科学随笔：爱因斯坦如何地一错再错
2016年2月11日，物理学家宣布人类已经探测到引力波，再一次证实爱因斯坦（Albert Einstein）整整100年前创建的广义相对论。尽管引力波即使在物理学界也属于大冷门，虽然广义相对论早已久经考验，蓦然而至的新突破还是引起世界性的反响。
从当年的爱因斯坦到今天的LIGO，捕获引力波的成功是长达一个世纪艰难探索的辉煌结局。《捕捉引力波背后的故事》系列在2018年元旦开始连载，以叙事体历史笔调系统讲述引力波概念的由来和其后一波三折的历史故事。1这个系列在2019年由科学出版社以原名出版。
引力波是传递引力的“时空涟漪”，在广义相对论中不可或缺。然而，论证引力波是否存在却一再让理论物理学家阴沟翻船。爱因斯坦也多次反复摇摆不定。迟至1936年，他还在撰写证明引力波不可能存在的论文。当这篇与助手罗森（Nathan Rosen）合写的新作被《物理评论》审稿人指出其中错误时，爱因斯坦火冒三丈，竟从此与这家期刊“绝交”。《捕捉引力波背后的故事》第一章以“爱因斯坦的先知、失误和荒唐”为题回顾这一事件原委，由此展开围绕引力波“背后的故事”。2当然，这个故事真正的精彩属于在爱因斯坦之后克服重重困难终于以实际探测成果终结这个百年争执的几代物理学家。
引力波研究中的跌宕起伏并不特殊，科学家对自然奥秘的探索总是充满曲折坎坷。在引力波系列之后相继推出的《宇宙膨胀背后的故事》3和《量子纠缠背后的故事》4以同样的叙事风格追溯宇宙膨胀和量子纠缠这两个彻底改变人类世界观重大发现的来龙去脉。后两个系列现在也已由清华大学出版社分别以《宇宙史话：人类如何认识宇宙的故事》和《不可能的实在：量子纠缠史话》的书名出版。
这三个以物理学重大发现为主题的系列都是以年轻的爱因斯坦开篇。爱因斯坦大学毕业后四处碰壁，不得已在专利局栖身，在那个远离学术界所在取得多项颠覆性突破的传奇早已脍炙人口。尤其是在1905年，26岁的爱因斯坦连续发表解释光电效应和布朗运动、提出狭义相对论和质量能量关系的四篇论文，外加一篇论证分子之存在的博士学位论文，全盘更新人类对宏观和微观世界的观念。引力波、宇宙和量子物理学的发展都与他在专利局中的思考息息相关。不过，爱因斯坦在一马当先开拓这些新领域时也曾错误不断。三个“背后的故事”系列亦可戏称为“爱因斯坦一错再错”集。
作为当代最著名的科学家，爱因斯坦备受关注。他犯过的错误在学术界内外都是经久不衰的话题。物理学家奥哈尼安（Hans Ohanian）曾搜集、追踪并剖析爱因斯坦大大小小的错误，以《爱因斯坦的错误》5的题目为这位伟人名目繁多的传记增添别具一格的色彩。奥哈尼安在爱因斯坦发表的大部分论文中都找出或大或小的错误。即使是1905年那五篇经典之作也只有布朗运动那一篇堪称无懈可击。其余四篇均各有漏洞。
爱因斯坦的诸多错误不一而足，大部分只是在不擅长的数学推导中出现粗心之误。他在引力波上的失手即属于此类。只是1936年的爱因斯坦早已不是专利局那位小青年。身为年近六旬的学术权威，他对不同意见的蛮横态度比在数学上的失误更为令人唏嘘。
物理学家伽莫夫（George Gamow）声称爱因斯坦曾说过他是在研究宇宙时遭遇“最大的失误”。也是在广义相对论问世不久，爱因斯坦将这个新理论应用于整个寰宇，推论出宇宙是一个大小恒定不变的“有限无边”四维球体。这是人类第一个以科学理论为根基的宇宙模型，宇宙学由此诞生。
只是爱因斯坦发表的宇宙模型并非广义相对论的直接结论。他在自己的理论中所能找到宇宙都在随时间而变，显然与现实不符。为了拼凑出一个不会变化的宇宙，爱因斯坦不得不修改方程，凭空加上一项“宇宙常数”。6这个“作弊”手法先后遭到俄国弗里德曼（Alexander Friedmann）和比利时勒梅特（Georges Lemaitre）等人的质疑。勒梅特更是结合已有的观测数据指出广义相对论预测的不恒定宇宙更为现实：宇宙在随时间膨胀。
那时的爱因斯坦正因为广义相对论的成功如日中天。他对小字辈这个革命性观点不屑一顾，毫无根据地将分歧归咎于弗里德曼和勒梅特的数学能力。他甚至居高临下地当面讥讽勒梅特“物理直觉实在糟糕透顶”7。
然而，勒梅特预言的宇宙膨胀得到哈勃（Edwin Hubble）等天文学家的观测证实。人类的宇宙观为之天翻地覆。这一次，爱因斯坦不得不放下身段，放弃自己无中生有的宇宙常数以及随之而来的球形宇宙模型。
物理学家温伯格（Steven Weinberg）认为爱因斯坦坚持宇宙不随时间改变的错误情有可原。那毕竟是人类几千年的生活经验。不过爱因斯坦的错误并不止于此。他借助宇宙常数所获得的恒定宇宙极不稳定，宛如一颗直立在桌面上的生鸡蛋。温伯格则将它比作停在半空、不上不下的火箭，其静止状态不可能精准维持。这在物理模型的建构中是一个相当低级的纰漏，但没有能引起爱因斯坦自以为傲的物理直觉的警惕。8因此，爱因斯坦这个错误的确涉及对物理概念的理解和把握。
更有意思的是爱因斯坦凭空杜撰的宇宙常数没有在被他放弃后销声匿迹。这个源自一念之差的概念在他去世20来年后又在天文学界死灰复燃。人类今天认识的宇宙是一个普普通通的平坦世界，与爱因斯坦的有限无边球形格格不入。这个宇宙也不恒定，有着丰富多彩的演变历史。从原初的大爆炸、暴胀到随后的膨胀以及加速膨胀，当初被认作子虚乌有的宇宙常数似乎都在背后隐秘地推波助澜。
放弃宇宙常数是爱因斯坦少有的从善如流。然而他那一次知错即改倒很可能操之过急，无意中错上加错9。
爱因斯坦将宇宙常数看作自己最大失误的说法只是伽莫夫的生花妙笔，他生前并没怎么在乎以往的过错。当然热衷于评判他那些形形色色错误孰大孰小的不乏其人。奥哈尼安认为爱因斯坦平生最大的错误不在宇宙模型。他举出另外两个例子：一是爱因斯坦拒不接受量子力学。二是他后半生脱离物理学界主流，将30来年的宝贵光阴虚掷于异想天开的“统一场论”10。
量子力学是20世纪初与相对论同时出现并驾齐驱的革命性新理论。在1905年那个奇迹年，专利局中的青年爱因斯坦最先发表的是解释光电效应的论文，第一次为“量子”赋予切实的物理意义。《量子纠缠背后的故事》以此开篇，详细回顾爱因斯坦如何做出这革命性的一步，11其后又如何逐步扩展思路，几乎以一己之力开创早期的量子力学。相比于量子概念的提出者普朗克（Max Planck），爱因斯坦其实更无愧于“量子之父”称号。爱因斯坦自己对量子力学也钟爱有加。曾分别为爱因斯坦和玻尔（Niels Bohr）撰写科学传记的物理学家派斯（Abraham Pais）回忆爱因斯坦时曰：“他谈相对论时颇为超然，而说起量子就满怀激情。”
然而在20世纪后期回忆量子力学发展史的主流作品中，爱因斯坦却往往以对立面形象出现。他与玻尔在两次索尔维会议上的唇枪舌剑12尤其为人津津乐道，坐实爱因斯坦在量子力学发展过程中不光彩的绊脚石角色。
确实，爱因斯坦对他曾一手缔造的量子理论很不放心。在玻尔率领物理学界主力大军高歌猛进之际，爱因斯坦更为冷静——甚至冷酷——地审视这个新理论的内在矛盾，一而再再而三地为其中存在“鬼魅般的超距作用”敲响警钟。他对量子力学的质疑如此深邃，以至于没能赢得由玻尔以降几乎所有精英物理学家的理解。但爱因斯坦无法释怀，因为他在量子力学中看到的矛盾足以颠覆科学的最基本信念：因果关系。13正是在他的启发下，薛定谔（Erwin Schrodinger）将这个矛盾命名为“量子纠缠”并发明所谓“薛定谔的猫”。
就在引力波论文被《物理评论》拒稿的一年前，爱因斯坦与罗森和波多尔斯基（Boris Podolsky）在该期刊发表论文，以“量子力学对物理实在的描述可以被认为是完备的吗？”为标题旗帜鲜明地挑战主流物理学界对量子力学基础性问题的忽视。14这篇在1935年问世的论文是陷入统一场论泥潭后的晚年爱因斯坦所发表论文中唯一有科学价值的一篇，但同样地在当时未能引起注意。
爱因斯坦去世半个多世纪后，他念念不忘、始终未曾舍弃的量子纠缠也如宇宙常数般重见天日。他认定绝对不可能的鬼魅般超距作用竟成为真真切切的物理实在。今天的量子力学理论和实验已经排除爱因斯坦的忧虑：鬼魅般的超距作用并不违反狭义相对论，不会破坏他曾为之呕心沥血的因果关系。但也正是爱因斯坦长达几十年坚持不懈的质疑奠定了量子纠缠的思想基础。也许，这篇1935年的“错误”论文最终将标志爱因斯坦对人类认识自然、改造自然所做出的最大贡献。
《量子纠缠背后的故事》从专利局中的爱因斯坦出发，全面系统地回顾他创建并质疑量子力学的整个过程。与宇宙模型中的错误相反，爱因斯坦在遭受来自玻尔及整个物理学界的反击、驳斥乃至忽视之后没有轻言放弃。他虽千万人而吾往矣，即使日渐老去也孤独并执拗地坚守信念，顽强地试图找出仍然深藏在已有量子力学背后的逻辑出路。统一场论正是他为此所做的最后尝试。遗憾的是晚年的爱因斯坦力所不逮。他在统一场论中的孜孜不倦的确只是一个脱离实际的一错再错悲剧。
在对量子力学几十年的质疑中，爱因斯坦的确又错了。然而他的错误只在于对最终物理现象可能性的判断，但他当时不被理解的逻辑过程却无懈可击。正是他这一不同寻常的逻辑思考启迪后代物理学家，引导人类走向应用量子纠缠技术的新时代。这是量子纠缠背后奇妙无比的故事。
爱因斯坦出生于德国西南部施瓦本地区。那里的人以口音、语言难懂和固执著称，在德国饱受地域歧视。年轻时的爱因斯坦曾以英勇的施瓦本人自居。从专利局中那个20多岁小伙子到年过半百的学术权威，在诸如引力波是否存在、宇宙是否膨胀、量子是否纠缠的学术争执中，他始终如一地我行我素，无所畏惧。也正是出于这样的倔强和任性，爱因斯坦在频繁失误中经常能独辟蹊径出奇制胜，成为相对论、量子力学及其它众多物理科学领域的缔造者和先行者。
是为爱因斯坦一错再错之背后的故事。
详见《捕捉引力波背后的故事（之一）：爱因斯坦的先知、失误和荒唐》。
Einstein's Mistakes: The Human Failings of Genius, by Hans C. Ohanian, W. W. Norton & Company, 2008
详见《宇宙膨胀背后的故事（之一）：爱因斯坦无中生有的宇宙常数》。
详见《宇宙膨胀背后的故事（之五）：挑战爱因斯坦的宇宙》和《宇宙膨胀背后的故事（之九）：一个天主教牧师的全新宇宙观》。