跨越時(shí)空的旅程

把相對(duì)論僅看成是新引力理論是不夠的。歸根結(jié)底，相對(duì)論屬于時(shí)空科學(xué)。愛(ài)因斯坦的不朽貢獻(xiàn)之一，就在于發(fā)現(xiàn)了時(shí)空是可變的、運(yùn)動(dòng)的。但時(shí)空更為神奇的屬性還深藏在人們的思想之外。如果可以認(rèn)定UFO屬于智慧文明的產(chǎn)物，那么它就應(yīng)該同時(shí)屬于與時(shí)空深層次屬性相融合的結(jié)晶；換句話說(shuō)，探索UFO之謎的本質(zhì)就是探索時(shí)空之謎。本文以獨(dú)特的視角，追溯并闡釋了愛(ài)因斯坦不尋常的時(shí)空發(fā)現(xiàn)之路。

盡管百年來(lái)不乏激烈的挑戰(zhàn)與質(zhì)疑，愛(ài)因斯坦的智慧光芒依然穿透了21世紀(jì)的天穹，猶如璀璨的星斗照耀著彎曲時(shí)空中的地球。雖然哈勃望遠(yuǎn)鏡使人類(lèi)在深邃宇宙中的視野幾乎趨向極限，但統(tǒng)治著時(shí)空王國(guó)遼闊疆域的依然是相對(duì)論，現(xiàn)代物理學(xué)的皇冠依然屬于睿智過(guò)人的愛(ài)因斯坦。

這就是2005國(guó)際物理年所面對(duì)的一幕生動(dòng)的現(xiàn)代科學(xué)場(chǎng)景。

追憶國(guó)際物理年，回蕩著青年一代科學(xué)激情的光信號(hào)環(huán)球傳遞固然令人難忘，但人們也需要找準(zhǔn)突破口，實(shí)實(shí)在在地推動(dòng)物理學(xué)特別是時(shí)空科學(xué)的研究進(jìn)程，這才是人們向愛(ài)因斯坦這位科學(xué)偉人表達(dá)崇高敬意的最好方式。

人們都在期盼著下一個(gè)愛(ài)因斯坦。其實(shí)，愛(ài)因斯坦既是一種偉大事業(yè)的化身，也是一種探索精神的象征。就前者而言，我們無(wú)人可以望其項(xiàng)背；但就后者而言，只要堅(jiān)持鍥而不舍的求知態(tài)度，那么每個(gè)人都會(huì)有機(jī)會(huì)分享到愛(ài)因斯坦這種不朽的探索精神的。

從狹義相對(duì)論到廣義相對(duì)論，體現(xiàn)了愛(ài)因斯坦時(shí)空觀點(diǎn)的動(dòng)態(tài)深化過(guò)程

時(shí)空問(wèn)題始終是人們認(rèn)識(shí)種種復(fù)雜物理現(xiàn)象的根基所在。愛(ài)因斯坦所創(chuàng)立的相對(duì)論以高屋建瓴的氣勢(shì)、石破天驚的見(jiàn)地，徹底打破了200余年間禁錮人們頭腦的絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間的傳統(tǒng)觀念，向人們展示出一幅夢(mèng)幻般的光速世界與幾何時(shí)空的嶄新圖景，為人類(lèi)時(shí)空觀念的變革開(kāi)拓了前所未有的非凡境界。

人類(lèi)時(shí)空觀念的演變自發(fā)端就是一部宇宙觀念演變史。在牛頓之前，人類(lèi)時(shí)空觀念的演變大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：一是以神話傳說(shuō)為特征的演變階段(如中國(guó)有盤(pán)古開(kāi)天辟地等神話)，二是以地心說(shuō)為特征的演變階段(以希臘人托勒密為代表人物)，三是以日心說(shuō)為特征的演變階段(以波蘭人哥白尼為代表人物)。

牛頓則把人類(lèi)時(shí)空觀念帶入到以絕對(duì)時(shí)空說(shuō)為特征的演變階段。此間人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)尚未脫離太陽(yáng)系范圍。牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中申明：“絕對(duì)空間由于它的本性以及它同外界事物無(wú)關(guān)，它永遠(yuǎn)是等同的和不動(dòng)的……絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，并且由于它的本性而均勻地、同任何一種外界事物無(wú)關(guān)地流逝著。”牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀囿于經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識(shí)，雖然符合人類(lèi)的直觀感覺(jué)，但在本質(zhì)上是有悖于物理世界的客觀本性的，其根本缺陷就在于割斷了空間、時(shí)間、物體運(yùn)動(dòng)之間的必然聯(lián)系。

作為突破牛頓理論局限性的第一步，愛(ài)因斯坦在1905年發(fā)表了《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》。在這篇開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)物理學(xué)新時(shí)代的論文中，愛(ài)因斯坦極其機(jī)智而巧妙地從兩方面打開(kāi)了修正牛頓經(jīng)典力學(xué)的突破口：一方面以相時(shí)性原理取代了牛頓力學(xué)中關(guān)于絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間等的概念；另一方面又以真空中光速保持恒定的公理取代了牛頓力學(xué)中引力速度無(wú)限大的假設(shè)。

然而狹義相對(duì)論成功創(chuàng)立后，愛(ài)因斯坦并不滿意。認(rèn)為狹義相對(duì)論對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀念的否定遠(yuǎn)非徹底。他在晚年對(duì)此總結(jié)說(shuō)：“如同在經(jīng)典力學(xué)中一樣，在狹義相對(duì)論中，空間也是表述物理實(shí)在的一個(gè)獨(dú)立部分。”他坦言，“狹義相對(duì)論的這個(gè)剛性四維空間，在某種程度上類(lèi)似于洛倫茲的剛性三維以太，只不過(guò)它是四維的罷了”。

在狹義相對(duì)論中，物體運(yùn)動(dòng)的空間背景既是真空態(tài)也是物理態(tài)。如果說(shuō)空間背景的真空態(tài)是理論假設(shè)的需要，那么空間背景的物理態(tài)卻是牛頓力學(xué)觀點(diǎn)的殘留。

狹義相對(duì)論雖然使牛頓的剛性時(shí)間變成了彈性時(shí)間，并通過(guò)物體運(yùn)動(dòng)速度的紐帶作用，把牛頓力學(xué)中孤立存在的時(shí)間、空間及物體運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系到了一起，但既然狹義相對(duì)論仍把空間看成是“表述物理實(shí)在的一個(gè)獨(dú)立部分”，那也就表明狹義相對(duì)論與經(jīng)典力學(xué)在時(shí)空觀念上依然藕斷絲連，并未自成一家。就像經(jīng)典力學(xué)把空間當(dāng)成盛滿以太的剛性容器一樣，狹義相對(duì)論也還是把空間當(dāng)成剛性容器，只不過(guò)倒掉了以太而已。

愛(ài)因斯坦反復(fù)思考了近十年的時(shí)間，終于使自己的理論在時(shí)空觀念上完全擺脫了經(jīng)典力學(xué)的羈絆。1916年，愛(ài)因斯坦走出了突破牛頓理論局限性的第二步，發(fā)表了《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》。愛(ài)因斯坦晚年對(duì)此進(jìn)行了追述，“廣義相對(duì)論的起因主要是力圖對(duì)慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的同等性有所了解”。正是從證明慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等效原理出發(fā)，愛(ài)因斯坦將相對(duì)性原理從慣性系推廣到非慣性系，從而成功地創(chuàng)立了以幾何引力為核心觀點(diǎn)的廣義相對(duì)論(其引力方程已提前于1915年發(fā)表)。借助于幾何引力這個(gè)新觀點(diǎn)，廣義相對(duì)論徹底改變了狹義相對(duì)論中時(shí)空的剛性屬性，從而使得愛(ài)因斯坦的相對(duì)時(shí)空觀與牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，真正做到?jīng)芪挤置鳌?/p>

經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空是充滿了以太的剛性時(shí)空，狹義相對(duì)論的時(shí)空是清除了以太的剛性時(shí)空，廣義相對(duì)論的時(shí)空則是受物體質(zhì)量作用而變形的彈性時(shí)空。

有賴于以埃丁頓為首的具有無(wú)私精神的英國(guó)天文學(xué)家對(duì)光線彎曲的驗(yàn)證(1919年)，廣義相對(duì)論一舉攻破了牛頓理論的最后堡壘，贏得了有史以來(lái)物理學(xué)理論最輝煌、最激動(dòng)人心的成果。埃丁頓等人所驗(yàn)證的正是愛(ài)因斯坦關(guān)于光線偏折的預(yù)言：“以入射方式經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的光線，其曲率的估計(jì)值達(dá)到1.7”。

太陽(yáng)等天體使光線彎曲的事實(shí)，表明其時(shí)空背景也必然是彎曲的，于是人們就直接將光線彎曲稱為時(shí)空彎曲了。

時(shí)空彎曲(或稱畸變、翹曲、扭曲、卷曲以及幾何形變等)說(shuō)來(lái)神秘，其實(shí)并非那么神秘。就如同人們皺眉時(shí)眉心及額頭會(huì)出現(xiàn)皺紋，也如同地球巖層受力的擠壓會(huì)隆起形成褶皺變成高山一般；時(shí)空在受到力的作用時(shí)也難免會(huì)彎曲變形，只不過(guò)時(shí)空在我們眼里是透明無(wú)形的，因而它的凸凹不平的變化無(wú)法被我們直接察覺(jué)罷了。至于時(shí)空受到的力，則是來(lái)自天體質(zhì)量的作用力。

那么，時(shí)空彎曲是如何產(chǎn)生引力效應(yīng)的呢?

這里舉個(gè)容易模擬操作的例子吧：在平鋪的白紙上投下一顆玻璃球，玻璃球隨即會(huì)按著慣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)滾開(kāi)；但若把白紙彎曲成半圓形后再投入玻璃球，玻璃球就只能乖乖地在弧形空間里來(lái)回滾動(dòng)了。這里的情景雖非引力效應(yīng)的實(shí)質(zhì)性體現(xiàn)，但卻在一定程度上啟示我們：時(shí)空彎曲能夠產(chǎn)生限制物體運(yùn)動(dòng)的“類(lèi)經(jīng)濟(jì)學(xué)效應(yīng)”。(待續(xù))