引力的彩虹——谈谈MTW《引力》
这是一本“既丽且崇”的广义相对论课本，我20多年前在香港大学图书馆与它初见，离开时复印了最后那页“吹号飞仙”作纪念——从她想到一句“误传的”爱因斯坦名言：“我们都不得不跟随一个遥远无形的风笛手吹奏的神秘乐曲翩跹起舞。”（不见于爱因斯坦的著作，而是出现在一个德国记者的访谈中）飞仙的翅膀上飘着大诗人布莱克的诗句：今天的现实曾是昨天的想象；她吹响的法国歌手的曲子（“我跟你走”），正好引领我们“翩跹起舞”。
50多年前，惠勒深感相对论教科书太陈旧，计划写一本以物理学家的“物理的、视觉化的和直观的语言”来呈现相对论的新书。他本想写得质朴、真实而不夸饰，结果却背离初心，成就了一个教科书传奇，赢得很多绰号，如MTW（作者姓氏缩写）, 电话簿（开本大且页码多），大黑书（外观庄重），引力圣经（内容经典）等等。科学史家凯瑟（David I. Kaiser，《嬉皮士救了物理学》的作者）2012年在Isis（科学史家萨顿1912年创立的以古埃及神话女神伊西丝命名的科学史杂志）上发表了一篇介绍文章，被移来作为2017年纪念（索恩获诺奖）版的新序言。
“大引力”代表相对论复兴年代的一个学派（可谓“惠勒派”）的精神。扉页的蟹状星云图就是它的序曲：虽貌似突兀且解说平淡，实则致敬了惠勒的集大成物理——他50年代从粒子物理转向一汪死水的相对论，预见了弯曲时空的前景。他在脉冲星发现前一年从等离子体物理猜想了星云的能量来源和中子星在宇宙中的角色。这个序曲代表了他一贯的终极追求，而他二十多年的相对论思考都熔铸在这本“功夫秘笈”里。有同学说以前总听老师讲别人在很久以前做了什么，跟惠勒才发现物理学也是“现在、这里、我们的”。“我们的”书在第一版序言就开宗明义说广义相对论是“几何动力学”：电磁场和引力一样在时空留下印迹，应存在一种电磁波靠其自身引力而聚集的实体——即惠勒所谓的geon，听起来就是几何动力学的“几子”（实际上，这里的g和e分别代表引力和电磁）。通过弯曲时空构造基本粒子的思想，与传统的场还原论有点儿格格不入——温伯格在早一年出版的《引力和宇宙学》中就批评爱因斯坦为几何赋予物理实在的思想，认为“几何方法造成了广义相对论与基本粒子理论的分裂”。后来，惠勒考虑将几何动力学推向更简单的“前几何”——一个哲学—物理学—数学—逻辑学的多重附体。惠勒熏染了很多后来的相对论大家，当下的时空非基本的思想（如扭量、圈引力、全息论、因果集合论等），也多少继承了“前几何”的精神。最后一章用浪漫的文字勾勒了前几何的蓝图。然而，“几何动力学”命运多舛，近五十年发表的相关论文数量不及弦论和量子引力的千分之一！几十年后再回顾这一段相对论历史，不知会是什么感觉。
“大引力”的传奇表现在它一眼可见的“我们的”表达方式。读物理的同学常被方程逼得透不过气，如钱德拉塞卡（Chandrasekhar）的《黑洞的数学理论》全用数学雕饰，公式冗长复杂炫人耳目，有的公式一口气推导几十页，容不得读者偷懒。索恩说它很“洛可可”。相比之下，“大引力”的数学很友好，遵循了惠勒在早先的《时空物理》（当时的狭义相对论新课本）中的“第一道德准则”：知道答案前别急着计算；每次计算前先做估计，每次推导之前先尝试简单的物理论证（对称性！不变性！守恒律！），猜想每道难题的答案。惠勒对方程的态度是，看它们预言了什么，即使你无法想象它们竟然能成为物理的一部分。他喜欢将方程推向极端——或许那儿有惊喜呢。《时空物理》从寓言说起：“昔有白昼考察者测量王国土地……”（白昼靠磁北极，夜晚靠北极星）；本书也沿袭同一个模子：“从前有个同学躺在花园苹果树下冥想爱因斯坦与牛顿引力观的不同……”最后那同学顿悟：“空间告诉物质如何运动，物质告诉空间如何弯曲。”这是惠勒的名句，也是广义相对论精髓的“大明咒”。与此遥相呼应的是，“场的基本职能是做源的奴仆”，而“源在场不在场的时候无所适从”。几何给物质下指令，物质又如何指引几何呢？物理学要寻求能确保源自动守恒的引力—源耦合，什么几何特征能自动守恒呢？数学说是“爱因斯坦张量”；那么守恒从哪儿来呢？数学家的回答是：“边界的边界为零。”爱因斯坦理论其实就是将能量—动量守恒实现为这个几何恒等式：边界的边界等于零。（惠勒1981年来北京上海合肥做系列演讲，用这些内容宣讲了“边界的边界——物理的统一原理”。）这样的散文化物理，惠勒夫人说它洋溢着“紫色散文”的气息（比喻的源头可追溯到古罗马诗人贺拉斯的《诗艺》）——想象几朵“紫色的云”飘落在女神的林泉溪流或几块紫色补丁打在白色衬衣的感觉。这是另一种形式的以文字替代方程的钱德拉式“洛可可”。惠勒创造过很多“紫色的”物理名词（如黑洞、量子泡沫、参与式宇宙、大烟龙）和妙语（如law without law, mass without mass, charge without charge, it from bit……），“大引力”更是尽情发挥，用一串直观的名词来构建自己的话语体系：张量机器、气泡微积分、穷人的宇宙学、三明治变分原理、搅拌大师宇宙……关于本书的“惠风”，索恩讲过一个故事：昔有学生抱大书向他抱怨，怎能让惠勒那么写呢？索恩答：惠勒才不那么写，那是我写的！
“大引力”激扬文字，它的“公式/文字比”远低于一般教科书，看着很亲切，不像钱德拉和霍金（《时空的大尺度结构》）那么恐怖。它没有为数学而数学的推导，还将推导和引申分散到习题和工具框里，强化了方程的历史感和概念性。这些题全部串起来，也能成为一本参考读物。对甘于苦行的学霸来说，这些安排可能显得婆婆妈妈。钱德拉就感觉像传教士给野人布道。絮叨的好处是能随意漫说概念，回溯历史，缅怀先人兼及讨论哲学——没有哲学的相对论是“跛脚”的。例如，洛伦兹力的概念引出一个问题：它既定义电磁场，也预言其运动——“如果没有理论、定律和原理，我们将失去准确定义和运用概念的方法”。当我们说“某加速观测者的参照系”时，就面临着这个困境：它似乎意味着那个加速观测者真有一个自然的独一无二的参照系。若参照系真是自然的，那么任何事件的坐标都能由一个足够临近的观测者来确定。但很多事件是不可能跟他建立信号联系的。所以，认真说来，这个简单的概念是自相矛盾的！从这方面看，即使删除全书所有的公式，仍然留下一本内容深广的相对论思想概论。
“大引力”的传奇还在于它砸碎了传统教科书的线性框架——借当下的时尚例子，刀郎的新歌就运用了类似的多重结构：一边写命运和玫瑰，一边说唱桃红柳绿燕子寻窝春雨绵绵，背景是鸿雁从蓝天飞过。不论哲人愚人，各尽视听之娱。老师们设计了两条明线：一条入门的灰线，一条登堂入室的白线，合上书看到粗细不同的灰色条纹随机分布在白底上，会产生双缝干涉条纹的纠结。还有“第三条教学路线”，就是穿插在课文里的工具框，它们对今天的老师来说真是课件的百宝箱（新洲老师起初就将书中的那些框译为“百宝箱”），人物、故事、语录，概念、公式、历史，乃至方程的意义和延伸，尽在其中。索恩的《黑洞与时间弯曲》继承了这种结构，成功让一本科普读物兼有了课本和科学史的功能。
“大引力”的趣味多，恰好能借一种新引力论的名字来形容——“引力虹”（即度规随能量变化而呈现虹的多彩）。但内容多彩令节奏缓慢，可能不适合摆上今天漫卷和焦虑的课桌。心急的读者可以先找本小书来入门。如狄拉克的讲义（比本书晚两年出版），正文不足小开本70页。它能像马拉松的兔子引领你一口气跑到终点。若把小讲义当《心经》，则“大引力”犹如《大般若经》——不是凡夫“念”的，而是用来“供奉”的。