很久以前，在波士顿举行的一次世界科幻大会上，一位哈佛大学的研究生在会场内漫步，炫耀地展示一件相当奇怪的物体，第一眼看上去像个钢质保龄球。球体的表面穿了一些洞眼，能够瞥见内部的电子硬件；从同一批洞眼里引出一些缠绕在一起的线缆，还有一个齿轮系围绕着神秘物体的中纬线。

 

　　“那是什么？”我问他。

 

　　“这是为洲际弹道导弹研发的陀螺平台，”他答道，“如果你将它安装到大力神导弹上，它会一路飞到基辅。”

 

　　“你怎么知道？”

 

　　“这是个惯性导航系统，蠢货。它知道基辅在哪里。”

 

　　“我知道惯性导航系统怎么运行，但你怎么知道它晓得基辅在哪里？”

 

　　“哦，那个啊。它就印在箱子上。”

 

　　这位“魔法师学徒”已经发现，只用900美元，你就能购买到一颗洲际弹道导弹，那还是在相关电子器件被解密的10年前。大力神导弹装在两节火车皮里送达，板条箱上印着“基辅大力神导弹”的字样。他丢弃了导弹躯壳，把发动机捐献给一家艺术博物馆，留下电子器件用于研究。像一则怪谈？听上去很像，但陀螺平台是在场所有人都看见的。

 

　　我不理解陀螺仪，我遇见的这位疯狂的对谈者也不明白，任何一个宣称自己能理解的人都没有完全说真话。虽然陀螺仪的构造非常简单――毕竟，它只不过是一个转轮装在一根轴上――它仍然是人类创造过的最迷人也最神秘的装置。转动转轮，将它放置在基座上，随后它就一直指向……

 

　　那就是问题所在。陀螺仪到底指向什么？根据惯性定律，物体往往会继续进行中的事：假如处于静止中，它们就继续静止；假如在运动中，它们会继续以相同的速度，沿着相同的方向运动。陀螺仪也屈从于惯性的意愿，不过是以让人困惑的方式。碰它一下，陀螺仪反抗你的方式就是转向至出乎意料的方向。假如陀螺仪在以极快的速度旋转中，它仍然死板地锁定在之前设定的方向，它的瞄准器锁定在……基辅――因此才有“惯性导航系统”的说法。如果一枚导弹偏离了陀螺仪的固定航线，传感器会侦测到，然后伺服机构将导弹重新校正至陀螺仪的轴线方向。

 

　　但这只是箱子上盖印的解释。是什么告诉了陀螺仪它设定的目标是基辅的金门？艾萨克·牛顿会主张，陀螺仪所指向的固定方向与“绝对空间”有关，物理学家把惯性参考系称为“绝对空间”――实际上是终极惯性参考系。把它想象成一种无形的参考网格，以某种方式蚀刻进宇宙的肌理中。但假如绝对空间是一种高度抽象的概念，陀螺仪的行为就是非常确切实在的。在大学的讲台上（或者在家中的咖啡桌上）搭起一台陀螺仪，随着一天天过去，陀螺仪似乎在相对于墙壁而旋转……还是该反过来说？旋转是相对还是绝对的？

 

　　在牛顿的代表性著作《数学原理》中，他提出了一个思想实验来证明旋转是相对于绝对空间而发生的。他想象有一个装了半桶水的水桶，悬吊在一根绳索上。实验者将绳索扭转，当实验者松开水桶时，绳索就会松开，水桶随之开始旋转。一开始，水面保持水平，但是随着水桶加速，拽动水体，水的表面最终由于旋转的离心力而变成凹形。到那个阶段，水和容器一起旋转，二者之间没有相对运动。然而，水不知怎么地“知道”要生成凹形表面。

 

　　牛顿坚持主张，该凹形表面肯定是由于水体相对于别的东西――绝对空间――的旋转。旋转是绝对的，而不是相对的。这种回答在两个世纪内都没怎么受到挑战，直到奥地利物理学家恩斯特·马赫断然宣称牛顿弄错了。

　　在1883年问世的著作《力学史论》（Science of Mechanics）中，马赫写道，牛顿的思想实验“仅仅告知了我们水体相对于容器侧壁的相对旋转没有产生明显的离心力，但它相对于地球质量和其他天体的相对旋转产生了离心力。”马赫继续说，“没人能够说，容器的侧壁增加厚度和质量，直至它们最终有好几个里格厚时，实验会有怎样的结果。”他驳斥绝对空间的概念，称其为“随意的想象产物”。

 

　　对于后来被称为“马赫原理”的理论本身，马赫从未给出严谨的表述。然而，基本概念很简单。根据马赫的说法，牛顿对绝对空间的设想缺乏意义。惯性――大质量物体以恒定速度运动的趋势――必须依赖于其他物体，因为运动本身必须相对于其他物体来进行测量。旋转和沿着直线的加速发生时是相对于遥远恒星和星系形成的参考系。一辆汽车绕弯时，离心力将你甩向汽车一侧，而离心力的出现是因为你相对于宇宙中遥远物质，处在加速中。

 

　　没有哪个命题比马赫原理更加直通基础法则，以提问方式重新表达就是：在空空如也的宇宙中，你会感觉到离心力吗？在空空如也的宇宙中，惯性定律有意义吗？对于两个问题，马赫会给出一个响当当的“不”作为回答：惯性不是物体固有的性质，而是依赖于宇宙中的所有物质。马赫的意见被证明是异端邪说，特别是因为牛顿三定律（连带着绝对空间的假设）运转得如此精巧。此外，它违背了人类的直觉（即我们对世界的感受是基本性的，而不是视条件而定的）。

 

　　马赫的主张对阿尔伯特?爱因斯坦有着深远的影响，爱因斯坦构思出广义相对论，主要是为了废止绝对运动的想法，确实也是爱因斯坦在1918年创造出“马赫原理”这个术语。爱因斯坦广义相对论的基础是他个人的观察――在一台自由落体的电梯中，地球施加在你身上的引力被抵消。在一台钢缆突然断裂后向下加速的电梯里，你会感觉到失重。相似地，在一台加速上升的电梯里，你会感觉比平时稍重，仿佛是地球的引力突然间增长了。

 

　　凭借着“人生中最愉快的想法”，爱因斯坦意识到在电梯的范围内，是不可能区分加速与引力的。为了解释加速的来源，那么他需要创造出一种引力理论。此外，因为自由落体在电梯中废除了引力，也就无法在它与附近天体（譬如地球）的相互作用中寻找到惯性的来源。惯性的来源一定是依赖于宇宙中的遥远物质，就像马赫坚称的那样。

 

　　爱因斯坦希望，在广义相对论的框架内，宇宙中物质的分布会完全决定物体的惯性。对马赫原理最新近的讨论关注的重点在于广义相对论是否成功地达成了这个目标。尽管这个问题听上去很简单，到目前为止尚未有明确可靠的答案。

 

　　爱因斯坦还在构想广义相对论时，他计算得出，绕着陀螺仪旋转的一层壳状物（想象一个陀螺仪在一个旋转中的、中空的地球内部）的引力场会迫使陀螺仪的轴线离开原位，指向与恒星有关的方向。实际上，引力场真的拽动了陀螺仪的“惯性罗盘”。在1918年，奥地利物理学家汉斯·蒂林（Hans Thirring）凭借着爱因斯坦提供的信息，基于已完成的相对论，发表了一份相似的计算。奥地利数学家约瑟夫·兰斯（Josef Lense）后来提供了相关的天文学观测资料。这种参考系拖拽的概念被人称为“兰斯-蒂林效应”。

 

　　在旋转中的地球导致的微不足道的引力场中，参考系拖拽的预测值只足够让一台绕轨道运行的陀螺仪的轴发生仅仅每年0.042角秒的位移。那大概是纽约自由女神像高举着一枚25美分的硬币，然后被费城市政厅顶上的威廉?佩恩像看到时的角直径。尽管测量这样微小的兰斯-蒂林效应挑战重重，但参考系拖拽已经被“激光几何环境观测勘测卫星”（LAGEOS）和引力探测器B卫星探测到，然而结果还不可靠，无法确证爱因斯坦的理论做出的精确预测。

 

　　在1963年，新西兰科学家罗伊·克尔（Roy Kerr）发现了旋转中的黑洞的广义相对论描述。不久，物理学家们认识到，参考系拖拽在极端天体周围能够变得明显得多。好几支研究团队已经声称在特大质量黑洞周围的吸积盘中发现了参考系拖拽的观测证据，然而结果是间接和不精确的。

 

　　在任何一位物理学家的头脑里，广义相对论预测了陀螺仪的马赫原理效应，这点是毋庸置疑的，而且到目前为止，数据看起来也支持爱因斯坦的预测。

 

　　问题在于宇宙的遥远领域如何下达进军指令给一台在桌上旋转的陀螺仪，这是一个棘手得多的难题。

 

　　广义相对论取得的第一项胜利是它精确地预测了水星近日点的轨道进动：水星最靠近太阳的点随着时间逝去而发生位移，在每个世纪中会移动微小但让人迷惑的43角秒，这种位移是牛顿定律所无法轻易解释的。爱因斯坦用弯曲空间来描述太阳的引力场，显示出这种弯曲导致水星近日点的移动，而且预测出的数值分毫不差。

 

　　然而，正如物理学家埃尔温?薛定谔在一篇惹人注目、写成于1925年的谈论马赫原理的文章中写道，“……每个天真的人都不得不问一句：根据广义相对论，轨道椭圆是相对于什么而完成了这种进动？根据经验，这种进动是相对于普通恒星系统而发生的。”在计算太阳附近弯曲空间的影响时，爱因斯坦需要假定在距离太阳很远的地方，时空变得平坦――而且绝对。换句话说，他为了完成解答，不得不在无限远处强加平坦时空的“边界条件”。广义相对论本身并没有完全决定水星轨道的进动。

 

　　数学家库尔特·哥德尔在1949年发布了一个宇宙模型，旨在表明马赫和爱因斯坦的理论是不相容的，他清楚地表明这一观点。哥德尔与爱因斯坦1917年的第一个宇宙模型的做法一样，都假定物质呈现相同的均匀分布，但哥德尔的解答展现出根本上不同的行为。这种差异直接抵触了爱因斯坦假定的前提，即宇宙的物质分布应当单单靠自身就能决定陀螺仪的行为。

 

　　关键区别在于哥德尔模型中的宇宙会旋转，这意味着遥远的星系相对于桌上的陀螺仪在旋转，而且宇宙中任何角落中的任何人都会观察到相同的行为。（这并不表示宇宙绕着某条中心轴旋转。）对于马赫的真正追随者而言，一台陀螺仪应该能追踪宇宙中的庞大物质，所以它应该相对于遥远星系保持静止。从哥德尔提出宇宙模型开始，研究者已经发现了其他的宇宙旋转模型，所有这些模型都相似地抵触了马赫的假定前提。然而，这些模型可以宣布为非物理的，因为它们公然抵触了对真实宇宙的观测结果。但是，作为理论解，它们展示了仅仅依靠惯性与其他物体的关系来定义惯性这种做法的困难之处。

 

　　反例证的反复出现最终说服了爱因斯坦放弃马赫原理。然而，在1990年，当时在德克萨斯大学任教的哈里·金（Harry King）证明了一个封闭宇宙――一个注定会停止膨胀，最终重新坍缩的宇宙――能够呈现无旋转。哥德尔的模型中任何星系的旋转都被反方向移动的引力波抵消。假如说哥德尔的研究结果是马赫原理遭受的一次挫折，那么金的研究结果是一次明确的胜利。遗憾的是，当今的宇宙学家们相信真正的宇宙是开放的――注定会永远膨胀下去――这再一次展示出要把对惯性的理论上的理解与实际的宇宙联系起来是何等的困难。

 

　　近期，瑞士联邦理工学院的克里斯托夫·施密德（Christoph Schmid）宣称已经证明了爱因斯坦和马赫的理论都正确。施密德得出的结论是，给现实的宇宙模型添加上涡量的话，确实会拖拽陀螺仪的轴线。但根据施密德的计算，物质的影响在临界半径之外呈现指数衰减，而该临界半径与光从宇宙大爆炸以来行进的距离有关，在更大距离处的空间的确切形状变得不相干。他以这种方式绕过了在无限远处施加边界条件的必要性，这个难题曾经烦扰了爱因斯坦。宇宙本身的物质分布决定了陀螺仪的行为。施密德宣称，广义相对论那样就完美地体现了马赫原理：另一方面，他的一部分计算是在一个封闭宇宙内完成的，这看起来像是违背了金的证明。

 

　　剑桥大学的唐纳德·林登-贝尔（Donald Lynden-Bell）与他的合作者进行的独立分析中，已经接受了施密德的研究结果的某些方面。然而，宇宙微波背景辐射的最新研究大体上排除了宇宙中的任何大规模旋转。许多宇宙学家相信，宇宙经历了早期膨胀期，宇宙的大小在此期间呈现指数增长。这样的膨胀可能会抑制任何旋转，留下一个静止的宇宙，陀螺仪在其中会自然地相对于遥远物质保持静止，这样就使得马赫原理变得多余――至少是对于陀螺仪这样的旋转物体。一个不旋转的宇宙仍然不必要解释那些在你沿着直线加速行驶时将你向后推进汽车座椅的力。

 

　　对于大多数当代物理学家来说，马赫原理不仅仅是多余的累赘，它完全遭人忘记――他们对马赫原理一无所知，也许就像那名鲁莽冲动、炫耀自己的导弹导航系统的研究生一样。然而，谜团永远距离不远。到今时今日，我们尚未真正理解遥远的宇宙是如何给陀螺仪下达进军指令的。

 

　　马赫原理的停滞不前蕴含了许多教训。一条教训是本科物理学的教育已经变得脱离物理学实践。从被当成自然法则来呈现的任意惯例，到强行要求对脱离现实的问题求出精确解，再到离心力一类的概念遭到摒弃，大学物理学已经演变成抑制创新的工具，而不是在鼓励创新。一个人怎么能高举相对论的理念――物理学能够实现于任何参考系中――同时又宣称牛顿定律仅在惯性系内有效？假如一个人否认离心力的存在，他又怎么能开始讨论马赫原理？是的，惯性力在惯性系中消失；引力在自由落体的电梯中消失。那是否意味着引力是一种虚构的力？

 

　　攻克马赫原理的部分困难之处在于它与德尔斐神谕的相似性。1993年在图宾根举行了一场关于马赫原理的学术会议，会议组织者朱利安·巴伯（Julian Barbour）与赫伯特·菲斯特（Herbert Pfister）列举了至少21项不同解释。会议结束时进行的调查显示，只有3名与会者相信广义相对论完美地体现了马赫原理，而有21人不认同这种看法。14人认为广义相对论“非常有马赫风格”，而有7人一点也不认为它和马赫原理沾边。最近有一位杰出的同事向我说道，他发现马赫和研究科学毫不相关：“科学对我而言一直是一组工具，而不是哲学分支。”

 

　　更大的障碍是科学界的潮流风尚。如今的宇宙学家如果要与当今科学界的“普拉达”和“范思哲”们的口味保持一致的话，就经常要涉入哲学领域的浅水区。他们担忧创造出某些宇宙大爆炸模型，其中输入的参数是“自然”发生的，而不需要手工“微调”。他们认为“宇宙常数问题”――为何驱动宇宙膨胀的“暗能量”比你的“预计”数值少了大约125个数量级――是研究领域中最突出的难题。是物理学还是哲学？每年，有数百篇关于弦论和“宇宙的宇宙”――多重宇宙――的论文发表。每年有十多场关于粒子物理学或弦论的学术会议召开。唯一关注马赫原理的学术会议就是1993年的那一场。

 

　　但是，把听起来奇怪的说法“马赫原理”替换成“为什么陀螺仪指向一个相对于遥远类星体而固定的方向”，然后我们就直接面对自然呈现给我们的一个最惹人瞩目的问题。比起“希格斯玻色子如何将物质分给其他亚原子粒子”，它更像个问题。比起“当基本物理定律并不向前移动，时间为什么向前移动呢”，它是个并不逊色的问题。比起更热门“量子力学背后有着什么”，它大概能产生更丰硕的成果。事实上，马赫原理让另一类别的所有其他谜题都相形失色。

 

　　我们有一套行得通的引力理论，这套理论接受过检验，比人类构想过的其他任何理论都来得准确。它解释了宇宙的膨胀；它描述了黑洞的行为；它也成功地预测了引力波的存在。它应该告诉我们陀螺仪指向星辰的原因。