是不是所有航空公司都喜欢北极，必须飞越白令海峡才能向爱斯基摩人挥手致意？为什么不绕道夏威夷呢？好像北极有某种吸引力，把飞机吸引到那里。更奇怪的是，下次你坐飞机时，会发现另一家航空公司也走这条航线。这是为什么呢？
其实这条航线之所以弯曲，并不是因为有一种力在拉它、吸引它往北极飞，而是航空公司根据油耗决定的。因为地球表面弯曲成这样的形状，沿着这条航线飞行是最省油的，所以他们就这么飞。
在球形地球上，我们可以看到为什么从北京飞往洛杉矶的航班必须经过阿拉斯加附近。图片来源：地图
这就是广义相对论的核心，看上去物体在引力作用下会形成一定的轨迹，其实是因为时空是弯曲的，所以物体沿着这样的轨迹运动是最“经济”的。
科学家：1905年，很多科学家都研究过狭义相对论。比如，洛伦兹得到了洛伦兹变换，之后庞加莱提出了相对论原理。但是到了1915年，爱因斯坦似乎独自发现了广义相对论。爱因斯坦是如何做到的？
徐一宏：您说的基本上对，当时基本上就他一个人在做广义相对论的研究。
物理学史上，几乎所有伟大的发现都是由一个人做出的，如果这个人没有做出来，也会有别人做出来。我们知道，有很多获得诺贝尔奖的成功研究，其发现权都存在很大争议。如果要举一个反例，那很可能就是爱因斯坦的广义相对论。
但说爱因斯坦独自工作并不完全正确。数学家希尔伯特几乎已经得到了广义相对论的数学形式，爱因斯坦对此有些生气。据说他写信给一位朋友，说希尔伯特偷了他的思想。当然，广义相对论的作用是希尔伯特写下来的。现在我们都同意这个作用被称为爱因斯坦-希尔伯特作用（-），因为基本思想仍然是爱因斯坦的。
注：1915年6月，希尔伯特听爱因斯坦介绍自己对广义相对论的研究。随后，希尔伯特也开始寻找广义相对论的数学方程，最终两人几乎同时发表了论文。不过，希尔伯特并不争功，当有人劝他是否要考虑署名问题时，他回答道：“哥廷根大街上的每个孩子都比爱因斯坦更懂四维几何，即便如此，发明相对论的人是爱因斯坦，而不是数学家。”
爱因斯坦也继承了前人的工作。数学家黎曼（ ）在微分几何中研究过弯曲流形。他曾认为这种弯曲流形可能与引力有关。当时，世界上还没有出现狭义相对论。黎曼的弯曲流形理论只包括空间，没有时间。他没能统一空间和时间，所以写不出“不变”的理论。
科学人：如果没有爱因斯坦这样的天才，广义相对论会诞生吗？
徐一宏：当然有可能，但是发现的时间要推迟很多年。
爱因斯坦的出发点是用狭义相对论统一时空，从逻辑上讲，时空中的一切现象都应该服从相对论，但当时的引力理论显然不满足相对论（注：牛顿万有引力的传播速度比光速快），于是爱因斯坦想把狭义相对论和引力结合起来，这便是他研究广义相对论的出发点。
今天，一位优秀的学生写下了牛顿引力公式，并将其放在狭义相对论公式旁边。用一种乍一看非常简单的方法，你几乎可以看到广义相对论的大致轮廓。所以其他人也有可能做到这一点。
但这当然是后见之明。广义相对论确实很难。即使在爱因斯坦的时代，也有很多人反对他在这方面的研究。我最近看了一本普朗克的传记。爱因斯坦当时非常年轻，名不见经传，而普朗克在德国享有很高的声誉。普朗克给了爱因斯坦很多帮助，帮助他声名鹊起。所以爱因斯坦一直对普朗克心存感激。当时爱因斯坦曾告诉普朗克，他想把狭义相对论和引力联系起来，但普朗克不仅不鼓励他，还说最好不要这么做。
科学家：普朗克说得对，确实很难，爱因斯坦花了十年才创立了广义相对论。
徐一宏：是的，确实很难。为什么这么难呢？因为它需要数学。研究广义相对论所需要的数学是当时任何物理学家都没有掌握的。爱因斯坦学黎曼微分几何学得很吃力，概念错误很多。顺便说一句，有些科普书说爱因斯坦数学很差，这完全是胡说八道。
“即使是伟人也不可能无所不知”
科学家：为了证明广义相对论物理学家用群论，科学家设计了很多巧妙的实验。你最喜欢哪一个？
徐一宏：我比较喜欢引力红移实验，也就是地球不同海拔高度的不同时钟，时间流逝的速度是不同的。
我在书里讲过这样一个故事，19世纪美国最有名的物理学研究学校是约翰霍普金斯大学，当时哈佛的物理学还比较落后，但是哈佛很有钱，所以决定成立物理系，并把埃德温霍尔请来。
霍尔发现了一个“霍尔效应”：如果让电流通过一块金属板，然后设置一个与电流方向垂直的磁场，金属板上的电流的轨迹就会向一侧弯曲。
霍尔发现这种电磁效应之后，就认为引力一定也有这种效应。物体下落时物理学家用群论，其运动轨迹也会弯曲（排除地球自转的因素）。恰巧，哈佛的人来邀请他，说他来了之后要给物理系建一栋大楼。（也就是今天的杰斐逊物理实验室大楼，其实在他来之前就已经规划好了。）于是霍尔的条件是，如果他来哈佛工作，哈佛就帮他建一座塔。于是霍尔用了余生的时间研究如何把物体从塔上扔下来，看看它们的轨迹会不会弯曲——当然，根本没有这种弯曲。
杰斐逊物理实验室刚建成时的场景。左侧中央较高的是霍尔的塔。图片来源：
因此，这座由哈佛物理系建造的塔从未被用于其最初的用途，直到1959年，庞德和他的学生提出了引力红移实验——不同的时钟在不同的高度显示不同的时间。
注：根据爱因斯坦广义相对论，地球表面引力场比较强，时间流逝会变慢。空气中的引力场比较弱，时间流逝会更快。如果从空气中发射出一束特定频率的光，地面接收到这束光时，会被认为频率较高——会显得更蓝；反之，从天空看，地面会显得更红。这种效应对应狭义相对论中的“时间变慢”和“光变红”，所以被称为“引力红移效应”。
提出这个实验后，庞德突然想到：“哦，我们物理系就有这么一座塔，做这个实验正好。”他后来回忆说，塔的一楼相当狭窄，当然也没有电梯。所以他必须把所有的仪器拆开，用背包背着，然后再把仪器重新组装起来。后来他开玩笑说：“做了这个实验后，我终于明白了引力的意义。”
科学人：一百多年过去了，我们现在对相对论的理解比当年爱因斯坦更深刻了吗？
徐一宏：一百年过去了，我们当然明白得更多了。爱因斯坦当时还不知道很多东西。爱因斯坦当时经常产生误解。比如1916年史瓦西在第一次世界大战的战壕里发现的史瓦西解。
注：爱因斯坦广义相对论方程是一个描述时空如何弯曲的极为复杂的方程。这个方程的所谓解就是“存在一种像这样弯曲的时空”。史瓦西解就是“存在一个球对称的静态时空，其中没有物质，这个时空就是这样弯曲的”。这个解就是我们今天所说的黑洞。
想想看，为什么爱因斯坦自己没能找到这个解呢？如果爱因斯坦没能找到这个球面解，他又怎么能计算出水星绕太阳公转时的进动呢？
现在我们来说说这个问题，如果说有一个球形的时空，它应该怎么弯曲呢？基本上所有的同学都会用球面坐标系吧？爱因斯坦很奇怪，他计算水星进动的时候，没有用球面坐标系，他用的是笛卡尔直角坐标系，他用的是xyz。你怎么能用xyz去计算水星绕太阳的旋转呢？一个很简单的公式，用xyz就会变成一堆很复杂的公式。
但爱因斯坦对物理有很好的直觉，他知道不需要计算整个时空的曲率，只需要远离重心的地方的数据，只需要得到一阶修正。
在史瓦西解出现五十年后，大约在上世纪六十年代，我们才知道它描述的是一个黑洞。这很奇怪，因为在史瓦西解刚出现的时候，人们就知道在它的视界上有一个奇点。早期的相对论研究者们并没有搞清楚它是物理学上真正的奇点，还是数学上的坐标奇点。现在你随便找一个好学生，计算一个在坐标变换下不变的物理量，你就会知道它是一个坐标奇点，现实中并不存在。这很奇怪。那些人为什么不知道如何计算一个简单的标量呢？那么你认为爱因斯坦当时真的理解他的理论吗？
“黑洞视界”到底是什么？为什么史瓦西发现的方程在视界处会变成无穷大？爱因斯坦当时有一个错误的解释，说当一个物体掉进去到达黑洞视界时，它会反弹回来。（笑）。这也说明爱因斯坦根本就不懂这个解。所以你不能说这么伟大的人什么都懂，那是不可能的。
科学家：以前的物理学家实际上并没有正确理解这个解决方案。
徐一宏：对。对了，物理学中起一个好名字非常重要。你看几乎所有的科普书都在讲惠勒怎么给黑洞命名。你知道盖尔曼提出过一种粒子叫夸克网校头条，还有人提出过另一个名字，但没人理会他（注：费曼的学生G.泽格独立提出了夸克模型，名字叫Ace）。其实有些俄罗斯人对黑洞的研究还挺深入的，比如泽尔多维奇。但他们给黑洞取名为“冻结的恒星”。这个名字很差，很差，对吧？其实它既不是恒星，也不是冻结的。相比之下，黑洞就好多了。所以我觉得物理学理论的名字很重要。
科学家：相对论仍面临一些尚未解决的挑战，所以我们需要发展一种比广义相对论更具解释力的新理论。您认为哪个领域在这方面更有前景？
徐一宏：弦理论大家都知道，但目前还没有结果。很难找到比它更强的理论，但它似乎正在衰落。我的很多同事都是弦理论的专家，但他们现在似乎在研究其他东西。
我的想法不是正统的。当然，弦理论是正统的，我绝对不反对弦理论。我认为，如果我不完全理解某件事，而且我没有朝那个方向做过研究，我就没有权利反对它。
但我只是好奇，还有其他突破的可能性吗？例如，弦理论非常神秘，旨在将广义相对论与量子力学结合起来，但每个人都在试图修改广义相对论，没有人试图修改量子力学。
于是我就想，为什么不修改量子力学呢？想修改量子力学的不只我一个，很多人都想修改。但是没办法，因为量子力学的实验数据很多，精度也很高。比如温伯格就曾经提出过一些量子力学的修正项，但后来因为不符合实验而被否定了。
但修改量子力学这个想法也不是不可能，当然我只是随口说说而已。我猜很有可能50年、100年后，未来的每一个大学生都会明白：想要统一理论，就把量子力学这样修改一下就行了。
但是我没有办法去修改爱因斯坦的方程，因为它太坚固了。你知道，从研究相对论中，你最多只能给它的作用增加一两个修正项。
科学家：在3+1维空间和时间中改变是非常困难的。
徐毅宏：没有办法改变。
“如果我有一个丑陋的最终理论，
我会觉得有些不对劲。”
《科学》：广义相对论从美学角度看是正确的理论，但一些物理学家认为，方程的正确性与美感之间没有必然联系。您同意这种观点吗？您认为美感在理论物理学中处于什么地位？
徐一宏：理论物理是一个很大的课题，我喜欢用基础物理这个名字。在基础物理中，我觉得“美”和“真”肯定是紧密相关的。菲利普·安德森（1977年诺贝尔奖得主）一直强调没有这种联系，那是因为他研究的是凝聚态物理。当然，没有必然联系，我一点也不反对这个观点。但在基础物理中，如果我最后得到一个非常丑陋的终极理论，我会觉得不对劲。我不是第一个这么说的人，从狄拉克、爱因斯坦到杨振宁。所以我觉得大多数理论物理学家在研究基础物理问题时都会这么想。
科学家：我看到过一篇文献，说爱因斯坦在 1913 年得到了一个错误的广义相对论方程，大约花了两年时间才得到正确的方程。现在我们可以回过头来说，如果他从数学之美的角度出发，知道广义协变原理要求方程形式是协变的，他可以很快得到正确的方程，因为原来的形式不是协变的。
徐一宏：是的。我当时很奇怪他为什么不利用作用量原理推导出广义相对论。后来我写书的时候发现，洛伦兹也写了一篇论文，讲引力的拉格朗日量是什么，但很奇怪洛伦兹只写了一个L，并没有告诉你L是什么。所以，100年后，你会发现那些论文很搞笑，你会发现学习基础物理是多么困难。
科学：如果相对论是美丽的，那么它可能会诞生其他美丽的事物。你看过哪些与宇宙和相对论有关的令人印象深刻的电影？
徐毅宏：我两年前看了一部电影《万有引力》，后来又看了一部电影《星际穿越》。我觉得《星际穿越》还不错，推荐大家去看，但是剧情在物理上不太对劲，主角怎么可能在书架后面传递信息？
“威滕总是向这些人寻求建议……
当一个学期结束时，
相反，他们向维滕寻求帮助。”
科学人：威滕（E.）是您的助理教授，您也多次提到过他。我们想再问您一下，您对他有什么印象？请向我们的读者介绍一下他。
徐一宏：作为助教，威滕负责批改量子场论的作业。当时在美国（现在中国可能也是这样），哪些学生能被录取为研究生，是由学术委员会来决定的，由各个老师轮流决定。我记得当时委员会有 6 个成员。所以我在那里工作了两年，就是我所在的学术委员会接受了威滕这个学生。
1974年左右，普林斯顿是美国物理学领域最好的学校之一。威滕那时没有上过物理课。我问你们，你们觉得在中国大陆能做到吗？如果现在有人来申请读中国一流大学的物理系，但是以前没有上过物理课，你一定会说不可能。所以在这种教育体制下，我们想录取他也不可能。威滕很幸运，虽然他以前学的是历史，但是他爸爸是物理学家。我们当时的学术委员会还没有足够的力量看到这个人将来会成为一个伟人。是系主任给我们写了一张纸条，说“这个人应该录取”。我们录取了威滕之后，他就来到普林斯顿的研究生院上课，他开始学习那些研究生的基础课程。
你知道吗？一开始，其他学生都认为这家伙是个傻瓜。因为威滕总是向这些人求助，所以其他学生认为他的问题很愚蠢，而且他从来没有上过任何课程。他确实从来没有上过任何课程。然而，学期结束时，那些学生向威滕求助。
科学小子：这太快了。
徐一宏：真的太快了。我当时还有一个学生是他的同学，他真的非常了不起。我觉得美国每隔5年、10年就会出现一个这样的人。比如J.马尔达希纳就被学校从研究生提拔为副教授。就算是威滕也没有这么快。
比如尼玛·阿卡尼·哈米德，他出生在美国，是伊朗人，后来父母移民加拿大，所以对于这样的人才，我们需要给他提供土壤。
再举个例子，捷克的卢博什·莫特尔。他也是个怪人，十几岁的时候，他在网上学习了所有弦理论的知识。在捷克的时候，他解决了一个弦理论难题。美国物理学家T.班克斯把他介绍到美国，他马上就成了哈佛大学的助理教授（）。
科学小子：马上？
徐一宏：是的，他是一个非常热情、有趣的人，我很喜欢他。比如上面的这个条目就是他写的，不是我写的。
他在哈佛大学当助理教授。要知道，几年之后，物理系会对他进行评估，看他能否晋升为副教授等。哈佛的传统是，很少有人能从助理教授晋升。有一天，穆托尔说：“我不在乎哈佛怎么评价我，我不想被评估为一个专业头衔。”他回到了捷克。
我问他，你在捷克是怎么生存的？他说，有什么关系？“我有个博客，可以发广告。”他住在捷克的一个小地方，有充足的啤酒可以喝，过得很幸福。
当然，中国也有这样的例子，比如张益唐。我很佩服他。我想他以前在快餐厨房工作，和他一起工作的人可能连微积分都不懂。他怎么能做出最高水平的数学研究？真是不可思议。
所以我觉得，搞科研要像木托尔、张益唐那样，有风格。
“在科学界，科普是一种传统”
科学人：您为什么愿意花大量时间写物理科普书？您认为为什么大众需要了解相对论这样“难”的物理？
徐一宏：在科学界，科普是一个传统。爱因斯坦在1915年发表广义相对论之后，知道这个理论很重要，想介绍给普通读者，就马上写了一本科普书。
注： 和 ，出版于 1916 年。 的 ，出版于 1922 年。
所以，科普写作是人类文化的一部分，我觉得最好的解释就是，你读科普书，就像你读文学书，听音乐一样。
我连续写了三本教科书，但在此之前我写了两本科普书。温伯格建议我这样写。他说，如果你想写教科书，你应该先写科普书。当你写科普书时，你会受到非常好的训练，因为你必须向每个人解释物理。
注：采访时，徐一宏刚刚完成《物理学家的群论概论》一书，目前已进入出版阶段。
科学人：您能和我们谈谈您最近的写作计划吗？
徐一宏：我的下一本书是一本科普书，我打算写一下为什么科学家要追求统一理论，这也是爱因斯坦的梦想，所以这本书的名字可能是《追寻爱因斯坦的梦想》。