經歷世紀風雨的相對論

劉巖

創立于20世紀之初的物理學兩大理論——量子理論和相對論，是20世紀物理學大廈的基石。自愛因斯坦1905年發表描述運動相對性的論文《論動體的電動力學》至今已經過去110年，進入21世紀，相對論依然主宰著物理學的世界。

歷經世紀風雨的相對論是否會被一個全新的理論改寫？21世紀的物理學是否還會沿著相對論的足跡前行？這些都是新世紀的物理學家思考的問題。

我們不妨將視線轉到相對論的本質上來。

一、運動的相對性

伽利略認識到運動都是相對的，沒有一個預設的相對靜止的參照系，就無法定量描述運動。牛頓為了一組完美的運動定律，放棄了“運動的相對性”這一客觀事實，而設定了一個存在于自然界的“絕對參照系”。所有的運動都是相對于這個絕對參照系而言的。牛頓當然知道，他

所謂的絕對參照系在宇宙中是不存在的。但是，為了其運動定律的數學表達盡量簡單，他不得不求助于這個事實上并不存在的絕對參照系。由于有了絕對參照系，在牛頓力學中，時間和運動這兩個基本的物理量就被分割開來，它們不受任何外界因素的干擾而獨立存在。

基于這一設想，牛頓只用了4個方程就完美地描述了一個實在的力學世界。這個力學世界，統治人類的物理學長達兩個多世紀。

雖然牛頓的力學世界被歐洲學術界廣泛接受，但質疑的聲音一直存在。英國唯心主義哲學大師貝克萊就是其中最典型的代表。貝克萊1685年出生于英國基爾肯尼郡，母親是愛爾蘭人。他在《人類知識原理》一書中明確質疑了牛頓的絕對時間—空間—運動理論。后來，馬赫等人也對絕對時空觀做了哲學上的批判，認為在真實的物理世界中，運動應該是相對的。但是，馬赫的批評、質疑是在哲學層面上

展開的，并沒有從物理學角度提出符合邏輯的質疑。

法國數學家龐加萊是一個堅定的運動相對論支持者。在他的著作《科學的價值》里，他明確提出了運動相對性這一普適觀點，早于愛因斯坦發現時間、質量、速度、尺度這些基本的物理量是會隨運動改變而改變的。

但是，他本人是個數學家，物理學的基礎不是很好，所以，這些發現僅僅停留在猜想的階段，他并沒有提出一個關于運動相對性的新的物理學框架。

機遇之神降臨至愛因斯坦身上。

二、相對論的誕生

1905年，愛因斯坦將自己對運動相對性的認識寫成了論文，投給了德國著名物理學刊物《物理年鑒》。當時德國的物理學刊物稿件實行主編負責制，這份期刊的主編是量子理論的提出者普朗克。據說，他在讀完愛因斯坦的論文后，長舒一口氣，只說了這樣一句話：“一個物理學的新紀元開始了。”于是簽署意見，同意發表這篇看似結構古怪的論文。

愛因斯坦關于運動相對性的論文發表后，并沒有在歐洲大陸的物理學界引發“地震”，相反，在此后近5年的時間里，除了普朗克的幾個朋友外，很少有人拜訪他。直至1910年初，愛因斯坦才在學術機構找到位置，布拉格大學給他提供了一個教職。

1912年，在普朗克等人的推動下，相對論才逐漸傳播開來。而愛因斯坦在歐洲成為科學明星，則是1919年廣義相對論被愛丁頓等人證實以后的事。

三、相對論的本質

作為一個物理學的奠基理論，相對論究竟說了什么呢？

在牛頓的“絕對時空”背景下，一個物體不管運動至何處，一旦初始條件確知，那么，它今后在任何位置、任何時間的運動狀態都可以被預測。這個預測過程是通過一種簡單的線性變換——伽利略變換——實現的。

但是，麥克斯韋發現，光速是個奇怪的精靈，它的存在使得麥克斯韋的電動力學理論無論如何都無法實現在伽利略變換下的對稱性。當時在蘇格蘭就有學者提出，為了保證電動力學和牛頓理論的協調，也就是變換的對稱性，一些基本的物理量必須改寫，包括時間、尺度等。

但是，這些都僅僅是設想，沒有任何堅實的物理學基礎。

1905年，愛因斯坦發現，如果將光速定義為自然界的基本物理量——它不隨運動的變化而改變，那么，問題就會迎刃而解。

將光速定義為自然界最基本的物理量之后，只要承認牛頓的運動定律在電動力學中仍然有效，則只需通過已知的洛倫茲變換，就可以將牛頓力學理論和電動力學協調起來。

就這樣，愛因斯坦的狹義相對論協調了牛頓力學體系和麥克斯韋電動力學體系之間的不對稱性。

這種協調帶來的直接結果出人意料：雖然在低速運動時，這種“反常識”不被人所感知，但當運動接近光速時，一些奇異的物理學現象就發生了，如尺度明顯變小、時間變慢，也就是所謂的時間膨脹。也正因為這些奇異的現象，至今仍有人懷疑狹義相對論的普適性。

狹義相對論普適性的致命缺陷源自這個理論的基石——光速不變原理，或者說，光速是運動的極限的假設。

四、貝爾不等式與相對論

1960年，為了解決物理學中著名的悖論——EPR悖論，英國物理學家貝爾將EPR悖論寫成了一組不等式方程，只要在實驗上驗證貝爾不等式不成立，狹義相對論中光速是運動的極限的問題就可以得出否定的答案。

1978年，美國加州大學伯克利分校的物理學家柯勞瑟提出了驗證貝爾不等式的實驗方案。1982年，法國巴黎的物理學家阿斯佩也提出了一個實驗方案。

通過雙光子實驗，他們證實了在量子世界中存在粒子之間的量子糾纏，這種相互作用是超距的作用，也就是超速的作用。至此，關于運動的難題又一次擺到了當代物理學家面前。

如果說110年前的相對論只是協調了牛頓運動定律和麥克斯韋電動力學之間的不對稱，那么，在20世紀80年代新發現的量子糾纏，則將人類關于運動的理念又向前推進了一大步。在量子世界中，運動不是定域性的，而是非局域性的，這里，運動可以超越空間，更可以超光速，這無疑是對相對論基礎的最大沖擊。

五、結語

科學的進步總是表現為新的理論替代舊的理論。

經歷世紀風雨的相對論，在20世紀80年代發現的量子糾纏現象下，已經暴露出了嚴重的缺陷。這種新的不對稱深層的物理機制是什么，至今仍沒有答案。但是，這也正是新世紀物理學新的突破口。

相信一旦量子糾纏現象得到解釋，一個超越相對論的新的運動學理論將會出現。