相對(duì)論改變百年

盡管大多數(shù)人至今還不知道相對(duì)論究竟是怎么回事，但事實(shí)上，它早就深刻地影響到整個(gè)人類社會(huì)，直接或間接地影響了我們每一個(gè)人。

1919年，阿爾伯特·愛因斯坦(1879～1955)在與兒子埃德瓦的談話中說：“當(dāng)一只甲蟲在一根彎曲的樹枝上爬行的時(shí)候，它并沒有覺察到這根樹枝是彎曲的。我有幸覺察到了甲蟲沒有覺察到的東西。”

愛因斯坦的這一覺察，在其后近100年中改變了整個(gè)世界，并且，這種改變現(xiàn)在還在繼續(xù)。

2005年是愛因斯坦作出關(guān)鍵性科學(xué)發(fā)現(xiàn)100周年，國際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)邀請聯(lián)合國教科文組織，與世界各國、包括發(fā)展中國家的物理學(xué)會(huì)和團(tuán)體一道，組織活動(dòng)慶祝2005國際物理年。

1月13日，在巴黎召開的國際物理年發(fā)起會(huì)議上，國際物理年在全球正式啟動(dòng)。隨后，1月19日，德國總理施羅德也宣布本國的“愛因斯坦年”(德、英等國把國際物理年直接命名為“愛因斯坦年”)開始。施羅德稱贊愛因斯坦“用他的思想給科學(xué)帶來了徹底變革，并改變了世界”。

“100年前，近代世界最著名科學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了具有劃時(shí)代意義的5篇物理學(xué)論文，奠定了相對(duì)論的基礎(chǔ)，并且為量子理論的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。原子能、晶體管、計(jì)算機(jī)、激光、納米材料、宇宙飛船、生命科學(xué)等20世紀(jì)的重大發(fā)明，都是由愛因斯坦開創(chuàng)的近代物理學(xué)的結(jié)晶。”在珠海閉幕的“2005年理論物理研討會(huì)”上，中國理論物理學(xué)家吳式樞院士、張宗燁院士等人給予愛因斯坦和他的理論如此評(píng)價(jià)。

顛覆傳統(tǒng)的時(shí)空觀

在愛因斯坦為數(shù)眾多的貢獻(xiàn)中，一直抓住公眾想像力的就是一個(gè)詞：相對(duì)論。狹義相對(duì)論產(chǎn)生于愛因斯坦26歲那年。但事實(shí)上，這個(gè)思想并不是那一年突然在他大腦里面產(chǎn)生的，而是經(jīng)過了長時(shí)間的醞釀。

當(dāng)和愛因斯坦一般年紀(jì)的大多數(shù)男孩子在追女生的時(shí)候，他卻在夢想著一個(gè)“追光試驗(yàn)”。那時(shí)他大約16歲，他意識(shí)到，如果他能跑得足夠快追上光的話，那么一束光對(duì)于他來說就成了一個(gè)凍結(jié)在時(shí)間里面的電磁場。“但是，那樣的事情是不可能存在的！”愛因斯坦說。十年之后，這一見識(shí)發(fā)展成為狹義相對(duì)論。在愛因斯坦之前，牛頓經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過幾百年的發(fā)展，被一些人認(rèn)為已經(jīng)臻于完美，以至于當(dāng)時(shí)有一個(gè)科學(xué)家說：“現(xiàn)在，后世物理學(xué)家可做的事情已經(jīng)不多了。”然而，19世紀(jì)末，臻于完美的物理學(xué)殿堂上空出現(xiàn)了兩朵“烏云”：邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)尋找絕對(duì)參考系“以太”遭到了失敗；“黑體輻射”現(xiàn)象無法用經(jīng)典理論解釋。

于是，1905年，德國《物理學(xué)年鑒》刊登了一系列論文，以不到70頁的篇幅解答第一個(gè)謎：我們不需要“以太”，自然界根本不存在絕對(duì)靜止的參考系。論文徹底顛覆了我們以往的時(shí)空觀。論文的作者是一位名不見經(jīng)傳的年輕人26歲的愛因斯坦。

在1905年之前，物理學(xué)家相信空間是一個(gè)寬廣的舞臺(tái)，在這個(gè)展現(xiàn)著宇宙戲劇的舞臺(tái)上，時(shí)間對(duì)于所有的演員而言都在以同樣的速度“滴答滴答”地流逝著。

狹義相對(duì)論否定了所有的這一切。它用一個(gè)簡單的“時(shí)空”代替了作為獨(dú)特實(shí)體的空間和時(shí)間，而“時(shí)空”這個(gè)概念，對(duì)于彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)著的觀察者而言看上去是不同的——也就是說，對(duì)于坐在地面上的一個(gè)人和坐著飛機(jī)旅行的另一個(gè)人，時(shí)間的流逝速度完全不同。

“絕對(duì)”的相對(duì)論

中國科學(xué)院理論物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師張?jiān)僭诮邮鼙究稍L時(shí)說，事實(shí)上，相對(duì)論作為一種新的哲學(xué)，已經(jīng)徹底顛覆了牛頓力學(xué)的時(shí)空觀。在應(yīng)用上，牛頓力學(xué)可以在普通宏觀低速的情況下作為一種近似計(jì)算而運(yùn)用，但在概念上，牛頓力學(xué)對(duì)客觀世界的描述實(shí)際上已經(jīng)是一種錯(cuò)誤。

相對(duì)論中，“相對(duì)”指的是宇宙中不存在絕對(duì)靜止的參考系。作為一種理論，相對(duì)論的很多結(jié)論在表述上都是很“絕對(duì)”的，甚至于絕對(duì)到了讓很多“科學(xué)”幻想者絕望的地步。

首先，相對(duì)論指出真空中的光速是不可超越的。在牛頓力學(xué)里面，速度可以沒有上限，而現(xiàn)在，30萬公里/秒成為了我們宇宙中的速度極限。這讓很多科幻迷感到不舒服：它讓我們乘宇宙飛船作星際旅行的愿望幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

并且，對(duì)于任何人(無論你是靜坐在地球上還是乘飛船在作高速旅行)而言，測量一束光相對(duì)于你的速度都將得到同樣的答案——真空中的一束光對(duì)于任何參考系都是以30萬公里/秒的速度前進(jìn)。

其次，時(shí)間不能獨(dú)立于空間而存在，“時(shí)空”是完全一體的。

還有就是，質(zhì)量和能量存在密不可分的關(guān)系即質(zhì)能關(guān)系，E=mc2成為了有史以來最偉大的公式。

實(shí)際上，愛因斯坦非常喜歡那種能夠“絕對(duì)準(zhǔn)確”地描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)客觀規(guī)律的理論。也因此，對(duì)于20世紀(jì)發(fā)展起來的另一個(gè)重要理論體系——量子力學(xué)，盡管他也是奠基人之一，愛因斯坦卻因?yàn)樗母怕收?認(rèn)為微觀世界存在“不確定性”)的性質(zhì)而感到沮喪，他執(zhí)著地認(rèn)為“上帝不會(huì)擲骰子”，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)應(yīng)該是確定的。

廣義相對(duì)論指引天文學(xué)

現(xiàn)代天文學(xué)又被稱作相對(duì)論天文學(xué)，那是因?yàn)檎麄€(gè)現(xiàn)代天文學(xué)系統(tǒng)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展都必須依靠相對(duì)論作為理論工具，主要依靠的是廣義相對(duì)論。

在1905年創(chuàng)立狹義相對(duì)論之后，愛因斯坦開始考慮在時(shí)空中加入引力的情況。與數(shù)學(xué)家合作，經(jīng)過10年的努力，1916年他創(chuàng)立了廣義相對(duì)論。20世紀(jì)發(fā)展出的兩大物理學(xué)基本理論體系中，可以說，量子力學(xué)是包括愛因斯坦在內(nèi)的眾多科學(xué)家共同努力的結(jié)果，而狹義相對(duì)論整個(gè)體系，幾乎是憑借愛因斯坦一個(gè)人的力量構(gòu)建起來的。

據(jù)國家天文臺(tái)研究員李競介紹，在狹義相對(duì)論出現(xiàn)之前，天文學(xué)更多地集中于觀測，和理論物理沒有多少關(guān)系。當(dāng)狹義相對(duì)論剛出來的時(shí)候，天文學(xué)家覺得這是電動(dòng)力學(xué)的事，跟天文掛不上邊。但到了1915年廣義相對(duì)論誕生之后，由于它的表述用到了極其深?yuàn)W的數(shù)學(xué)工具，絕大多數(shù)天文學(xué)家又根本看不懂它，更不用說是去理解它。這就是廣義相對(duì)論出來之初和者極寡的原因所在。也因此，在1929年之前，相對(duì)論并沒有對(duì)天文學(xué)的發(fā)展起到什么作用。但在1929年之前，用牛頓力學(xué)解釋天文學(xué)觀測結(jié)果的方法已經(jīng)出現(xiàn)了危機(jī)。最先的陰影就是水星的進(jìn)動(dòng)，即天文學(xué)家用牛頓力學(xué)計(jì)算得到的水星運(yùn)行軌跡和實(shí)際觀測的結(jié)果不符。一開始人們以為存在一顆水內(nèi)行星，甚至已經(jīng)為它起好了名字“祝融星”。于是大家用望遠(yuǎn)鏡去尋找它，由于旁邊存在太過明亮的太陽，尋找水內(nèi)行星是很艱難的一件事。天文學(xué)家為此吃盡了苦頭，也沒有找到這顆實(shí)際上并不存在的“祝融星”。

當(dāng)愛因斯坦用他的廣義相對(duì)論來對(duì)水星的運(yùn)行軌跡進(jìn)行計(jì)算時(shí)，他發(fā)現(xiàn)，由于水星的運(yùn)行速度太快，已經(jīng)必須考慮其相對(duì)論效應(yīng)，牛頓力學(xué)已經(jīng)不適應(yīng)對(duì)它進(jìn)行描述。相對(duì)論很好地解釋了水星的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。重新認(rèn)識(shí)宇宙

隨后愛因斯坦試著用廣義相對(duì)論來考察宇宙，得到了同用牛頓力學(xué)計(jì)算完全不同的結(jié)果：當(dāng)恒星的運(yùn)行速度達(dá)到接近光速、相互距離達(dá)到上億光年時(shí)，牛頓力學(xué)已經(jīng)無法下手。從大尺度考察宇宙，得到的結(jié)果是宇宙不可能穩(wěn)定。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了牛頓力學(xué)的計(jì)算范圍。相對(duì)論得到了與牛頓力學(xué)指導(dǎo)下的經(jīng)典宇宙觀完全不同的動(dòng)態(tài)宇宙。

進(jìn)一步研究將得到令牛頓時(shí)期無法想像的一個(gè)結(jié)論：動(dòng)態(tài)宇宙必然有著起源、演化和未來。也就是說，我們的宇宙和時(shí)間有一個(gè)起點(diǎn)，并且也不一定是永恒的。這成了20世紀(jì)、也是有史以來人類對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)的最大改變。從此，相對(duì)論和天文學(xué)中的最后一個(gè)領(lǐng)域——宇宙學(xué)——相結(jié)合，指導(dǎo)了現(xiàn)代天文學(xué)近百年的發(fā)展，指導(dǎo)了今天人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

“今天我們觀測哪顆恒星或者類星體離我們多遠(yuǎn)、談?wù)摪滴镔|(zhì)和暗能量、黑洞等等，所有的一切都離不開相對(duì)論。”李競說，“愛因斯坦為我們建立了一個(gè)很好的框架，沿著他給出的道路，后世的科學(xué)家在不同的領(lǐng)域里進(jìn)一步認(rèn)識(shí)我們的這個(gè)世界。”

重審狹義相對(duì)論

相對(duì)論迫使我們接受新的空間和時(shí)間、物質(zhì)和能量的概念，這個(gè)理論在數(shù)學(xué)上直截了當(dāng)，但是聽上去卻是超現(xiàn)實(shí)主義的，因此盡管狹義相對(duì)論已經(jīng)深入現(xiàn)代物理學(xué)的每一個(gè)角落，還是有那么多人努力地試圖證明它是錯(cuò)誤的。原因有很多。哈佛大學(xué)的Gerald Gabrielse說：“如果我們發(fā)現(xiàn)可以推翻愛因斯坦理論的東西，將其應(yīng)用到物理學(xué)中，將影響到我們在各方面對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的理解。”其中一些人希望能在相對(duì)論的關(guān)鍵組成部分中發(fā)現(xiàn)微妙的缺點(diǎn)——這些缺點(diǎn)，或許能將物理學(xué)領(lǐng)入比愛因斯坦所開辟的更加陌生的領(lǐng)域。這個(gè)人群的數(shù)目還在不斷增長。

另一方面，如同19世紀(jì)末一樣，一些粒子理論學(xué)家開始感覺到，如果相對(duì)論一直正確下去，對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)家而言，“剩下的就沒有多少可以做的了”。馬薩諸塞技術(shù)學(xué)院的理論物理學(xué)家Roman Jackiw說，粒子理論學(xué)家現(xiàn)在只有一點(diǎn)點(diǎn)新鮮和具有挑戰(zhàn)性的數(shù)據(jù)可以咀嚼。

物理學(xué)家們現(xiàn)在用巨大的粒子加速器加速粒子，期望它能突破光速，從而推翻狹義相對(duì)論。他們甚至重復(fù)1887年完成的著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，期望發(fā)現(xiàn)“以太”一樣的東西。最有名的是一種被稱為“背景場”的理論，“背景場”類似于一個(gè)絕對(duì)的參考系“以太”。但正如邁克爾遜和莫雷沒有抓到任何“以太”的氣息一樣，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)者們經(jīng)過多年的反復(fù)努力，也沒有發(fā)現(xiàn)任何存在“背景場”的蛛絲馬跡。盡管有這樣那樣的努力，狹義相對(duì)論迄今為止還是紋絲未動(dòng)。

人們依然對(duì)相對(duì)論不理解

更多質(zhì)疑相對(duì)論的人，并不是因?yàn)橄Ｍ谙鄬?duì)論基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，而是因?yàn)榕ｎD力學(xué)更深入人心，并且，相對(duì)論的很多結(jié)論和我們的日常經(jīng)驗(yàn)并不一致，他們從心底里不能接受——因此想重新回到牛頓力學(xué)時(shí)代。

張?jiān)購纳鲜兰o(jì)70年代開始，一直在執(zhí)行一項(xiàng)特殊的任務(wù)：回答難以計(jì)數(shù)的、來自全國各地的質(zhì)疑相對(duì)論的信件。張?jiān)俑嬖V本刊記者：“他們提出的問題全部都可以在相對(duì)論范圍內(nèi)得到解決。他們之所以認(rèn)為相對(duì)論出現(xiàn)問題，全都是在思考問題過程中，某一環(huán)節(jié)又回到了牛頓力學(xué)的思維。”

愛因斯坦給今天的人們留下了太多的遺產(chǎn)。相對(duì)論和量子論為20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。回顧上個(gè)世紀(jì)，物理學(xué)在半導(dǎo)體、集成電路、激光、磁性、超導(dǎo)等方面的發(fā)現(xiàn)是信息革命的科學(xué)基礎(chǔ)，由物理學(xué)研究衍生的新技術(shù)和新產(chǎn)品深刻地改變了人們的生產(chǎn)方式和生活方式。它還為生物、醫(yī)療、地學(xué)、農(nóng)業(yè)提供了強(qiáng)大的探測手段和研究方法，促進(jìn)了化學(xué)、天文、材料、能源、信息等學(xué)科的發(fā)展。

當(dāng)然，愛因斯坦的遺產(chǎn)，還包括那為數(shù)眾多的、繼承了他衣缽的物理學(xué)家。