引言
李氏自修是：以自我为中心，审视宇宙，解构宇宙；内省自己，解构自己，解构出一个一个的知识点，建构成一个系统的关于这个世界的知识体系。提升自己的能力，然后指导我们的生活和行为，像一个哲学家一样过完这一生，争取更幸福的人生吧。
这一章内容是李氏自修（宇宙篇）的第十章。第九章链接：哈勃：仙女座星云是河外星系 | 多普勒效应：宇宙在膨胀长大
制约宇宙生长的规则
宇宙在膨胀，似乎和小孩的身体一样会慢慢长大，但是会不会像小孩一样，长到成年就停止生长了呢？宇宙有没有一套自我限定的规则，指导宇宙的生长？如果有制约宇宙生长的规则，那这个规则又是什么呢？一切的疑问太多太多。
其实，在人们通过观测发现宇宙在膨胀的十年前，就已经有人在理论上预言了宇宙不可能是静止的，这个人就是爱因斯坦，他的广义相对论预言宇宙不可能一直处于一个稳定的结构。（但是爱因斯坦本人起初并不愿意相信宇宙是运动着的，他相信静态的宇宙模型。）下面详细说。广义相对论是怎么样的一个理论呢？
光的本质
说广义相对论之前，先了解一下爱因斯坦的狭义相对论，狭义相对论是爱因斯坦1905年提出的，这个理论的提出本来是为了解决光在不同方向或不同参照系下的速度是一样的，和牛顿理论不符。而光是以有限速度运动的概念是丹麦的一个天文学家罗麦提出的，他1676年发现当地球和木星的相对位置发生改变，两者相距的距离发生变化时，木星的卫星出现的时间不一样，但是木星的卫星不可能以变化的速度来绕木星转动。于是他认为这个时间不等的问题是因为光走过的路程不一样，于是时间就不一样，他还近似计算了光速。但是他并不知道光的本质是什么？
在他之后，有人试着说明光是什么，牛顿认为光是从光源发出的一种微粒，这是微粒说；与此相对抗，惠更斯认为光是一种波动，也就是光的波动说。牛顿的理论开始很好的解释了光的直射和反射，但是当人们发现了光的干涉和衍射现象后，人们开始倾向于相信波动说，直到1865年英国物理学家麦克斯韦建立了电磁理论，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，电磁场总是相互联系统一在一起的，统一的场就是电磁场，旧变化引起新变化，新变化再引起变化，所以电磁场不会局限与某处，而会由近及远地向周围空间传播，这种传播就预言了电磁波的存在，当计算出电磁波的传播速度和光速相等时，麦克斯韦认为光就是一种电磁波。
没过几十年，人们又发现了光的新现象——光电效应。遗憾的是这个发现向光的波动说发难，波动说无法解释光电效应。
后来还是爱因斯坦1905年提出了光子说解决了这个问题，这个理论与量子理论相关，所谓量子其实就是能量子，能量和物质一样作为一种客观存在的形式，分布上也不是连续的，存在最基本单位——能量的能量子，而物质的基本单位是基本粒子，数量上增加和减少至少是一个单位，不可能在数字上是连续的。
亚里士多德曾经相信物质可以连续分解下去，其实被分到基本粒子时，在物理上就不可以再分了，对于能量如电磁波，古人还没有这个概念，他们不知道除了物质，客观实在还有一种形式叫能量的，当然更不知道能量是不是连续可分的了。当然物质可以转化为能量，但那是存在形式的转变不是量的改变。
光需要在以太里运行吗
关于量子理论先放一边，接着说光。上面讲了麦克斯韦认为光是一种波长较短的电磁波，而电磁波在真空中的传播速度是一个常数3×10^8米/秒，这是被实验所证实了的。但是光的速度是相对于什么参考系的速度呢？
根据伽利略和牛顿的相对性原理，不再存在绝对静止的事物，一切运动都是相对的，在惯性系中，你不能确定谁运动，谁静止，所有物体的速度都必须相对于某个参照系而言，获得的速度也是相对速度。
这个原理亚里士多德是不明白的，他相信物体的自然态是禁止的，受力后才开始运动（牛顿第一运动定律说明力是改变物体运动状态的原因，并不是使之运动的原因），事件发生的空间也是绝对的，不同状态的，所以观察者所看到的事件是同时同地发生的。我不知道亚里士多德有没有在行动的马车上拍过皮球或者站在路边看马车上的人拍皮球，那样他也许会发现在马车上皮球运动的空间轨迹是上上下下，而在车下的人看到的轨迹却是一个锯齿形的线。
这是后来伽利略发现的，他发现船在静止和匀速运动时，在船上观察到的一切都没有因为船的运动而改变，因此不能用观察到的这些现象确定船是否在运动，所以只要是运动，那运动就是相对的，如果说光是以恒定的速度在运动，很自然人们也会考虑光的这个速度是相对于什么东西而言的？
于是人们想象光和机械震动一样，需要媒介，这个媒介包括真空到处都是，人们给此媒介一个名字——以太。而光相对于绝对静止的以太，速度确是不变的。那根据牛顿理论，如果相对与以太以不同速度或方向运动的人观察到的光速就应该是不一样的，和光同向运动跟和光反向运动测得的光速应该不等。
1887年麦克尔逊和莫雷他们测了两个方向上的光速，结果发现平行和垂直于地球自转轨道上的光速是相等的。这个实验结果令人惊讶，而且不仅如此，其实光速在各个方向都是相等的。这个结果让人迷糊了。
爱尔兰的物理学家乔治-费兹杰拉德和荷兰物理学家亨得利克-洛伦兹认为这是因为物体在通过以太运动时会收缩，而且钟表要变慢。这种收缩和钟表变慢使人们测量到相同的光速，而不管他们相对于以太如何运动。这个解释似乎不能让人满意。
爱因斯坦就是在这样的情形下为了解决这个疑问而发展了狭义相对论，基本原理是认为以太没有必要存在，相对任何惯性系，物理定律具有相同的形式，没有任何一个物理实验能确定一个惯性系的运动状态。不管选择任何参照系，光速都是一个恒量。与传播方向和光源的速度无关。
时间不是绝对的
伽利略牛顿理论打破了绝对空间的观念，但牛顿和亚里士多德一样相信时间是绝对的，时间和空间是分开的，时间相对于空间是独立的，全宇宙所有事件都在一个共同的时间中发展，不同空间不同运动状态下的事件具有相同的时间。
但是现在爱因斯坦改变了这个观点，认为时间不再是绝对的而是相对的，与运动密切相关，当物体运动速度很高的时候如接近光速会产生运动时间的膨胀即运动时钟变慢和运动距离的缩短，只不过日常生活中这种效应很低，可以忽略。
原子弹的原理
狭义相对论最著名的结论是E=mcc，即质能相当，这个小小的方程预言了制造原子弹的可能。而且限制了一般物体运动的速度不可以超过光速，因为质量和能量是等价的，物体因运动而增加了能量，而能量的增加等价与质量的增加，再加速物体就需要更多的能量，而当物体达到光速时，那时候它的质量是无限大，也就是要消耗无限大的能量，证伪，所以要达到光速，只能是没有静质量的电磁波，光速是一个极限速度。
时间和空间相依，是为时空
狭义相对论也是有缺陷的，它还是在惯性系中研究物理规律，不能处理引力问题，于是爱因斯坦把相对性原理扩展到任意参照系，继续发展了可以处理引力问题的广义相对论。广义相对论的基本原理是引力质量和惯性质量相等的实验事实。
广义相对论进一步改变了我们过往对于时间和空间的观念，认为时间必须和空间结合在一片称为时空，时空从过去被认为是事件发生的背景，变成了事件的实际参与者，只要有重物存在，那它周围的时空就会被扭曲，弯曲的时空可以被看作是重物的引力场，在某重物的引力场中的其他物体的运动会被引力场制约，它只能沿着引力场允许的路线运动，而这种运动的外在表现就像是某物被另一物吸引而绕着它运动，就像地球绕太阳转动表观上是地球受到太阳的直接吸引而沿着椭圆轨道运动，实际上地球在太阳的引力场中， 只能以那样的路线运动。
牛顿的经典力学观点认为地球和太阳之间的万有引力作用是直接发生的，爱因斯坦认为这个作用不是直接发生的，而是通过弯曲的时空，也就是通过引力场的间接作用发生的，其本质是地球在太阳的引力场中只有唯一的一条羊肠小道可供通行。
因为如果引力是直接发生改变的话，那引力传递的速度超过了光速，或者说只要一物体质量发生改变，那它与其他物体的万有引力就直接发生变化，似乎没有时间间隔，这是不可能，作用的变化不可能在零时间内完成。
现在爱因斯坦的理论认为引力场为作用的中介，太阳通过引力场制约了地球可以运行的轨道。甚至光都要受制于引力场，在引力场中光线会发生偏折，不再沿直线传播。而且在引力场存在的地方，原子谱线的波长加大，场强越大，波长加大的量越大。这就是为什么地面上的钟走得比高山上的钟慢的原因。
物质能量的分布引起时空弯曲，而当物体运动或某个力发生作用时，时空的曲率又发生变化，而变化了的时空结构又影响了物体运动和力的作用方式。也就是说宇宙不可能是静止不变的，它在运动，它要么收缩要么膨胀，反正不可能处于静态。我们现在知道宇宙它在慢慢长大。相对于人类生长的尺寸，宇宙的生长是不可思议的，人真的是很渺小。人长大需要吃饭提供动力，而宇宙的动力却是它本身，因为宇宙是一个自足的系统，我也希望它是一个永动机，而且除宇宙整体外，局部宇宙不可能在没有能量补给的条件下永远运动。
宇宙是静态的，永恒不变的吗
其实当牛顿的万有引力定律问世的时候，就已经暗示了宇宙不可能是静态的，因为万物互相吸引，存在所有天体被吸到一处的危险，面对这种危险，人类是如此的不安，我想他们可以这样反驳这个暗示，因为事实是天体还没有被吸到一处，假如宇宙只有两个天体，那它们自然会拥抱在一起，但是事实是有第三者在阻止它们的拥抱,而且第三者不止一个，它们两个天体都在被别的天体吸引，这样就变成了一种平衡，一个天体A被一个天体B吸引的同时又在被相反方向上的另一个天体C吸引，平衡掉了引力,不过B和C之间也是有引力的，但是不要紧，还有更多的天体参与竞争，谁也不能和谁在一起，只要宇宙是无限的，无边无界的，那这种平衡就不会被打破，如果天体有落到一片的意向，那在更远处又有天体把它们拖开分离，远方的星星好象总是在搅局，他们的处世哲学与月老和红娘的正好相反，不是撮合成全，而是制造别离。
牛顿本人也担心而且不愿意接受宇宙会坍塌到一处，他是相信上帝存在的，上帝创造了这一切，上帝不会有如此不完美的作品，上帝肯定不允许自己的创造在向心坠落中毁灭（尽管很多哲学家可能不这样想，如黑格尔相信万物自身都包含着自己的否定，中国的老子相信物极必反，他们的理论都是辨证法，用在这儿可能不确当，因为老子思想的核心是道，道是永恒的，不可以辨证地分析它。其他还有反对无限静止宇宙的人物，和黑格尔同是德国的哲学家亨利希-奥勃斯认为如果宇宙是无限静止的且存在了无限久的时间，那整个天空包括夜晚都应该是像白天一样明亮的，因为在无限久的时间里，宇宙中的一切都应该被恒星的光所覆盖或者非发光体也应该被加热到可以发光了，但事实上不是这样，那可以假定恒星不是一直都那么亮，而是在有限久的过去某个时间才开始发光，使得遥远的光线在有限的时间里还没有到达宇宙的每一个角落或者其他非发光天体还没有被加热到发光，这样可以解释黑夜的问题）。
牛顿的信仰让他相信静态的宇宙模型，而他毕竟是科学家，也需要一个理性的解释，他认为只要无限颗恒星均匀地分布于宇宙空间，那就不存在任何可以作为中心的点，让它们收缩到一起。我不知道托勒密如果知道万有引力理论会怎么想，他讲地球为宇宙中心，那他是否也会认为一切都会终结于地球呢？这样的情况下，貌似地球是个大黑洞，吞噬一切。
不止是牛顿，20世纪前的大部分学者都是不相信宇宙是动态的。大多相信宇宙的整体已经这样存在了无限久的时间，或者就不应该用时间来描叙宇宙，宇宙的档案里没有年龄这一项。就算那些宗教的信徒虽然相信宇宙是在几千年前被上帝造出来的，但是他们也相信宇宙一旦被造出来了，就从那一刻起永远存在下去，和上帝一样天长地久，他们根本没有想过宇宙在没有上帝的授权下，还会运动收缩或者膨胀，那不是对上帝的不敬吗？
不幸运的是，牛顿的理论预言了宇宙的状态可能不是静态的（虽然牛顿本人信奉静态的宇宙模型），到了20世纪，和牛顿一样伟大的爱因斯坦的理论也暗示了宇宙不可能是静态的，他推翻了牛顿的引力理论，重新缔造了一个更完备的理论，但是却继承了牛顿的宇宙观，他非常强烈地认为宇宙必须是静态的，为了保持静态的宇宙，爱因斯坦不惜修改自己的理论，他在他的方程式中引入了一个宇宙常数，这个宇宙常数扮演着对抗引力的角色，爱因斯坦认为时空有个固有的属性，就是存在一种内在的膨胀的趋向。这样宇宙常数的排斥效应就使得时空弯曲让物体落到一处的计划胎死腹中。爱因斯坦也对得起他信仰的斯宾诺莎的上帝了，为他的宇宙保持了不变性，也就是永恒。但是爱因斯坦后来将宇宙常数称为他一生中“最大的错误”。因为宇宙不是静态的，宇宙在膨胀着。
牛顿 爱因斯坦
二十世纪的物理学有两大创举，一是相对论，一是量子理论，而爱因斯坦不仅是相对论之父，而且他也是量子王国的开国功臣。
无独有偶，爱因斯坦不喜欢广义相对论预言的宇宙不可能是静态的结论，同样他也讨厌量子理论不确定性原理预言的结果，根据量子力学不确定性原理，牛顿时代打造出的绝对的因果关系受到了致命的挑战，甚至直接宣判了绝对因果关系的死刑。
爱因斯坦在给他的朋友波恩的信中竟然是这样评价量子理论的，他说我们实在应该为它的成功感到羞愧，因为它是根据耶稣会的格言“不可让你的左手知道你的右手所做的事”而获得的。但是爱因斯坦不会因为自己的好恶而曲解科学，他接受了宇宙膨胀的事实和量子力学的可行性。
前面讲牛顿时，讲到了牛顿的为人处世的势利、他品性的偏执。爱因斯坦和牛顿一样，在学术上都开创了一个新的时代，但是爱因斯坦给人的感觉，是一位慈祥的老人，不像牛顿那样桀骜不驯。牛顿晚年已经远离了学术，走上了仕途。
而爱因斯坦却拒绝了以色列总统的职务，他说他是科学家不是政治家，他虽然不愿意从政，但是却积极呼吁反对战争，而且建议把联合国改组为世界政府（现在欧洲经济政治要求一体化，正是爱因斯坦理念的体现，不过现在的一体化，不是罗马皇帝的独裁统治了，欧洲肯定先于其他地方一体化，因为有罗马皇帝的前例，欧洲像中国，但是中国没有分割成若个小国，文化是一个原因。文化元素的整合和多元统一，将是日后世界一统的基础），以更好地协调处理世界政务。总之，爱因斯坦无论在学术上还是在人格上，都是无可挑剔的。
（我的文章包括之前的章节，参考资料：罗素的西方哲学史，冯友兰的中国哲学史，霍金的时间简史、果壳中的宇宙，关于宇宙及天文的一些中外纪录片，金岳霖的知识论，高中物理课本等）
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