百年相对论(3)

时间:2015-11-19 11:03:17 

广义相对论面世后,爱因斯坦被世界媒体宣传成为推翻了牛顿力学体系,甚至是推翻了整个经典物理学大厦的那个人。甚至有一个故事说爱因斯坦凝望着牛顿的画像喃喃自语:“牛顿,请原谅我……”这个故事多半是杜撰,爱因斯坦未必对于牛顿建立的经典力学理论有多么深厚的感情。但在广义相对论问世100年之后,人们却发现广义相对论已经和牛顿力学一样,成为物理学体系中的一个古典理论。

在过去的100年里,物理学家们的工作都已经被限制在狭义和广义相对论的约束之内,有违相对论的理论、模型、尝试,甚至是言论都会被认为是离经叛道而很难取得成功。从这一点来说,广义相对论已经成为牛顿力学的延续,爱因斯坦在某种程度上也成为牛顿力学体系的捍卫者(他的理论可以看作对于牛顿理论基础之上的修正),成为他年轻时代最为勇于挑战的“权威”。广义相对论与牛顿经典力学有诸多的相似之处,这两个理论都是以整个宇宙为研究对象,探索物体的运动规律,以及无处不在制约一切的相互作用——引力。这种力学理论是对于古希腊先贤们哲学思想的延续,甚至可以看作对于一个古老的神学问题的回答:人类究竟有没有可能理解造物主所创造的世界?只有在这样的背景之下,我们才可能理解爱因斯坦所说:“这个世界最不可理解的就是它竟然是可以理解的。”——广义相对论在最大限度上揭示了宇宙存在的方式和原因,并且通过数学手段说明了可能并不存在一个人格化的造物主。爱因斯坦运用了最为复杂的数学方法,最为勇敢、最离经叛道的想法,最终以一种古典的方式发展了经典力学,并且成为经典力学的一部分。

广义相对论并不仅仅解释了引力的起源,更重要的是,它揭示了整个宇宙的存在形式。从宇宙的膨胀到引力塌缩引发的宇宙中的无限深渊——黑洞,乃至恒星的诞生和死亡过程,广义相对论的应用范围远远超出了爱因斯坦最初的想象。这个理论并不仅仅用来描述广阔的宇宙,它对于人类的生活也有实实在在的影响,没有根据广义相对论的修正,生活在地球上的人类就不可能使用高精度的全球定位系统GPS。

牛顿力学第一次揭示出了宇宙存在的数学本质。人们意识到,让苹果坠落到地上的规律与操纵日月星辰运动的规律竟然是一致的,而造物主所创造的这个纷繁复杂的世界居然是可以被理解的。但牛顿力学并没有彻底解决问题(牛顿本人也拒绝进一步探索引力存在的原因),它最大的局限就在于无法解释这种规律存在的原因,因此仍然需要一位进行“第一推动”的造物主。相对于牛顿力学,广义相对论不仅解释了引力现象的成因,更解释了推动整个宇宙运转的机理,引力并非只是让天体之间相互吸引,更是让整个宇宙运转起来的原因。有质量的物体之间并不只是单纯的相互吸引,质量的存在使时空扭曲。因此物体之间的相互吸引和光线的弯曲都只是表象,实际上是一切物体都在被扭曲的时空中沿着尽可能“直”的路线前进。用美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)的话来概括就是:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。”(Spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve.)正是因为广义相对论的深邃和彻底性,它带给人类无限的想象空间。一些此前远超人类想象力的天体开始出现在宇宙学家们的视野中。

1931年5月23日,牛津大学授予在牛津讲学的爱因斯坦(左二)名誉博士学位
广义相对论与量子力学

“在量子力学上我用的脑力比相对论还多。”爱因斯坦的这句话不常被人想起,就像人们经常忽略爱因斯坦除了发现狭义和广义相对论,同时也是量子力学的创始人之一。在1905年他的奇迹年,他发表的著名三篇论文之中有一篇就是首先利用光量子理论解释光电效应。

这篇后来为他赢得了诺贝尔物理奖的论文后来不常被人提起有两方面的原因:一方面在现代物理学的另一大支柱理论量子力学的诞生和发展过程中,并没有出现过一位个人英雄式的人物,爱因斯坦只是其中的一位,在量子力学星光熠熠的众多物理学家中并没有显得太过突出,而后爱因斯坦对于量子力学的态度与其他大多数量子物理学家的实用主义态度之间的分歧也越来越大,使他逐渐远离了量子力学发展的最前沿;另一方面,广义相对论与量子力学至今都存在着不可调和的矛盾,两个理论无法实现统一。在自然界的四种相互作用之中,量子力学可以描述其中的强相互作用、弱相互作用以及电磁相互作用,却始终无法对广义相对论所描述的引力进行量子化。

在爱因斯坦的晚年,他对于量子力学的“非定域性”抱有的怀疑态度逐渐加深,他认为量子力学的这种性质恰恰说明了它的不完备性,这使爱因斯坦又被打上“量子力学反对者”的标签,他作为量子力学创始人之一的身份进一步被忽略。实际上,爱因斯坦在开创广义相对论的过程中,注意力屡屡被量子力学的谜团所吸引,这也是他需要历时7年才完成了广义相对论的原因之一。在完成了广义相对论之后,爱因斯坦开始了一生中第三次孤独的探索,他用自己的余生试图通过“统一场论”把量子力学和广义相对论结合在一起,但他这个宏伟的目标即使在100年之后仍然没有完成。把现代物理学的这两大支柱理论统一起来,已经成为现在物理学研究的“圣杯”。

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