第七章 神奇的时钟结构
1630年前后，伽利略在撰写《关于两大世界体系的对话》开头几页时，曾两次谈到，意大利的科学（以及贸易）正面临着被北方的竞争者所取代的危险。这个预言真是太准确了。当时伽利略最留意的一个人就是天文学家约翰尼斯?开普勒（Johannes Kepler），开普勒于1600年来到布拉格，年仅28岁，并在布拉格度过了他一生中成果最为丰富的岁月。
他提出了行星运动三大定律，把哥白尼体系关于太阳和行星运动的一般性描述转变成为一种精确的数学公式。
第一，开普勒指出，一个行星运行的轨迹略呈圆形：它实际上是一个椭圆形，太阳位于稍稍偏离中心的某一个焦点上。第二，行星运行的速度并非恒定不变；行星和太阳的联线在扫过该行星轨迹和太阳之间的面积时，其速度恒定不变，第三，一个行星公转一周——即一年——所需的时间随该行星至太阳的（平均）距离的增加而增加。
这就是伊萨克?牛顿（Issac Newton）在1642年圣诞节出生时的实际形势。这时，开普勒早在12年前就与世长辞，伽利略也正好于这一年去世。当时，不仅天文学，整个自然科学都处在一道分水线上：一个新的伟大头脑诞生了，他亲身经历了由那已完成历史使命的陈旧的描述法向未来的动力因果关系的阐释法的重大转变。
到1650年时，文明世界的重心已从意大利移到了北欧。明显的原因是，由于美洲的发现和开发，世界的通商贸易路线与从前不同了。地中海再也不像它的名字所暗示的那样，是什么世界的中心了。正如伽利略早已警告过的，世界的中心已经向北转移到大西洋边沿地区。伴随着与从前不同的通商贸易关系，产生了迥然不同的政治观念，不过意大利和地中海地区却仍然处于一些独裁政府的统治之下。
这时，在北方的信奉新教的航海民族，英格兰和尼德兰，各种新思想和新理论在向前发展。英格兰正在成为一个共和制的、清教徒的国家。荷兰人横渡北海，来到英格兰，他们排干沼泽地的积水，使低洼的泥沼从此变为坚实的土地。在这广阔的平川上，在这林肯郡（Lincolnshire）的朦朦雾霭中，培养出一种独立精神，奥立维尔?克伦威尔（OliverCromwell）正是在这里组建了他的“铁军”（Ironsides）。到1650年，英格兰成为一个共和国，它断然处决了在位的君主，使他人头落地。
1642年，牛顿在乌尔索普（woolsthorpe）他母亲家里出生时，他的父亲已在几个月前去世了。不久，母亲也改了嫁，小牛顿由外祖母抚养。他虽然还算不上是一个完全无家可归的孩子，但从那时起，他从未表现出他是一个曾经享受过父母之爱的人。在整个一生中，他总是给人一种孤僻的、不为人所爱的印象。牛顿终生未娶。他似乎一直未能充分享受这种人间的温暖，正是这种温暖的情感使我们在同别人的交往相处中不断磨砺思想，而成就也因此成为思想的自然结果。不过，与此恰恰相反，牛顿的成就都是单独完成的，而且他一直担心别人会窃取他的成果，正像（或许他这样认为）他们曾夺走他的母亲一样。至于他在中学和大学求学的情况，我们几乎一无所知。
牛顿从剑桥大学毕业后的两年，即1665年至1666年，正值瘟疫流行，学校关门停课，他只好回家居住。孀居的母亲也已回到乌尔索普的外祖母家中。在这里，牛顿终于找到了自己的“金矿矿脉”：数学。今天，他的各种笔记本都已被人们查阅过，显然，牛顿并没有受过良好的训练，但他自己求证了大部分他所知道的数学问题。后来，他继续作出富有独创性的发现。他发明了流数，即我们今天所说的微积分。当时，牛顿把流数看作是自己的秘密工具；他用流数得出了计算结果，却又仍然用常规的数学形式把这些结果写出来。
在乌尔索普，牛顿形成了万有引力的构想，并且通过对月亮围绕地球运动的计算加以检验。月亮，对于牛顿来说，是一个有力的象征。他推想，假如月亮因地球的吸引而沿自己的轨迹运行，那么，月亮就好像一个被用力抛掷着的球（或者苹果）一样：她落向地球，但她下落的速度是如此之诀，以致于她总是错过地球——由于地球是圆形的，所以月亮总是不停地围绕地球转动。那么，地球对月亮的引力究竟育多大呢？
我推断，使行星不脱离自己的运动轨迹的各种力必定与从这些行星到它们绕行的中心之间的距离的平方成反比关系，于是，我又将月球沿自己的轨迹运行所需要的力与地球表面的引力进行比较；我发现比较的结果与我的推断十分接近。
这种言辞含蓄的陈述鲜明地体现了牛顿的性格。事实上，他在第一次粗略的计算中，已经得出了接近于真值的月球转动周期，大约为271/4天。
当你一举求得这个正确的数字财，你也会像当年的毕达哥拉斯那样，觉得大自然的一个奥秘已在自己掌握之中。一条普遍的法则驾驭着那神奇的天体运行的时种，而月球的运行只不过是其中一段和谐的插曲而已。这犹如一把已经插入锁孔的钥匙，你只要扭动一下，大自然就会把有关她的构造的大量证据奉献在你面前。不过，如果你是牛顿，你是不会把这个秘密公诸于世的。
1667年，牛顿回到剑桥，成为该校三一学院的一名研究员。两年后，他的老师辞去数学教授职位。正像一般人历来所认为的，这也许对牛顿不会有什么明显的好处，但结果却不出所料一——牛顿被任命为数学教授。当时他年仅26岁。
牛领发表了他关于光学的第一部著作。就像他的全部伟大思想一样，这也是“在1665年和1666年瘟疫逞凶的那两年中”酝酿成熟的，“因为那正是我一生中创造力最旺盛的时期”。牛顿并没有因瘟疫而闲坐家中，在瘟疫缓解后不久就回到了剑桥大学三一学院。
令人奇怪的是，我们大家都公认的这位阐释物质世界的大师竟会以探索光的奥秘来开始他的科学生涯。这有两个原因：首先，他所生活的环境是一个航海家的世界，当时英格兰所有的才智之士都在致力于研究远洋航行中产生的种种问题。像牛顿这样的人当然并不认为自己正在从事什么技术研究——如果这样解释他们的兴趣所在，未免太天真了。正如年轻人常有的情形一样，他们也被那些举足轻重长辈们曾经热烈争论过的问题所吸引。望远镜就是当时的一个十分突出的问题。而且，牛顿也正是在为他自己的望远镜磨制镜片时才第一次认识到白光中的颜色问题。
然而，除此之外，还有某种更为重要的原因。物理现象总是由能量与物质的相互作用构成的。我们借助于光线看到物质，而正是由于物质的阻隔，我们才意识到光线的存在。这种思想贯穿着每个伟大的物理学家的世界，他发现，在这两者之中，离开了其中一个，就无法加深对另一个的理解。
在1666年，牛顿开始考虑究竟是什么东西在透镜边缘造成衍射光纹的问题，并观察用一枚棱镜模拟这种光纹的效果。每一枚透镜的边缘，就是一枚小小的棱镜。当然，梭镜造成五彩缤纷的光线这一事实，已是陈词滥调，就像亚里士多德一样，老掉牙了。是的，那个时代的所有解释都是这样，因为它们都没有作出定性的分析。这些解释只是说，白光穿越玻璃，在细的一端变得暗淡一些，变成了红色；玻璃越细，光线就越暗淡，变成绿色；在玻璃最细之处，光线更加暗淡，变成兰色。真是太奇妙了！这些说法，什么问题也没有解释，听起来却满有道理。正如牛顿所指出的那样，当他让阳光从一道缝隙中射进去，穿过他的棱镜时，这个未予解释，显而易见的问题就不言自明了。这就是，阳光射入时象一个圆轮，射出时成了一种拉长的形状。每个人都知道光谱被拉长了，对认真观察的人来说，他们通过某种方式知道这一点已有1000年之久。但是，这仍然使牛顿这样才能卓绝的人绞尽脑汁，去解释这个显而易见的现象。牛顿认为，光线显然并没有被改变；光线实质上是分离的。
在科学解释中，这是一个完全崭新的思想，牛顿的同时代人难以企及。罗伯特.胡克（Robert Hook）同他争论，各种各样的物理学家也同他争论；直到牛顿自己对所有的争论感到如此厌烦，以致他在给莱布尼茨的信中写道：我对由我的光学理论的发表引起的种种争论深感困扰，我责怪自己轻率地放弃了那与世无争、恬然自得的幸福生活。
从那时起，他真的拒绝参与任何争论——自然也拒绝与胡克这样的辩才讨论问题。直到胡克去世一年以后，到了1704年，牛顿才重新发表他关于光学的著作，他警告英国皇家学会主席说：我无意更多地关心哲学问题，因此，我希望，如果你们发现我在这方面无所作为，不要感到不快。
但是，还是让我们从头开始，用牛顿自己的话来说吧。在1666年，我为自己制成一枚三棱镜，试图研究与此相关的著名的“颜色现象”。我设法使房间里的光线暗下来，只在窗帘上弄了一个小孔，让适当的阳光从那里射进来，然后把我的三棱镜放在阳光射进来的地方，光线就被折射到对面的墙上。起初，看着由此产生的种种生动颜色，倒是一件十分开心的事；但在认真地思忖了一会儿之后，我很惊讶地发现这些颜色呈长方形，按照有关光的折射的习惯看法，我本来指望看到的是圆形。
我还看到，射向影象（Image）一端的光确实比射向影象另一端的光产生出更大的折射。因此，影象长短变化的真实原因不会是别的，光是由具有不同折射性的射线组成的，这些射线，与它们的射入角没有任何关系，按照各自的折射率，投射到对面墙上的不同地方。
光谱的拉长现象在这里得到了解释；它是由色彩的扩展和分离引起的。蓝色比红色弯曲或析射得更厉害，而且，这也是光的一种绝对不变的特性。
于是，我又装置了一枚棱镜……以便光线能够在穿过之后、在到达墙上之前产生折射。
然后，我把第一枚棱镜拿在手上，慢慢地围绕其中的轴线来回翻转，图圄使影象的几个部分……成功地通过……这样，我就可以看看第二枚棱镜将光线折射到墙上什么地方。
当任何一种射线与其它射线分开后，它就始终保持它的颜色，尽管我尽最大努力试图改变它，也无济于事。
关于这个问题，传统观点是这样认为的：如果光线被玻璃减弱，第二枚棱镜就应当产生新的颜色，把红色变成绿色或蓝色。牛顿把这次实验叫作“批判性实验”。这次实验证明，一旦颜色由于折射而被分离，它们就再也不会发生变化了。
我已经用棱镜使光线发生了折射，并用这束光线照射到在日光下呈现其它颜色的物体上，我用夹在两块玻璃之间的彩色胶片截断这束光线：让光线透过彩色的中介，而且是透过由别的射线照耀着的中介；但仍不能从中产生任何新的颜色。
然而，最惊人、最奇妙的是白光的构成。没有哪一种射线可以单独地显示出白光。白光是复合而成的，它的构成需要用上述原色按一定比例混合起来才行。当我看到棱镜折射的各种颜色被聚集在一起，再次混合起来，重新形成完全的和纯粹的白光时，不禁赞叹不已。
因此，白色是光的正常颜色，这一点得到了证明，因为，光是各种不同颜色引起的射线的混合，这些射线从发光体的不同部分不加区别地投射出来。
牛顿在被选为英国皇家学会会员后不久，给学会写了这封信。他早已表明，他是一个新型的实验者，懂得怎样形成一种理论，怎样果断地针对各种可能的结果来检验这种理论。他为自己的成就而深感自豪。
一位博物学家不会指望看到这种关于颜色的科学竟会具有数学的性质，但是，我敢于肯定，在这中间，具有和光学的其它任何部分一样的确定性。
于是，牛顿在伦敦开始享有他在大学里所具有的同样的声誉，一种对色彩的感觉似乎传入这个繁华都市，好似光谱把它的绚丽光辉洒遍了商人们带到首都来的绫罗绸缎。
画家的调色板变得更加丰富多彩，产生了对来自东方的色彩繁富的艺术品的鉴赏趣味，人们自然而然地使用起大量形容颜色的词藻来。亚历山大?蒲柏（Alexander Pope）在牛顿发表《光学》（Opticks）时，年仅16岁，其诗作在美感上自然比不上莎士比亚，但他用了比莎士比亚多3倍或4倍的颜色词汇，而且比莎士比亚以多达10倍的次数使用这些词汇。
例如，蒲柏关于泰晤士河中游鱼的描写：眼睛明亮的河鲈，鳍翅紫红，银白色的鳗鱼，在闪闪波光中盘绕，金色的鲤鱼金光灿灿，四下游动，疾游的鲑鱼，身上课红的斑点各各不同。假如我们没有意识到这节诗可以被看作是一种运用颜色词的练习，我们就会感到莫名其妙。
在大都市享有盛名，意味着种种不可避免的新的争议。牛顿在致伦敦科学家的信中，扼要总结了他所取得的结果，这引起人们的纷纷议论。1676年以后，与莱布尼茨关于发明微积分的优先权的漫长而痛苦的争执也是在这里开始的。牛顿绝不会相信，莱布尼茨这位强有力的数学家已经独立地证明了微积分定理。
牛顿曾打算从科学界彻底退休回到三一学院的回廊中去。学院大厦对一位境遇安适的学者来说，是一个宽敞的地方，在那里，他拥有自己的小实验室和花园。在内维尔院内（NevillesCourt），雷恩大图书馆（Wrens Great Library）正在修建。牛顿为建馆基金捐赠了40英镑。他似乎期待着一种潜心自修的学究式生活。但是，即使他拒绝在伦敦的科学家们中间应付周旋，他们也会找到剑桥来与他进行辩论的。
还在瘟疫流行的1666年，牛顿就已经开始关于万有引力的构想，并且用这一思想非常成功地描绘了月亮围绕地球的运行。在随后的近20年内，他几乎完全无意发表任何有关地球绕太阳运行这一更为重大的课题的论著，这似乎有些不同寻常。虽然还说不准绊脚石在什么地方，但事实却是明摆着的。只是到了1684年，才与在伦敦的克利斯多夫?雷恩爵士（Sir Christopher Wren）、罗伯特.胡克和年轻的天文学家爱德蒙德?哈雷（EdmondHolley）之间爆发了一场争论，而这场争论正是哈雷到剑桥拜访牛顿的一个结果。
在他们相处了一段时间后，这位博士（哈雷）问牛顿，假定吸引力在从行星到太阳的距离范围内相互起作用，他认为行星运行时勾划出来的曲线是什么样子。伊萨克?牛顿爵士立刻回答说，将会是一个省略号（ellipsis）。
博士又惊又喜，问他是怎么知道的。“是这样的”，他说，“我已经计算过了。”于是，哈雷博士要求他马上拿出他的计算结果。伊萨克?牛顿爵士在稿纸堆中找了一下，没有找到，但他答应重新计算，然后再把结果寄给哈雷博士。
花了整整3年，即从1684年到1687年，牛顿才写出对这个问题的证明，并以《自然哲学的数学原理》（philosophiae naturalis principia mathematica）这样一长串字为书名而发行，哈雷关怀、劝诱甚至资助了《原理》的写作和出版，而萨缪尔?佩皮斯（SamuelPepys）则作为皇家学会主席接受了这部著作。
作为关于这个世界的一种体系，这部著作从出版之日起，就当然地引起了轰动。这是关于被纳入一整套规律和法则的世界的绝妙描述。但远远不仅如此，这在科学研究方法上也是一个里程碑。人们把科学的描述，看作是一连串的命题，一个接着一个，源出于欧几里得（Eucilid）的数学。情况也真是如此。但是，直到牛顿通过把数学从静态的描述转变为动态的描述，从而使科学成为一种物理体系之后现代科学方法才真正算得上是严谨而周密的了。
而且，我们在该书中确实可以看出绊脚石在什么地方，明白牛顿为什么在很好地描绘了月亮运行轨道之后没有再深入进行探索的原因。例如，我相信，这是因为他在论述“一个天体怎样吸引一个粒子？”的第十二节中未能解决这一问题。他在乌尔索普作过粗略的计算，把地球和月亮都当作粒子。但是，它们（包括太阳和行星）都是庞大的天体，它们之间的吸引力是否能够被它们的圆心之间的吸引力所取代呢？是的，可以取代。但仅仅对（这一点已不无讽刺意味地得到了证明）那种缩小在正方形距离范围内的吸引物来说才是这样。在这里，我们看到了牛顿在发表他的著作之前必须克服的极大的数学困难。
当牛顿遇到诸如“你没有解释引力为什么起作用”、“你没有解释在远距离上的运动是怎样发生的”或者“你没有解释为什么光以这种方式起作用”等问题的挑战时，他总是用同一句话回答说：“我不作任何假设。”他说这句话的意思是：“我不作形而上学的推测。我制定一条法则，然后由此解释符合这条法则的现象。”他在他的关于光学的著作中，的的确确是这样说的，作为光学方面的一种新观点，这也是他的同时代人未能理解的。
如果说，牛顿是一个非常乏味、非常枯燥、非常刻板的人，所有这些就不难得到解释了。但是我要告诉你们，他并不是这样一种人。他是一个最不同凡响、性情狂放的人。他曾尝试过炼金术。背地里，关于《启示录》他就洋洋洒洒地写了几大本。他相信，在毕达哥拉斯那里，就已经发现了反平方（inverse squares）定理。这样一个私下充满了这种疯狂的形而上学和神秘的推测的人，表面上却如此这般，还声称：“我不作任何假设”——这是他神秘性格的一种不同寻常的表现。威廉?华兹华斯（William wordsworth）在《序曲》（prelude）中有过生动的描写：牛顿，有着棱镜和一副沉静的面容。
这真是看的分明说得正确。
牛顿在大庭广众中的形象非常成功。显然，牛顿在剑桥大学得到提升是因为他是一个一位论派教徒——他没有接受“三位一体”的教义，使他那个时代的科学家为此颇感不安，由于他不能成为一个尽善尽美的人。他不可能担任一所学院的院长。因此牛顿于1696年来到伦敦，进了造币局，成了局长大人。胡克去世后，他于1703年接受了皇家学会主席职位。
1705年，他被安妮女王封为骑士。直到1727年他去世时，他一直统治着伦敦的学术界。这个乡村来的孩子于得真是不错。
可悲的是，我认为，他干得漂亮并不是按照他自己的标准来衡量，而仅仅是以18世纪的标准来衡量的。可悲的是，他接受了这个社会的准则，心甘情愿地作为一个权势机构的独裁者，并把这看作是自己的一生的成功。
一个知识的独裁者，即使出身低微，也不会是一个富于同情心的人物。牛顿本人在私下的著述中，不像他在大庭广众面前总是显得那么骄做自大。
解释所有自然现象这样一种任务，对任何一个人，甚至对任何一个时代来说，都太困难了！如果准确无误地作出一些解释，把其余的问题留给后人，较之徒然地去解释一切，要好得多而且，在另一段更为著名的名言中，他表达了同样的意思，但不如上一段话那样简短明晰，多少含有些悲凉的意味。
我不知道对世人来说，我看上去是怎样一个人；但对我自己来说。我似乎一直是一个在海滩上嬉戏的孩子，不时因发现一个比平常更光滑、更美丽的贝壳而欢欣鼓舞，对眼前这浩瀚无边的真理的海洋却全然无知。
直到牛顿年届古稀，皇家学会都没有什么科学的建树。在乔治（the Georges）家族统治下的英格兰人们只关心金钱（那时正值“南海泡沫”事件）、政治和丑闻。在咖啡馆里，聪明的商人筹资开办公司，利用计划中的发明创造。作家嘲笑科学家，半是出于恶意，半是出于政治动机，因为牛顿是政府机构中的大人物。
1713年冬天，一群心怀不满的托利（Tory）派作家组成一个文学社团。在安妮女王干次年夏天去世之前，这个团体经常在女王内科医生约翰?阿巴思诺特（John Arbuthnot）所在的圣詹姆斯宫里聚会。这个团体叫作“涂鸦社”（Scriblerus Clube），专爱嘲笑当时的学术社团。乔纳森.斯威夫特（Jonathan Swift）在《格利佛游记》（GulliversTravels）第三章中对科学界的抨击，就是由他们的议论引起的。这个托利党人的小团体后来帮助约翰?盖依（John Gay）在《乞丐的歌剧》（The Beggars Opera）中嘲弄政府；又帮助他在1717年写了一出叫作《婚后三小时》（Three HoursAfter Marriage)的戏剧。
这次嘲笑的对象是一个夸夸其谈、老态龙钟、名叫“化石博士”（Dr.Fossil）的科学家。
下面是引自该剧中化石博士与一位冒险家普洛特维尔（Plotwell）的一段对话，后者与这家的女主人有暖昧关系。
化石博士（以下简称“化”——译者）：我答应郎夫特太太，把我的鹰化石带来。这位可怜的太太似乎走错了地方，可我还以为不至于如此。哈！谁在那里？我可不喜欢这个傢伙的嘴脸。但我不会过份挑剔。
普洛特维尔（以下简称“普”——译者）：依路斯特利斯日姆多敏尼，哈克阿德维尼——化：依路斯特利斯日姆多敏尼——不要老讲拉丁语——如果你不能讲英语，我们就无法交谈。
普：我只能讲一点英“鱼”。我久仰一位艺术和科学的杰出人物的大名，他就是大名鼎鼎的化石博士。我想与他建立联“西”（你们怎么说？），我想拿我的一些东“石”和他交换一些东“石”。
化：请问先生来自哪一所大学？
普：著名的克拉科夫大学……普：水文学、动物学、矿物学、水力学、气体力学、对数学，你想到过对其中奥妙的解释吗？
化：这跟我不相干。
在我们看来，牛顿在生前就受到嘲弄，受到严厉批评，似乎太无礼了。但是，事实上，每一种理论，无论多么的堂而皇之，都包含着必然受到挑战的种种假说，而且，总有一天必然会被别的理论所取代。牛顿的理论非常接近自然的实际，仍然不免也有这种缺陷。牛顿自己也承认这一点。他提出的最基本的假说是，他开宗明义地宣称：“我把宇宙看作是绝对的。”这句话的意思是，宇宙到处都是平坦和无边无际的，就像在我们的居住地一样。而莱布尼茨一开始就对此提出了批评。不过，这在我们自身的体验中也是不可能的。虽然我们习惯于我们所居住的平坦的空间，但只要看一看辽阔大地，就会发现这种看法并不全面。
地球是球形的；用此，两个站在赤道线上相距甚远的观察者都可以看到北极点，而且他们每一个人都会说：“我在朝正北方向看。”对于一个生活在平坦的大地上的居民，或相信整个地球就像身边的大地一样平坦的人来说，这种情况是难以令人置信的。牛顿真的就像一个从宇宙整体角度主张大地平坦论的人一样在行事：一手执尺子，一手拿怀表，在宇宙间往返测量，似乎所到之处都像脚下这块土地。然而，事实并非一定如此。
但是，如果说宇宙到处都必定呈球形，又有欠公允了。宇宙更可能是有些地方凹凸不平，呈波浪起伏状。人们可以构想一种马鞍形的宇宙，大型的物体在某些方向上比在其它方向上更容易滑动。当然，天体的运行也必定与此相同——既然我们能看见它们，我们的解释也必须符合它们的运行情况。但解释可以是各种各样的。制约月亮和行星运行的种种规律应该是几何学性质而不是引力学性质的。
当时，这还只是有待在遥远的将来加以证实的一些推测。即使它们过去曾被提出，当时的数学还不能对付这些问题。那些深思熟虑的、具有哲学头脑的人意识到，牛顿在把空间描绘成一个绝对的座标方格时，已经把人们对事物的看法不真实地简单化了。与此相反，莱布尼茨曾说过这样一句预言式的话：“我认为空间是某种纯粹相对性的东西，正如时间一样。”
在牛顿的体系中，时间也是绝对的。要标明天体位置，时间至关重要：首先，我们不知道这些星辰多么遥远，它们在什么时刻经过我们的视野。因此，航海事业要求完善两种仪器：望远镜和时钟。
首先是望远镜的改进。它们集中在当时新建的格林威治（Greenwich）皇家天文台。无处不在的罗伯特?胡克早在大火（Great Fire）以后，在他与克利斯多夫?雷思参予重建伦敦之时，就已规划了天文台的修建。从那时起，随时想要确定自己位置——即经纬度——的海员，即使远在天涯海角，也可以将他识别出的星辰与在格林威治看到的情形进行比较。在每一个海员风雨飘摇的生涯中，格林威治子午线成了固定不变的标志：子午线，以及格林威治时间。
其次是作为确定位置的基本辅助手段的时钟的改进。时钟成了这个时代的象征和中心问题，因为只有制成一台用于在船上指示时间的钟，牛顿的理论才能够应用于航海事业。这条原理十分简单。既然地球在24小时内绕太阳运行一周，经度的360度中的每一度占了4分钟时间。一名水手只要把他在船上观测到的正午时间与指示格林威治时间的钟上的正午时间相对照，他就可以知道，每过4分钟，他就到了离格林咸治更远一度的地方。
英国政府提供2英镑，悬赏制作一台在6个星期的航行中可以精确地标明半度的计时器。于是，伦敦的钟表匠（如约翰?哈里森）造出了一台又一台精巧奇妙的时钟，设计了若干个钟摆，使之在船只倾斜时仍能正确地指示时间。
这种技术上的难题引起了创造发明的热潮，确立了从此主宰科学和人们日常生活的对于时间的极大关注。一艘船就是一颗星辰的模特儿。一颗星是怎样穿越空间的？我们又怎样才能知道它指示的时间？航船成了人们思考相对时间的一个出发点。
在当时的工匠中，钟表匠就是贵族，恰如中世纪的石匠。十分耐人寻味的是，我们所熟知的时钟，那戴在人们手腕上的脉搏计，那标志现代生活的袖珍计时器，自从中世纪以来，曾以某种漫不经心的方式激发手艺人钻研技艺的热情。而在这时，这些早期的钟表匠想要做的，不是知道一天的朝暮晨昏，而是重现那灿烂星辰的流转运行。
牛顿描绘的时空滴滴嗒嗒地顺利走过了大约200年时间。如果牛顿在天之灵在1900年以前任何时候来到瑞士，所有的时钟都会同声高奏赞美之曲。然而，刚好在1900年以后的瑞士伯尔尼，就在离这座古老钟塔不到200码的地方，一个年轻人成长起来，使这些钟争执不休，各奏其调。他就是阿尔伯特?爱因斯但（AlbertEinstein）。
大约在这时，时间和光线第一次开始出差错了，正是在1881年，阿尔伯特?迈克尔森（Albert Michelson）做了一个实验（六年后，他又和爱德华?莫雷（EdWard Morley）一道重复了这一实验），他在不同方向点上灯，吃惊地发现，无论怎样移动仪器，他总是被同样速度的光所映照。这种情况大大违反了牛顿的定律。大约在1900年，正是这一阵发自物理学“心脏”中的轻微的杂音，第一次引起了科学家的激动和疑虑。
我们还无从断定年轻的爱因斯但当时是否已领悟到这个新问题。他并不是一个特别用功的大学生。但是，可以肯定的是，当他到伯尔尼去的时候，也就是在好几年前当他还是个十多岁的孩子的时候，他就曾经问过自己：从光的角度来看，我们的体验将会是怎样的呢？
对这个问题的回答充满许多自相矛盾的论点，十分棘手。但是，尽管有这些自相矛盾的论点，最困难的还不是如何回答这个问题，而是如何证明这个问题。牛顿和爱因斯但这种人的天才在于，他们提出一些天真浅显的问题，而由这些问题引出的答案却常常是极为惊人的。诗人威廉?库柏（William cowper）鉴于牛顿的这种品格，把他叫作“一位孩子似的明哲之士”（a child-1ike sage）,这一描绘也完全符合爱因斯但时常流露出来的那种对大千世界无比诧异与好奇的神清。无论是在他谈及乘坐一束光线或者是谈及穿越空间时，爱因斯但的言辞中总是充满了对于这种原理的美丽商朴实的描述。我将引用他的著作中的一页。我来到了这座钟塔的底部，登上他当年作为瑞士专利局职员去上班时每天乘坐的有轨电车。
爱因斯但在他10多岁时的想法是：“如果我坐在一束光线上，这个世界看上去将是怎样的呢？”假设这辆电车从这座钟塔出发，沿我们看到这座钟的时间的光线驶去。那么，这座钟就会静上不动，我，和这辆沿光线运动的电车，就会在时间上固定下来。时间就会停滞。
让我来说明这个问题。假设我背后这座钟在我离开时指向“正午十二时”。现在我以光速离开它186000英里。这应该花费了我一秒钟的时间。但是，这座钟上的时间在我看来仍然是“正午”，因为在这座钟上光速花费的时间恰好与我花费的时间一样长。至少我所看到的是这样，至少在这辆电车内部的宇宙是这样，在保持与光速相同的速度中，我使自己与时光的流逝分割开来了。
这真是一个不同寻常的似非而是的佯谬。我无意深究其含义，也不涉及爱因斯坦所关注的其它问题。我只注意这样一个问题：假如我乘坐一束光线，对我来说，时间就会突然终止。而且，这必定意味着，当我接近光速时（这正是我在这辆电车中所要模拟的），我就置身于我的时间与空间的车厢之中，而这个车厢正在越来越远离我周围的各种常规状态的事物。
这种似非而是的佯谬说明了两个问题。一个问题很明显：所谓普遍时间并不存在。但更为微妙的是，这位旅行者和待在家里的人的体验大不相同——对走在这条路上的每一个人来说，都是如此。我在这辆电车上的体验始终归如一：我发现了同样的规律，发现了同样的时间，距离、空间、质量和力量之间的那些关系，而且每一个别的观察看也会发现这些。但是，我的时间、距离等等的实际价值却不同于那个站在人行道上的人。
这就是相对论原理的核心。但显而易见的问题是：“好吧，是什么使他的车厢和我的车厢联结在一起的呢？”是光的流逝：光是联结我们的信息载体。这就是我们为什么说这是1881年以来使人们迷惑不解的最重要的实验事实：当我们交换信号，我们发现信息在我们之间以相同的速度传递。光速对于我们具有同样的意义。于是，很自然，时间、空间和质量等因人而异，因为它们的规律只是对车厢里的我和外面的那个人来说才是始终如一的——而光速总是具有同等意义。
光和其它放射物都是从一个事件中像水波一样扩展到整个空间的信号，有关这一事件的消息的向外扩散不可能比光和其他放射物更快了。光、电波和X射线是新闻和信息的最佳载体，并且构成了一种联结物质宇宙的基本的信息网络。即使我们想要传送的信息只是时间，我们也不能比光或无线电波更快地将时间从一个地方传到另一个地方。对这个世界来说，没有普遍时间，也没有离开了与之密切相关的光速仍可以校准我们的钟表的什么格林威治信号。
按照这种二分法（dichotomy），我们必须再举出一些例证。一道光线的轨迹（如同一颗子弹的弹道），在一个漫不经心的旁观者看来，与那个在运动中点亮这盏灯的人看来，是不一样的。在这位旁观者眼中，这条轨迹要长一些；因此，这束光线在途中所花费的时间在他看来就要长久一些，如果他将获得相同的光速值的话。
事实果真如此吗？是的。今天我们对宇宙和原子过程知道得够多的了，已经懂得，在高速运动中，情况的确这样。假如我真的以光速的一半速度旅行，那么，在爱因斯坦的电车旅行中，按照我的手表的时间所花费的3分钟或者多一点，对人行道上的那个人来说，就要多出半分钟。
我们将使这辆电车达到光速，看看是怎样一种情况。相对性的作用使事物改变了形状。
（颜色也有所改变，但不是因为相对性。）这些楼房的顶部似乎向里或向外弯曲。所有楼房挤压成一堆。我是在水平地行进。因此水平足巨离也似乎变短了，但高度却保持不变。汽车和行人却被扭曲了：变得又瘦又高。而且，我从里向外看去的真实情景，对那个从外向里看的人来说，也是真实的。好似《爱丽丝漫游奇境记》（Alice in Wonderland）中描写的情景，相对论的世界是对称均衡的。那位观察者也看到，这辆电车缩成一团：显得又窄又高。
显然，这是一幅与牛顿所描绘的完全不同的世界画图。对牛顿来说，时间和空间构成了一种绝对的框架结构，其中世界的物质活动均按部就班地照常规进行。他以一种上帝的眼光看待这个世界：这种活动在每一个观察者看来都是一样的，无论他处在什么地方，也无论他以什么方式旅行。相反，爱因斯坦的眼光则是一种人的眼光，按照这种眼光，你看到的和我看到的，对我们各人来说，是相对的，即相对于我们的位置和速度。而且，这种相对性不可移易。我们无法知道这个世界本来是什么样子，我们只能按照各人所见来进行比较，通过交换信息的实际步骤。在电车上的我和坐在椅子上的你对各种事物不可能持有那种属于神灵的直接的看法——我们只能相互交流我们各自的看法。而这种交流也不是一蹴而就的，我们无法消除由光速造成的基本的所有信号的时滞。
这辆电车并没有达到光速。它恰恰停在专利局附近。干完这一天的工作后，爱因斯坦下车来，在傍晚来到波尔维克咖啡馆（the Cofe Bollwerk）。专利局的工作并不十分繁重。
说实话，当时的大部分专利申请在今天看来都愚不可及，例如关于一种改进了的玩具汽枪的申请；关于交流电控制器的申请，爱因斯坦就这件东西简洁地写道：“不正确，不精确，不清晰。”
在波尔维克咖啡馆度过的那些傍晚，爱因斯坦总是与他的同事谈论一些物理学问题。他抽着雪茄，喝着咖啡。但他更是一个善于独立思考的人。他接触到了问题的核心，这就是“人类，而不是物理学家，事实上究竟怎样相互交流？我们相互传递的是什么信号？我们怎样获取知识？”这是他的所有著述的关键所在，这些问题就像剥开片片花瓣一样，渐次揭示出知识的核心。
因此，他在1905年发表的那部伟大论著，并不仅仅是关于光线，或者如其标题所示，是关于“动体的电动力学”（The Electrodynamics of Moving Bodies）。在同一年，爱因斯但又进而提出一个附录，认为质量与能量相对应，即质能关系式E＝mc2。对我们来说，值得注意的是，相对论的这种最初描述也许会立刻引起原子物理学的一种切实可行而又压倒一切的论断。但对爱因斯坦来说，这只不过是关于整个世界的描述的一部分，和牛顿以及所有的科学思想家一样，爱因斯坦在某种意义上也是一个一元论者。这一点，来源于一种对自然过程本身的深刻洞察，而特别是对人、知识和自然界之间关系的深刻洞察。物理学不是事件，而是观察。相对论就是对于这个并非作为事件而是作为关系的世界的理解。
爱因斯坦满怀喜悦地回顾那些岁月。许多年以后，他对我的朋友西拉德（LeoSzilard）说：“那是我一生中最幸福的年月，没有人指望我会‘下金蛋’。”当然，他确实不断生下了“金蛋”：量子效应、广义相对论、场论。与此同时，爱因斯但早期的著作已得到证实，他的预言获得了丰收。1915年，在广义相对论（The General Theory ofRelativity）中，他断言靠近太阳的引力场会使从中穿过的光线发生弯曲——好像一种空间的弯曲。在1919年5月29日日全食期间，英国皇家学会派了两支考察队到巴西和非洲西海岸，验证这一推断。对于率领这支赴非洲考察队的亚瑟?爱了顿（Arthur Eddington来说，对在那里拍摄的照片作首次鉴定，是他一生中最重要的时刻，这一情景永远保留在他的记忆之中。皇家学会会员奔走相告，爱丁顿致电数学家利特尔伍德（Littlewood），利特尔伍德当即写了一封短信给贝塔朗特?罗素（Bertrand Russell）：亲爱的罗素：爱因斯坦的理论完全得到证实。预言的偏移是1"72，而观察到的偏移是1"75＋.o6。
你的J.E.L.按照狭义相对论和广义相对论，相对性是确凿事实。质能关系式（E＝mc2)终于得到证实。甚至钟表变慢的原因也终于被孜孜以求的人类发现出来。1905年，爱因斯坦写了一份关于进行一次理想实验来对这个问题进行检验的多少有些喜剧性的实验方案：如果在A处有两台同步运行的时钟，而且其中一台沿一条封闭的曲线以匀速V运动，直到又回到A处，假定花了t秒，那么，后者在到达A处时与那台在原地静止不动的钟相比，就会失去1/2t(v/c)2秒时间。我们从中可以得出结论，一台固定在地球赤道线上的钟要比安放在地球两极之一的同样的钟走得稍微慢一点。
在他的伟大著作问世50年后，1955年，爱因斯坦与世长辞了。这时，人们已经能够测量千百万分之一秒的时间。因此，有可能验证这样一个奇妙的思想，即“设想地球上的两个人，一个站在北极，一个站在赤道线上。在赤道线上的那个人要比在北极的那个人走得更快；因此，他的时间就会失去一些。”这种观点是这样得到证明的。
一个在哈维尔（Harwell）的名叫H.J.海依（H.J.Hay)的年轻人作了这个实验。他设想地球被压扁成一个平坦的盘子，于是北极处于盘子的中央，而赤道线则环绕盘子的边缘。他在边缘和中央各放一台原子钟，让盘子转动起来。这些钟通过统计放射性元素数量的衰减来测定时间。而明白无误的是，在海依的盘子的边缘上的钟要比盘子中央那台钟走得慢一些。
在每一个转动着的盆子上，情况都是这样。而每一张旋转着的唱片，每转一圈，中央部分都比边缘部分老化得快一些。
爱因斯坦与其说是一种数学体系的创造者，不如说是一种哲学体系的发明人，他具有一种发现重新看待实际经验的哲学思想的天才。他不像上帝，倒像导航人那样看待自然，也就是说，他是处在各种纷乱复杂的自然现象中的一个人，他相信，如果人们用一种新的眼光去看待自然现象，就会发现其中有某种共通的表现形式。他在《我所看到的世界》（TheWorld as l see It）中写道：人们已经忘记，在经验的世界中，是哪些表象使我们构造出（前科学的）概念，而且，没有那早已形成的阐释概念的种种观察方法，我们就很难为自己描绘这个经验的世界。我们不得不使用那些与原始概念不可分割地联系在一起的词语构成的语言，这就使得这种描绘更加困难了。这就是我们在试图描绘关于空间的前科学概念的本质时所遇到的障碍。
就这样，爱因斯坦在他的有生之年把光和时间、时间和空间联系起来了；使能量和物质、物质和空间、空间和引力联系起来了。在他的生命快要结束时，他仍然致力于寻找引力与电磁力之间的某种统一关系。我记得，他在剑桥的评议会堂（the SenateHouse）演讲时，身穿一件旧毛衣，赤脚穿着一双绒拖鞋，告诉我们他试图找出怎样一种联系，而他又在怎样的困难面前碰了壁。
这件毛衣，这双绒拖鞋，对背带和袜子的厌恶，并不是因为他有什么病才这样穿着的。
爱因斯坦在人们心目中，表达了一种来自威廉?布莱克的信念：“该死的背带：让我松弛一下吧！”他对辉煌的成就、世人的尊崇和舒适的生活，全不在乎；大多数时间他对于像他这样一位著名人物应该怎样的问题毫不在意。他痛恨战争、兽行和伪善。他尤其痛恨教条——但“痛恨”并不是表达他那悲凉情绪的恰当之词；他把“痛恨”本身也看作是某种教条。他拒绝担任以色列国的总统，因为（如他所解释的）他没有解决人类问题的头脑。这是一种评判谦虚美德的标准，别的总统也可能采用这种说法，不会有太多的人弃之不用。
在牛顿和爱因斯坦两位伟人面前谈论人类之上升，几乎是鲁莽不恭的，他们大步前进，有如神明。在这两人之中，牛顿是《旧约》之神；而爱因斯坦则是《新约》之人。他富于人情味，满怀怜悯和极大的同情心。他关于自然本身的见解，就是一个人在神灵面前的看法，而这也是他关于自然的经常的说法。他热衷于谈论上帝：“上帝并不掷骰子”，“上帝并无恶意”。终于，有一天尼尔斯?波尔（Niels Bohr）对他说：“不要告诉上帝他该做些什么。”但这有欠公允。爱因斯坦是一个能够提出非常简单的问题的人。而且，他的生活和工作都表明，当对这些简单问题作出简单的回答时，人们就可以听到上帝在思考什么了。