样。德牧克雷特认为空间有它自身的物理学与实体，只不过德莫克利特的想法只是定性的，而不能像爱因斯坦那样真正用数学准确预测事件的发生。如果没有法拉第引入场的概念，没有数学的威力，没有高斯和黎曼的几何，这种特殊的物理学仍然无法让人理解。
借助新的概念、工具和数学的帮助，爱因斯坦写出了描述德姆克利特笔下虚空的方程，他的特殊物理学发现了一个多姿多彩又让人惊叹的世界，这一切都来自于一个基本的直觉，那就是时空与引力场是一回事。现在我们经常看到有人提出推翻了爱因斯坦的相对论，但是一方面，这些民科的理论只能是定性的描述，却不能用数学去预测未来。另外一个方面，你光是在语言上推翻理论其实是没有意义的，他还必须解释这个理论验证的一系列事实，比如说光线弯曲、引力波、黑洞、时钟变慢等等。
不夸张地说，在这么多实验结果的验证加持下，现在主流科学界可以说把广义相对论，奉为绝对正确、不可撼动的理论。任何实验别说是颠覆他，哪怕是提出一点点数学上的小问题，那都是能获得诺贝尔奖的巨大发现。爱因斯坦真正伟大的发现并不是数学方面，他的黎曼几何是从别人那里学来的，伟大的数学家戴维希尔伯特说：歌厅跟大街上任何一个年轻人都比爱因斯坦更懂四维几何。然而是爱因斯坦完成了这个工作，为什么是他呢？
因为爱因斯坦具备一种独特的能力，他可以想象世界是如何构造，可以在头脑里看见他，然后方程就随之而来，方程是落实他洞见的语言。对爱因斯坦而言，广义相对论并不是一对方程，它是被转述为方程的关于世界的精神图景，如果时空只有两个维度，我们生活在平面上，那就很容易想象。物理空间弯曲意味着什么意思？那表示我们生活的物理空间并不像平面桌，而是像山峰和山谷的表面。但我们所在的世界不只有两个维度，而是三个，实际上当把时间加进来的时候是四个维度。想象弯曲的思维空间会更加复杂，但是爱因斯坦可以毫不费力地想象出我们居住的这个可以被压扁、拉伸、扭曲的软体宇宙。多亏了这种伟大的想象力，爱因斯坦才率先完成了这个理论。
至此，我们对宇宙构成的探索似乎抵达了终点，但是不知道是好消息还是坏消息。实际上这一趟探索还是没有结束，因为物理学中还有另外一个我们没有讲到的怪兽，甚至他最后都让爱因斯坦不得不黯然离场，后面的故事我们就到下一章再接着讲。
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