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万物简史英文版

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8    EINSTEIN’S UNIVERSEAS

书籍名:《万物简史英文版》    作者:比尔·布莱森
    《万物简史英文版》章节: 8    EINSTEIN’S UNIVERSEAS,宠文网网友提供全文无弹窗免费在线阅读。!


If  a  thing  could  be  oscillated,  accelerated,  perturbed,  distilled,  combined,  weighed,  or  madegaseous  they  had  done  it,  and  in  the  process  produced  a  body  of  universal  laws  so  weightyand  majestic  that  we  still  tend  to  write  them  out  in  capitals:  the  Electromagnetic  Field  Theoryof  Light,  Richter’s  Law  of  Reciprocal  Proportions,  Charles’s  Law  of  Gases,  the  Law  ofCombining  Volumes,  the  Zeroth  Law,  the  Valence  Concept,  the  Laws  of  Mass  Actions,  andothers  beyond  counting.  The  whole  world  clanged  and  chuffed  with  the  machinery  andinstruments  that  their  ingenuity  had  produced.  Many  wise  people  believed  that  there  wasnothing  much  left  for  science  to  do.

In  1875,  when  a  young  German  in  Kiel  named  Max  Planck  was  deciding  whether  to  devotehis  life  to  mathematics  or  to  physics,  he  was  urged  most  heartily  not  to  choose  physicsbecause  the  breakthroughs  had  all  been  made  there.  The  coming  century,  he  was  assured,would  be  one  of  consolidation  and  refinement,  not  revolution.  Planck  didn’t  listen.  He  studiedtheoretical  physics  and  threw  himself  body  and  soul  into  work  on  entropy,  a  process  at  theheart  of  thermodynamics,  which  seemed  to  hold  much  promise  for  an  ambitious  young  man.

1In  1891  he  produced  his  results  and  learned  to  his  dismay  that  the  important  work  on  entropyhad  in  fact  been  done  already,  in  this  instance  by  a  retiring  scholar  at  Yale  University  namedJ.  Willard  Gibbs.

Gibbs  is  perhaps  the  most  brilliant  person  that  most  people  have  never  heard  of.  Modest  tothe  point  of  near  invisibility,  he  passed  virtually  the  whole  of  his  life,  apart  from  three  yearsspent  studying  in  Europe,  within  a  three-block  area  bounded  by  his  house  and  the  Yalecampus  in  New  Haven,  Connecticut.  For  his  first  ten  years  at  Yale  he  didn’t  even  bother  todraw  a  salary.  (He  had  independent  means.)  From  1871,  when  he  joined  the  university  as  aprofessor,  to  his  death  in  1903,  his  courses  attracted  an  average  of  slightly  over  one  student  asemester.  His  written  work  was  difficult  to  follow  and  employed  a  private  form  of  notationthat  many  found  incomprehensible.  But  buried  among  his  arcane  formulations  were  insightsof  the  loftiest  brilliance.

In  1875–78,  Gibbs  produced  a  series  of  papers,  collectively  titledOn  the  Equilibrium  ofHeterogeneous  Substances  ,  that  dazzlingly  elucidated  the  thermodynamic  principles  of,  well,1Specifically  it  is  a  measure  of  randomness  or  disorder  in  a  system.  Darrell  Ebbing,  in  the  textbook  GeneralChemistry,  very  usefully  suggests  thinking  of  a  deck  of  cards.  A  new  pack  fresh  out  of  the  box,  arranged  by  suitand  in  sequence  from  ace  to  king,  can  be  said  to  be  in  its  ordered  state.  Shuffle  the  cards  and  you  put  them  in  adisordered  state.  Entropy  is  a  way  of  measuring  just  how  disordered  that  state  is  and  of  determining  thelikelihood  of  particular  outcomes  with  further  shuffles.  Of  course,  if  you  wish  to  have  any  observationspublished  in  a  respectable  journal  you  will  need  also  to  understand  additional  concepts  such  as  thermalnonuniformities,  lattice  distances,  and  stoichiometric  relationships,  but  thats  the  general  idea.

nearly  everything—“gases,  mixtures,  surfaces,  solids,  phase  changes  .  .  .  chemical  reactions,electrochemical  cells,  sedimentation,  and  osmosis,”  to  quote  William  H.  Cropper.  In  essencewhat  Gibbs  did  was  show  that  thermodynamics  didn’t  apply  simply  to  heat  and  energy  at  thesort  of  large  and  noisy  scale  of  the  steam  engine,  but  was  also  present  and  influential  at  theatomic  level  of  chemical  reactions.  Gibbs’s  Equilibrium  has  been  called  “the  Principia  ofthermodynamics,”  but  for  reasons  that  defy  speculation  Gibbs  chose  to  publish  theselandmark  observations  in  the  Transactions  of  the  Connecticut  Academy  of  Arts  and  Sciences,a  journal  that  managed  to  be  obscure  even  in  Connecticut,  which  is  why  Planck  did  not  hearof  him  until  too  late.

Undaunted—well,  perhaps  mildly  daunted—Planck  turned  to  other  matters.

2We  shall  turnto  these  ourselves  in  a  moment,  but  first  we  must  make  a  slight  (but  relevant!)  detour  toCleveland,  Ohio,  and  an  institution  then  known  as  the  Case  School  of  Applied  Science.  There,in  the  1880s,  a  physicist  of  early  middle  years  named  Albert  Michelson,  assisted  by  his  friendthe  chemist  Edward  Morley,  embarked  on  a  series  of  experiments  that  produced  curious  anddisturbing  results  that  would  have  great  ramifications  for  much  of  what  followed.

What  Michelson  and  Morley  did,  without  actually  intending  to,  was  undermine  alongstanding  belief  in  something  called  the  luminiferous  ether,  a  stable,  invisible,  weightless,frictionless,  and  unfortunately  wholly  imaginary  medium  that  was  thought  to  permeate  theuniverse.  Conceived  by  Descartes,  embraced  by  Newton,  and  venerated  by  nearly  everyoneever  since,  the  ether  held  a  position  of  absolute  centrality  in  nineteenth-century  physics  as  away  of  explaining  how  light  traveled  across  the  emptiness  of  space.  It  was  especially  neededin  the  1800s  because  light  and  electromagnetism  were  now  seen  as  waves,  which  is  to  saytypes  of  vibrations.  Vibrations  must  occur  in  something;  hence  the  need  for,  and  lastingdevotion  to,  an  ether.  As  late  as  1909,  the  great  British  physicist  J.  J.  Thomson  was  insisting:

“The  ether  is  not  a  fantastic  creation  of  the  speculative  philosopher;  it  is  as  essential  to  us  asthe  air  we  breathe”—this  more  than  four  years  after  it  was  pretty  incontestably  establishedthat  it  didn’t  exist.  People,  in  short,  were  really  attached  to  the  ether.

If  you  needed  to  illustrate  the  idea  of  nineteenth-century  America  as  a  land  of  opportunity,you  could  hardly  improve  on  the  life  of  Albert  Michelson.  Born  in  1852  on  the  German–Polish  border  to  a  family  of  poor  Jewish  merchants,  he  came  to  the  United  States  with  hisfamily  as  an  infant  and  grew  up  in  a  mining  camp  in  California’s  gold  rush  country,  where  hisfather  ran  a  dry  goods  business.  Too  poor  to  pay  for  college,  he  traveled  to  Washington,  D.C.,and  took  to  loitering  by  the  front  door  of  the  White  House  so  that  he  could  fall  in  besidePresident  Ulysses  S.  Grant  when  the  President  emerged  for  his  daily  constitutional.  (It  wasclearly  a  more  innocent  age.)  In  the  course  of  these  walks,  Michelson  so  ingratiated  himself  tothe  President  that  Grant  agreed  to  secure  for  him  a  free  place  at  the  U.S.  Naval  Academy.  Itwas  there  that  Michelson  learned  his  physics.

Ten  years  later,  by  now  a  professor  at  the  Case  School  in  Cleveland,  Michelson  becameinterested  in  trying  to  measure  something  called  the  ether  drift—a  kind  of  head  windproduced  by  moving  objects  as  they  plowed  through  space.  One  of  the  predictions  ofNewtonian  physics  was  that  the  speed  of  light  as  it  pushed  through  the  ether  should  vary  with2Planck  was  often  unlucky  in  life.  His  beloved  first  wife  died  early,  in  1909,  and  the  younger  of  his  two  sonswas  killed  in  the  First  World  War.  He  also  had  twin  daughters  whom  he  adored.  One  died  giving  birth.  Thesurviving  twin  went  to  look  after  the  baby  and  fell  in  love  with  her  sisters  husband.  They  married  and  two  yearslater  she  died  in  childbirth.  In  1944,  when  Planck  was  eighty-five,  an  Allied  bomb  fell  on  his  house  and  he  losteverything-papers,  diaries,  a  lifetime  of  accumulations.  The  following  year  his  surviving  son  was  caught  in  aconspiracy  to  assassinate  Hitler  and  executed.

respect  to  an  observer  depending  on  whether  the  observer  was  moving  toward  the  source  oflight  or  away  from  it,  but  no  one  had  figured  out  a  way  to  measure  this.  It  occurred  toMichelson  that  for  half  the  year  the  Earth  is  traveling  toward  the  Sun  and  for  half  the  year  it  ismoving  away  from  it,  and  he  reasoned  that  if  you  took  careful  enough  measurements  atopposite  seasons  and  compared  light’s  travel  time  between  the  two,  you  would  have  youranswer.

Michelson  talked  Alexander  Graham  Bell,  newly  enriched  inventor  of  the  telephone,  intoproviding  the  funds  to  build  an  ingenious  and  sensitive  instrument  of  Michelson’s  owndevising  called  an  interferometer,  which  could  measure  the  velocity  of  light  with  greatprecision.  Then,  assisted  by  the  genial  but  shadowy  Morley,  Michelson  embarked  on  years  offastidious  measurements.  The  work  was  delicate  and  exhausting,  and  had  to  be  suspended  fora  time  to  permit  Michelson  a  brief  but  comprehensive  nervous  breakdown,  but  by  1887  theyhad  their  results.  They  were  not  at  all  what  the  two  scientists  had  expected  to  find.

As  Caltech  astrophysicist  Kip  S.  Thorne  has  written:  “The  speed  of  light  turned  out  to  bethe  same  inall  directions  and  at  all  seasons.”  It  was  the  first  hint  in  two  hundred  years—inexactly  two  hundred  years,  in  fact—that  Newton’s  laws  might  not  apply  all  the  timeeverywhere.  The  Michelson-Morley  outcome  became,  in  the  words  of  William  H.  Cropper,“probably  the  most  famous  negative  result  in  the  history  of  physics.”  Michelson  was  awardeda  Nobel  Prize  in  physics  for  the  work—the  first  American  so  honored—but  not  for  twentyyears.  Meanwhile,  the  Michelson-Morley  experiments  would  hover  unpleasantly,  like  a  mustysmell,  in  the  background  of  scientific  thought.

Remarkably,  and  despite  his  findings,  when  the  twentieth  century  dawned  Michelsoncounted  himself  among  those  who  believed  that  the  work  of  science  was  nearly  at  an  end,with  “only  a  few  turrets  and  pinnacles  to  be  added,  a  few  roof  bosses  to  be  carved,”  in  thewords  of  a  writer  in  Nature.

In  fact,  of  course,  the  world  was  about  to  enter  a  century  of  science  where  many  peoplewouldn’t  understand  anything  and  none  would  understand  everything.  Scientists  would  soonfind  themselves  adrift  in  a  bewildering  realm  of  particles  and  antiparticles,  where  things  popin  and  out  of  existence  in  spans  of  time  that  make  nanoseconds  look  plodding  and  uneventful,where  everything  is  strange.  Science  was  moving  from  a  world  of  macrophysics,  whereobjects  could  be  seen  and  held  and  measured,  to  one  of  microphysics,  where  events  transpirewith  unimaginable  swiftness  on  scales  far  below  the  limits  of  imagining.  We  were  about  toenter  the  quantum  age,  and  the  first  person  to  push  on  the  door  was  the  so-far  unfortunateMax  Planck.

In  1900,  now  a  theoretical  physicist  at  the  University  of  Berlin  and  at  the  somewhatadvanced  age  of  forty-two,  Planck  unveiled  a  new  “quantum  theory,”  which  posited  thatenergy  is  not  a  continuous  thing  like  flowing  water  but  comes  in  individualized  packets,which  he  called  quanta.  This  was  a  novel  concept,  and  a  good  one.  In  the  short  term  it  wouldhelp  to  provide  a  solution  to  the  puzzle  of  the  Michelson-Morley  experiments  in  that  itdemonstrated  that  light  needn’t  be  a  wave  after  all.  In  the  longer  term  it  would  lay  thefoundation  for  the  whole  of  modern  physics.  It  was,  at  all  events,  the  first  clue  that  the  worldwas  about  to  change.

But  the  landmark  event—the  dawn  of  a  new  age—came  in  1905,  when  there  appeared  inthe  German  physics  journal  Annalen  der  Physik  a  series  of  papers  by  a  young  Swissbureaucrat  who  had  no  university  affiliation,  no  access  to  a  laboratory,  and  the  regular  use  of no  library  greater  than  that  of  the  national  patent  office  in  Bern,  where  he  was  employed  as  atechnical  examiner  third  class.  (An  application  to  be  promoted  to  technical  examiner  secondclass  had  recently  been  rejected.)His  name  was  Albert  Einstein,  and  in  that  one  eventful  year  he  submitted  to  Annalen  derPhysik  five  papers,  of  which  three,  according  to  C.  P.  Snow,  “were  among  the  greatest  in  thehistory  of  physics”—one  examining  the  photoelectric  effect  by  means  of  Planck’s  newquantum  theory,  one  on  the  behavior  of  small  particles  in  suspension  (what  is  known  asBrownian  motion),  and  one  outlining  a  special  theory  of  relativity.

The  first  won  its  author  a  Nobel  Prize  and  explained  the  nature  of  light  (and  also  helped  tomake  television  possible,  among  other  things).

3The  second  provided  proof  that  atoms  doindeed  exist—a  fact  that  had,  surprisingly,  been  in  some  dispute.  The  third  merely  changedthe  world.

Einstein  was  born  in  Ulm,  in  southern  Germany,  in  1879,  but  grew  up  in  Munich.  Little  inhis  early  life  suggested  the  greatness  to  come.  Famously  he  didn’t  learn  to  speak  until  he  wasthree.  In  the  1890s,  his  father’s  electrical  business  failing,  the  family  moved  to  Milan,  butAlbert,  by  now  a  teenager,  went  to  Switzerland  to  continue  his  education—though  he  failedhis  college  entrance  exams  on  the  first  try.  In  1896  he  gave  up  his  German  citizenship  toavoid  military  conscription  and  entered  the  Zurich  Polytechnic  Institute  on  a  four-year  coursedesigned  to  churn  out  high  school  science  teachers.  He  was  a  bright  but  not  outstandingstudent.

In  1900  he  graduated  and  within  a  few  months  was  beginning  to  contribute  papers  toAnnalen  der  Physik.  His  very  first  paper,  on  the  physics  of  fluids  in  drinking  straws  (of  allthings),  appeared  in  the  same  issue  as  Planck’s  quantum  theory.  From  1902  to  1904  heproduced  a  series  of  papers  on  statistical  mechanics  only  to  discover  that  the  quietlyproductive  J.  Willard  Gibbs  in  Connecticut  had  done  that  work  as  well,  in  his  ElementaryPrinciples  of  Statistical  Mechanics  of  1901.

At  the  same  time  he  had  fallen  in  love  with  a  fellow  student,  a  Hungarian  named  MilevaMaric.  In  1901  they  had  a  child  out  of  wedlock,  a  daughter,  who  was  discreetly  put  up  foradoption.  Einstein  never  saw  his  child.  Two  years  later,  he  and  Maric  were  married.  Inbetween  these  events,  in  1902,  Einstein  took  a  job  with  the  Swiss  patent  office,  where  hestayed  for  the  next  seven  years.  He  enjoyed  the  work:  it  was  challenging  enough  to  engage  hismind,  but  not  so  challenging  as  to  distract  him  from  his  physics.  This  was  the  backgroundagainst  which  he  produced  the  special  theory  of  relativity  in  1905.

Called  “On  the  Electrodynamics  of  Moving  Bodies,”  it  is  one  of  the  most  extraordinaryscientific  papers  ever  published,  as  much  for  how  it  was  presented  as  for  what  it  said.  It  hadno  footnotes  or  citations,  contained  almost  no  mathematics,  made  no  mention  of  any  workthat  had  influenced  or  preceded  it,  and  acknowledged  the  help  of  just  one  individual,  a3Einstein  was  honored,  somewhat  vaguely,  "for  services  to  theoretical  physics."  He  had  to  wait  sixteen  years,  till1921,  to  receive  the  award-quite  a  long  time,  all  things  considered,  but  nothing  at  all  compared  with  FrederickReines,  who  detected  the  neutrino  in  1957  but  wasnt  honored  with  a  Nobel  until  1995,  thirty-eight  years  later,  orthe  German  Ernst  Ruska,  who  invented  the  electron  microscope  in  1932  and  received  his  Nobel  Prize  in  1986,more  than  half  a  century  after  the  fact.  Since  Nobel  Prizes  are  never  awarded  posthumously,  longevity  can  be  asimportant  a  factor  as  ingenuity  for  prizewinners.

colleague  at  the  patent  office  named  Michele  Besso.  It  was,  wrote  C.  P.  Snow,  as  if  Einstein“had  reached  the  conclusions  by  pure  thought,  unaided,  without  listening  to  the  opinions  ofothers.  To  a  surprisingly  large  extent,  that  is  precisely  what  he  had  done.”

His  famous  equation,  E  =mc2,  did  not  appear  with  the  paper,  but  came  in  a  brief  supplementthat  followed  a  few  months  later.  As  you  will  recall  from  school  days,  E  in  the  equation  standsfor  energy,  m  for  mass,  and  c2for  the  speed  of  light  squared.

In  simplest  terms,  what  the  equation  says  is  that  mass  and  energy  have  an  equivalence.

They  are  two  forms  of  the  same  thing:  energy  is  liberated  matter;  matter  is  energy  waiting  tohappen.  Since  c2(the  speed  of  light  times  itself)  is  a  truly  enormous  number,  what  theequation  is  saying  is  that  there  is  a  huge  amount—a  really  huge  amount—of  energy  bound  upin  every  material  thing.

4You  may  not  feel  outstandingly  robust,  but  if  you  are  an  average-sized  adult  you  willcontain  within  your  modest  frame  no  less  than  7  x  1018joules  of  potential  energy—enough  toexplode  with  the  force  of  thirty  very  large  hydrogen  bombs,  assuming  you  knew  how  toliberate  it  and  really  wished  to  make  a  point.  Everything  has  this  kind  of  energy  trappedwithin  it.  We’re  just  not  very  good  at  getting  it  out.  Even  a  uranium  bomb—the  mostenergetic  thing  we  have  produced  yet—releases  less  than  1  percent  of  the  energy  it  couldrelease  if  only  we  were  more  cunning.

Among  much  else,  Einstein’s  theory  explained  how  radiation  worked:  how  a  lump  ofuranium  could  throw  out  constant  streams  of  high-level  energy  without  melting  away  like  anice  cube.  (It  could  do  it  by  converting  mass  to  energy  extremely  efficiently  à  laE  =mc2.)  Itexplained  how  stars  could  burn  for  billions  of  years  without  racing  through  their  fuel.  (Ditto.)At  a  stroke,  in  a  simple  formula,  Einstein  endowed  geologists  and  astronomers  with  theluxury  of  billions  of  years.  Above  all,  the  special  theory  showed  that  the  speed  of  light  wasconstant  and  supreme.  Nothing  could  overtake  it.  It  brought  light  (no  pun  intended,  exactly)  tothe  very  heart  of  our  understanding  of  the  nature  of  the  universe.  Not  incidentally,  it  alsosolved  the  problem  of  the  luminiferous  ether  by  making  it  clear  that  it  didn’t  exist.  Einsteingave  us  a  universe  that  didn’t  need  it.

Physicists  as  a  rule  are  not  overattentive  to  the  pronouncements  of  Swiss  patent  officeclerks,  and  so,  despite  the  abundance  of  useful  tidings,  Einstein’s  papers  attracted  little  notice.

Having  just  solved  several  of  the  deepest  mysteries  of  the  universe,  Einstein  applied  for  a  jobas  a  university  lecturer  and  was  rejected,  and  then  as  a  high  school  teacher  and  was  rejectedthere  as  well.  So  he  went  back  to  his  job  as  an  examiner  third  class,  but  of  course  he  keptthinking.  He  hadn’t  even  come  close  to  finishing  yet.

When  the  poet  Paul  Valéry  once  asked  Einstein  if  he  kept  a  notebook  to  record  his  ideas,Einstein  looked  at  him  with  mild  but  genuine  surprise.  “Oh,  that’s  not  necessary,”  he  replied.

“It’s  so  seldom  I  have  one.”  I  need  hardly  point  out  that  when  he  did  get  one  it  tended  to  begood.  Einstein’s  next  idea  was  one  of  the  greatest  that  anyone  has  ever  had—indeed,  the  verygreatest,  according  to  Boorse,  Motz,  and  Weaver  in  their  thoughtful  history  of  atomic  science.

4How  c  came  to  be  the  symbol  for  the  speed  of  light  is  something  of  a  mystery,  but  David  Bodanis  suggests  itprobably  came  from  the  Latin  celeritas,  meaning  swiftness.  The  relevant  volume  of  the  Oxford  EnglishDictionary,  compiled  a  decade  before  Einsteins  theory,  recognizes  c  as  a  symbol  for  many  things,  from  carbonto  cricket,  but  makes  no  mention  of  it  as  a  symbol  for  light  or  swiftness.

“As  the  creation  of  a  single  mind,”  they  write,  “it  is  undoubtedly  the  highest  intellectualachievement  of  humanity,”  which  is  of  course  as  good  as  a  compliment  can  get.

In  1907,  or  so  it  has  sometimes  been  written,  Albert  Einstein  saw  a  workman  fall  off  a  roofand  began  to  think  about  gravity.  Alas,  like  many  good  stories  this  one  appears  to  beapocryphal.  According  to  Einstein  himself,  he  was  simply  sitting  in  a  chair  when  the  problemof  gravity  occurred  to  him.

Actually,  what  occurred  to  Einstein  was  something  more  like  the  beginning  of  a  solution  tothe  problem  of  gravity,  since  it  had  been  evident  to  him  from  the  outset  that  one  thing  missingfrom  the  special  theory  was  gravity.  What  was  “special”  about  the  special  theory  was  that  itdealt  with  things  moving  in  an  essentially  unimpeded  state.  But  what  happened  when  a  thingin  motion—light,  above  all—encountered  an  obstacle  such  as  gravity?  It  was  a  question  thatwould  occupy  his  thoughts  for  most  of  the  next  decade  and  lead  to  the  publication  in  early1917  of  a  paper  entitled  “Cosmological  Considerations  on  the  General  Theory  of  Relativity.”

The  special  theory  of  relativity  of  1905  was  a  profound  and  important  piece  of  work,  ofcourse,  but  as  C.  P.  Snow  once  observed,  if  Einstein  hadn’t  thought  of  it  when  he  did  someoneelse  would  have,  probably  within  five  years;  it  was  an  idea  waiting  to  happen.  But  the  generaltheory  was  something  else  altogether.  “Without  it,”  wrote  Snow  in  1979,  “it  is  likely  that  weshould  still  be  waiting  for  the  theory  today.”

With  his  pipe,  genially  self-effacing  manner,  and  electrified  hair,  Einstein  was  too  splendida  figure  to  remain  permanently  obscure,  and  in  1919,  the  war  over,  the  world  suddenlydiscovered  him.  Almost  at  once  his  theories  of  relativity  developed  a  reputation  for  beingimpossible  for  an  ordinary  person  to  grasp.  Matters  were  not  helped,  as  David  Bodanis  pointsout  in  his  superb  book  E=mc2,  when  the  New  York  Times  decided  to  do  a  story,  and—forreasons  that  can  never  fail  to  excite  wonder—sent  the  paper’s  golfing  correspondent,  oneHenry  Crouch,  to  conduct  the  interview.

Crouch  was  hopelessly  out  of  his  depth,  and  got  nearly  everything  wrong.  Among  the  morelasting  errors  in  his  report  was  the  assertion  that  Einstein  had  found  a  publisher  daring  enoughto  publish  a  book  that  only  twelve  men  “in  all  the  world  could  comprehend.”  There  was  nosuch  book,  no  such  publisher,  no  such  circle  of  learned  men,  but  the  notion  stuck  anyway.

Soon  the  number  of  people  who  could  grasp  relativity  had  been  reduced  even  further  in  thepopular  imagination—and  the  scientific  establishment,  it  must  be  said,  did  little  to  disturb  themyth.

When  a  journalist  asked  the  British  astronomer  Sir  Arthur  Eddington  if  it  was  true  that  hewas  one  of  only  three  people  in  the  world  who  could  understand  Einstein’s  relativity  theories,Eddington  considered  deeply  for  a  moment  and  replied:  “I  am  trying  to  think  who  the  thirdperson  is.”  In  fact,  the  problem  with  relativity  wasn’t  that  it  involved  a  lot  of  differentialequations,  Lorentz  transformations,  and  other  complicated  mathematics  (though  it  did—evenEinstein  needed  help  with  some  of  it),  but  that  it  was  just  so  thoroughly  nonintuitive.

In  essence  what  relativity  says  is  that  space  and  time  are  not  absolute,  but  relative  to  boththe  observer  and  to  the  thing  being  observed,  and  the  faster  one  moves  the  more  pronouncedthese  effects  become.  We  can  never  accelerate  ourselves  to  the  speed  of  light,  and  the  harderwe  try  (and  faster  we  go)  the  more  distorted  we  will  become,  relative  to  an  outside  observer.

Almost  at  once  popularizers  of  science  tried  to  come  up  with  ways  to  make  these  conceptsaccessible  to  a  general  audience.  One  of  the  more  successful  attempts—commercially  at least—was  The  ABC  of  Relativity  by  the  mathematician  and  philosopher  Bertrand  Russell.  Init,  Russell  employed  an  image  that  has  been  used  many  times  since.  He  asked  the  reader  toenvision  a  train  one  hundred  yards  long  moving  at  60  percent  of  the  speed  of  light.  Tosomeone  standing  on  a  platform  watching  it  pass,  the  train  would  appear  to  be  only  eightyyards  long  and  everything  on  it  would  be  similarly  compressed.  If  we  could  hear  thepassengers  on  the  train  speak,  their  voices  would  sound  slurred  and  sluggish,  like  a  recordplayed  at  too  slow  a  speed,  and  their  movements  would  appear  similarly  ponderous.  Even  theclocks  on  the  train  would  seem  to  be  running  at  only  four-fifths  of  their  normal  speed.

However—and  here’s  the  thing—people  on  the  train  would  have  no  sense  of  thesedistortions.  To  them,  everything  on  the  train  would  seem  quite  normal.  It  would  be  we  on  theplatform  who  looked  weirdly  compressed  and  slowed  down.  It  is  all  to  do,  you  see,  with  yourposition  relative  to  the  moving  object.

This  effect  actually  happens  every  time  you  move.  Fly  across  the  United  States,  and  youwill  step  from  the  plane  a  quinzillionth  of  a  second,  or  something,  younger  than  those  you  leftbehind.  Even  in  walking  across  the  room  you  will  very  slightly  alter  your  own  experience  oftime  and  space.  It  has  been  calculated  that  a  baseball  thrown  at  a  hundred  miles  an  hour  willpick  up  0.000000000002  grams  of  mass  on  its  way  to  home  plate.  So  the  effects  of  relativityare  real  and  have  been  measured.  The  problem  is  that  such  changes  are  much  too  small  tomake  the  tiniest  detectable  difference  to  us.  But  for  other  things  in  the  universe—light,gravity,  the  universe  itself—these  are  matters  of  consequence.

So  if  the  ideas  of  relativity  seem  weird,  it  is  only  because  we  don’t  experience  these  sorts  ofinteractions  in  normal  life.  However,  to  turn  to  Bodanis  again,  we  all  commonly  encounterother  kinds  of  relativity—for  instance  with  regard  to  sound.  If  you  are  in  a  park  and  someoneis  playing  annoying  music,  you  know  that  if  you  move  to  a  more  distant  spot  the  music  willseem  quieter.  That’s  not  because  the  musicis  quieter,  of  course,  but  simply  that  your  positionrelative  to  it  has  changed.  To  something  too  small  or  sluggish  to  duplicate  this  experience—asnail,  say—the  idea  that  a  boom  box  could  seem  to  two  observers  to  produce  two  differentvolumes  of  music  simultaneously  might  seem  incredible.

The  most  challenging  and  nonintuitive  of  all  the  concepts  in  the  general  theory  of  relativityis  the  idea  that  time  is  part  of  space.  Our  instinct  is  to  regard  time  as  eternal,  absolute,immutable—nothing  can  disturb  its  steady  tick.  In  fact,  according  to  Einstein,  time  is  variableand  ever  changing.  It  even  has  shape.  It  is  bound  up—“inextricably  interconnected,”  inStephen  Hawking’s  expression—with  the  three  dimensions  of  space  in  a  curious  dimensionknown  as  spacetime.

Spacetime  is  usually  explained  by  asking  you  to  imagine  something  flat  but  pliant—amattress,  say,  or  a  sheet  of  stretched  rubber—on  which  is  resting  a  heavy  round  object,  suchas  an  iron  ball.  The  weight  of  the  iron  ball  causes  the  material  on  which  it  is  sitting  to  stretchand  sag  slightly.  This  is  roughly  analogous  to  the  effect  that  a  massive  object  such  as  the  Sun(the  iron  ball)  has  on  spacetime  (the  material):  it  stretches  and  curves  and  warps  it.  Now  ifyou  roll  a  smaller  ball  across  the  sheet,  it  tries  to  go  in  a  straight  line  as  required  by  Newton’slaws  of  motion,  but  as  it  nears  the  massive  object  and  the  slope  of  the  sagging  fabric,  it  rollsdownward,  ineluctably  drawn  to  the  more  massive  object.  This  is  gravity—a  product  of  thebending  of  spacetime.

Every  object  that  has  mass  creates  a  little  depression  in  the  fabric  of  the  cosmos.  Thus  theuniverse,  as  Dennis  Overbye  has  put  it,  is  “the  ultimate  sagging  mattress.”  Gravity  on  this view  is  no  longer  so  much  a  thing  as  an  outcome—“not  a  ‘force’  but  a  byproduct  of  thewarping  of  spacetime,”  in  the  words  of  the  physicist  Michio  Kaku,  who  goes  on:  “In  somesense,  gravity  does  not  exist;  what  moves  the  planets  and  stars  is  the  distortion  of  space  andtime.”

Of  course  the  sagging  mattress  analogy  can  take  us  only  so  far  because  it  doesn’tincorporate  the  effect  of  time.  But  then  our  brains  can  take  us  only  so  far  because  it  is  sonearly  impossible  to  envision  a  dimension  comprising  three  parts  space  to  one  part  time,  allinterwoven  like  the  threads  in  a  plaid  fabric.  At  all  events,  I  think  we  can  agree  that  this  wasan  awfully  big  thought  for  a  young  man  staring  out  the  window  of  a  patent  office  in  thecapital  of  Switzerland.

Among  much  else,  Einstein’s  general  theory  of  relativity  suggested  that  the  universe  mustbe  either  expanding  or  contracting.  But  Einstein  was  not  a  cosmologist,  and  he  accepted  theprevailing  wisdom  that  the  universe  was  fixed  and  eternal.  More  or  less  reflexively,  hedropped  into  his  equations  something  called  the  cosmological  constant,  which  arbitrarilycounterbalanced  the  effects  of  gravity,  serving  as  a  kind  of  mathematical  pause  button.  Bookson  the  history  of  science  always  forgive  Einstein  this  lapse,  but  it  was  actually  a  fairlyappalling  piece  of  science  and  he  knew  it.  He  called  it  “the  biggest  blunder  of  my  life.”

Coincidentally,  at  about  the  time  that  Einstein  was  affixing  a  cosmological  constant  to  histheory,  at  the  Lowell  Observatory  in  Arizona,  an  astronomer  with  the  cheerily  intergalacticname  of  Vesto  Slipher  (who  was  in  fact  from  Indiana)  was  taking  spectrographic  readings  ofdistant  stars  and  discovering  that  they  appeared  to  be  moving  away  from  us.  The  universewasn’t  static.  The  stars  Slipher  looked  at  showed  unmistakable  signs  of  a  Doppler  shift5—thesame  mechanism  behind  that  distinctive  stretched-out  yee-yummm  sound  cars  make  as  theyflash  past  on  a  racetrack.  The  phenomenon  also  applies  to  light,  and  in  the  case  of  recedinggalaxies  it  is  known  as  a  red  shift  (because  light  moving  away  from  us  shifts  toward  the  redend  of  the  spectrum;  approaching  light  shifts  to  blue).

Slipher  was  the  first  to  notice  this  effect  with  light  and  to  realize  its  potential  importancefor  understanding  the  motions  of  the  cosmos.  Unfortunately  no  one  much  noticed  him.  TheLowell  Observatory,  as  you  will  recall,  was  a  bit  of  an  oddity  thanks  to  Percival  Lowell’sobsession  with  Martian  canals,  which  in  the  1910s  made  it,  in  every  sense,  an  outpost  ofastronomical  endeavor.  Slipher  was  unaware  of  Einstein’s  theory  of  relativity,  and  the  worldwas  equally  unaware  of  Slipher.  So  his  finding  had  no  impact.

Glory  instead  would  pass  to  a  large  mass  of  ego  named  Edwin  Hubble.  Hubble  was  born  in1889,  ten  years  after  Einstein,  in  a  small  Missouri  town  on  the  edge  of  the  Ozarks  and  grewup  there  and  in  Wheaton,  Illinois,  a  suburb  of  Chicago.  His  father  was  a  successful  insuranceexecutive,  so  life  was  always  comfortable,  and  Edwin  enjoyed  a  wealth  of  physicalendowments,  too.  He  was  a  strong  and  gifted  athlete,  charming,  smart,  and  immensely  good-looking—“handsome  almost  to  a  fault,”  in  the  description  of  William  H.  Cropper,  “an5Named  for  Johann  Christian  Doppler,  an  Austrian  physicist,  who  first  noticed  the  effect  in  1842.  Briefly,  whathappens  is  that  as  a  moving  object  approaches  a  stationary  one  its  sound  waves  become  bunched  up  as  they  cramup  against  whatever  device  is  receiving  them  (your  ears,  say),  just  as  you  would  expect  of  anything  that  is  beingpushed  from  behind  toward  an  immobile  object.  This  bunching  is  perceived  by  the  listener  as  a  kind  of  pinchedand  elevated  sound  (the  yee).  As  the  sound  source  passes,  the  sound  waves  spread  out  and  lengthen,  causing  thepitch  to  drop  abruptly  (the  yummm).

Adonis”  in  the  words  of  another  admirer.  According  to  his  own  accounts,  he  also  managed  tofit  into  his  life  more  or  less  constant  acts  of  valor—rescuing  drowning  swimmers,  leadingfrightened  men  to  safety  across  the  battlefields  of  France,  embarrassing  world-championboxers  with  knockdown  punches  in  exhibition  bouts.  It  all  seemed  too  good  to  be  true.  It  was.

For  all  his  gifts,  Hubble  was  also  an  inveterate  liar.

This  was  more  than  a  little  odd,  for  Hubble’s  life  was  filled  from  an  early  age  with  a  levelof  distinction  that  was  at  times  almost  ludicrously  golden.  At  a  single  high  school  track  meetin  1906,  he  won  the  pole  vault,  shot  put,  discus,  hammer  throw,  standing  high  jump,  andrunning  high  jump,  and  was  on  the  winning  mile-relay  team—that  is  seven  first  places  in  onemeet—and  came  in  third  in  the  broad  jump.  In  the  same  year,  he  set  a  state  record  for  the  highjump  in  Illinois.

As  a  scholar  he  was  equally  proficient,  and  had  no  trouble  gaining  admission  to  studyphysics  and  astronomy  at  the  University  of  Chicago  (where,  coincidentally,  the  head  of  thedepartment  was  now  Albert  Michelson).  There  he  was  selected  to  be  one  of  the  first  Rhodesscholars  at  Oxford.  Three  years  of  English  life  evidently  turned  his  head,  for  he  returned  toWheaton  in  1913  wearing  an  Inverness  cape,  smoking  a  pipe,  and  talking  with  a  peculiarlyorotund  accent—not  quite  British  but  not  quite  not—that  would  remain  with  him  for  life.

Though  he  later  claimed  to  have  passed  most  of  the  second  decade  of  the  century  practicinglaw  in  Kentucky,  in  fact  he  worked  as  a  high  school  teacher  and  basketball  coach  in  NewAlbany,  Indiana,  before  belatedly  attaining  his  doctorate  and  passing  briefly  through  theArmy.  (He  arrived  in  France  one  month  before  the  Armistice  and  almost  certainly  never  hearda  shot  fired  in  anger.)In  1919,  now  aged  thirty,  he  moved  to  California  and  took  up  a  position  at  the  MountWilson  Observatory  near  Los  Angeles.  Swiftly,  and  more  than  a  little  unexpectedly,  hebecame  the  most  outstanding  astronomer  of  the  twentieth  century.

It  is  worth  pausing  for  a  moment  to  consider  just  how  little  was  known  of  the  cosmos  at  thistime.  Astronomers  today  believe  there  are  perhaps  140  billion  galaxies  in  the  visible  universe.

That’s  a  huge  number,  much  bigger  than  merely  saying  it  would  lead  you  to  suppose.  Ifgalaxies  were  frozen  peas,  it  would  be  enough  to  fill  a  large  auditorium—the  old  BostonGarden,  say,  or  the  Royal  Albert  Hall.  (An  astrophysicist  named  Bruce  Gregory  has  actuallycomputed  this.)  In  1919,  when  Hubble  first  put  his  head  to  the  eyepiece,  the  number  of  thesegalaxies  that  were  known  to  us  was  exactly  one:  the  Milky  Way.  Everything  else  was  thoughtto  be  either  part  of  the  Milky  Way  itself  or  one  of  many  distant,  peripheral  puffs  of  gas.

Hubble  quickly  demonstrated  how  wrong  that  belief  was.

Over  the  next  decade,  Hubble  tackled  two  of  the  most  fundamental  questions  of  theuniverse:  how  old  is  it,  and  how  big?  To  answer  both  it  is  necessary  to  know  two  things—howfar  away  certain  galaxies  are  and  how  fast  they  are  flying  away  from  us  (what  is  known  astheir  recessional  velocity).  The  red  shift  gives  the  speed  at  which  galaxies  are  retiring,  butdoesn’t  tell  us  how  far  away  they  are  to  begin  with.  For  that  you  need  what  are  known  as“standard  candles”—stars  whose  brightness  can  be  reliably  calculated  and  used  asbenchmarks  to  measure  the  brightness  (and  hence  relative  distance)  of  other  stars.

Hubble’s  luck  was  to  come  along  soon  after  an  ingenious  woman  named  Henrietta  SwanLeavitt  had  figured  out  a  way  to  do  so.  Leavitt  worked  at  the  Harvard  College  Observatory  asa  computer,  as  they  were  known.  Computers  spent  their  lives  studying  photographic  plates  ofstars  and  making  computations—hence  the  name.  It  was  little  more  than  drudgery  by  another name,  but  it  was  as  close  as  women  could  get  to  real  astronomy  at  Harvard—or  indeed  prettymuch  anywhere—in  those  days.  The  system,  however  unfair,  did  have  certain  unexpectedbenefits:  it  meant  that  half  the  finest  minds  available  were  directed  to  work  that  wouldotherwise  have  attracted  little  reflective  attention,  and  it  ensured  that  women  ended  up  with  anappreciation  of  the  fine  structure  of  the  cosmos  that  often  eluded  their  male  counterparts.

One  Harvard  computer,  Annie  Jump  Cannon,  used  her  repetitive  acquaintance  with  thestars  to  devise  a  system  of  stellar  classifications  so  practical  that  it  is  still  in  use  today.

Leavitt’s  contribution  was  even  more  profound.  She  noticed  that  a  type  of  star  known  as  aCepheid  variable  (after  the  constellation  Cepheus,  where  it  first  was  identified)  pulsated  witha  regular  rhythm—a  kind  of  stellar  heartbeat.  Cepheids  are  quite  rare,  but  at  least  one  of  themis  well  known  to  most  of  us.  Polaris,  the  Pole  Star,  is  a  Cepheid.

We  now  know  that  Cepheids  throb  as  they  do  because  they  are  elderly  stars  that  havemoved  past  their  “main  sequence  phase,”  in  the  parlance  of  astronomers,  and  become  redgiants.  The  chemistry  of  red  giants  is  a  little  weighty  for  our  purposes  here  (it  requires  anappreciation  for  the  properties  of  singly  ionized  helium  atoms,  among  quite  a  lot  else),  but  putsimply  it  means  that  they  burn  their  remaining  fuel  in  a  way  that  produces  a  very  rhythmic,very  reliable  brightening  and  dimming.  Leavitt’s  genius  was  to  realize  that  by  comparing  therelative  magnitudes  of  Cepheids  at  different  points  in  the  sky  you  could  work  out  where  theywere  in  relation  to  each  other.  They  could  be  used  as  “standard  candles”—a  term  she  coinedand  still  in  universal  use.  The  method  provided  only  relative  distances,  not  absolute  distances,but  even  so  it  was  the  first  time  that  anyone  had  come  up  with  a  usable  way  to  measure  thelarge-scale  universe.

(Just  to  put  these  insights  into  perspective,  it  is  perhaps  worth  noting  that  at  the  time  Leavittand  Cannon  were  inferring  fundamental  properties  of  the  cosmos  from  dim  smudges  onphotographic  plates,  the  Harvard  astronomer  William  H.  Pickering,  who  could  of  course  peerinto  a  first-class  telescope  as  often  as  he  wanted,  was  developing  his  seminal  theory  that  darkpatches  on  the  Moon  were  caused  by  swarms  of  seasonally  migrating  insects.)Combining  Leavitt’s  cosmic  yardstick  with  Vesto  Slipher’s  handy  red  shifts,  Edwin  Hubblenow  began  to  measure  selected  points  in  space  with  a  fresh  eye.  In  1923  he  showed  that  a  puffof  distant  gossamer  in  the  Andromeda  constellation  known  as  M31  wasn’t  a  gas  cloud  at  allbut  a  blaze  of  stars,  a  galaxy  in  its  own  right,  a  hundred  thousand  light-years  across  and  atleast  nine  hundred  thousand  light-years  away.  The  universe  was  vaster—vastly  vaster—thananyone  had  ever  supposed.  In  1924  he  produced  a  landmark  paper,  “Cepheids  in  SpiralNebulae”  (nebulae,from  the  Latin  for  “clouds,”  was  his  word  for  galaxies),  showing  that  theuniverse  consisted  not  just  of  the  Milky  Way  but  of  lots  of  independent  galaxies—“islanduniverses”—many  of  them  bigger  than  the  Milky  Way  and  much  more  distant.

This  finding  alone  would  have  ensured  Hubble’s  reputation,  but  he  now  turned  to  thequestion  of  working  out  just  how  much  vaster  the  universe  was,  and  made  an  even  morestriking  discovery.  Hubble  began  to  measure  the  spectra  of  distant  galaxies—the  business  thatSlipher  had  begun  in  Arizona.  Using  Mount  Wilson’s  new  hundred-inch  Hooker  telescopeand  some  clever  inferences,  he  worked  out  that  all  the  galaxies  in  the  sky  (except  for  our  ownlocal  cluster)  are  moving  away  from  us.  Moreover,  their  speed  and  distance  were  neatlyproportional:  the  further  away  the  galaxy,  the  faster  it  was  moving.

This  was  truly  startling.  The  universe  was  expanding,  swiftly  and  evenly  in  all  directions.  Itdidn’t  take  a  huge  amount  of  imagination  to  read  backwards  from  this  and  realize  that  it  must therefore  have  started  from  some  central  point.  Far  from  being  the  stable,  fixed,  eternal  voidthat  everyone  had  always  assumed,  this  was  a  universe  that  had  a  beginning.  It  mighttherefore  also  have  an  end.

The  wonder,  as  Stephen  Hawking  has  noted,  is  that  no  one  had  hit  on  the  idea  of  theexpanding  universe  before.  A  static  universe,  as  should  have  been  obvious  to  Newton  andevery  thinking  astronomer  since,  would  collapse  in  upon  itself.  There  was  also  the  problemthat  if  stars  had  been  burning  indefinitely  in  a  static  universe  they’d  have  made  the  wholeintolerably  hot—certainly  much  too  hot  for  the  likes  of  us.  An  expanding  universe  resolvedmuch  of  this  at  a  stroke.

Hubble  was  a  much  better  observer  than  a  thinker  and  didn’t  immediately  appreciate  thefull  implications  of  what  he  had  found.  Partly  this  was  because  he  was  woefully  ignorant  ofEinstein’s  General  Theory  of  Relativity.  This  was  quite  remarkable  because,  for  one  thing,Einstein  and  his  theory  were  world  famous  by  now.  Moreover,  in  1929  Albert  Michelson—now  in  his  twilight  years  but  still  one  of  the  world’s  most  alert  and  esteemed  scientists—accepted  a  position  at  Mount  Wilson  to  measure  the  velocity  of  light  with  his  trustyinterferometer,  and  must  surely  have  at  least  mentioned  to  him  the  applicability  of  Einstein’stheory  to  his  own  findings.

At  all  events,  Hubble  failed  to  make  theoretical  hay  when  the  chance  was  there.  Instead,  itwas  left  to  a  Belgian  priest-scholar  (with  a  Ph.D.  from  MIT)  named  Georges  Lema?tre  tobring  together  the  two  strands  in  his  own  “fireworks  theory,”  which  suggested  that  theuniverse  began  as  a  geometrical  point,  a  “primeval  atom,”  which  burst  into  glory  and  hadbeen  moving  apart  ever  since.  It  was  an  idea  that  very  neatly  anticipated  the  modernconception  of  the  Big  Bang  but  was  so  far  ahead  of  its  time  that  Lema?tre  seldom  gets  morethan  the  sentence  or  two  that  we  have  given  him  here.  The  world  would  need  additionaldecades,  and  the  inadvertent  discovery  of  cosmic  background  radiation  by  Penzias  and  Wilsonat  their  hissing  antenna  in  New  Jersey,  before  the  Big  Bang  would  begin  to  move  frominteresting  idea  to  established  theory.

Neither  Hubble  nor  Einstein  would  be  much  of  a  part  of  that  big  story.  Though  no  onewould  have  guessed  it  at  the  time,  both  men  had  done  about  as  much  as  they  were  ever  goingto  do.

In  1936  Hubble  produced  a  popular  book  called  The  Realm  of  the  Nebulae,  whichexplained  in  flattering  style  his  own  considerable  achievements.  Here  at  last  he  showed  thathe  had  acquainted  himself  with  Einstein’s  theory—up  to  a  point  anyway:  he  gave  it  four  pagesout  of  about  two  hundred.

Hubble  died  of  a  heart  attack  in  1953.  One  last  small  oddity  awaited  him.  For  reasonscloaked  in  mystery,  his  wife  declined  to  have  a  funeral  and  never  revealed  what  she  did  withhis  body.  Half  a  century  later  the  whereabouts  of  the  century’s  greatest  astro