騷亂中的世界第一重:相對(duì)論

■ 嚴(yán)小平

盡管牛頓引力平方反比定律幫助天文學(xué)家成功地預(yù)測(cè)到海王星的存在，但直到19世紀(jì)末，牛頓定律仍然無(wú)法給出圓滿的答案，而且在水星軌道上也發(fā)現(xiàn)了擾動(dòng)。直到1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了他的廣義相對(duì)論，才有了對(duì)這些不規(guī)則現(xiàn)象的解釋。愛(ài)因斯坦因他的理論物理學(xué)著作獲得1921年的諾貝爾獎(jiǎng)，對(duì)科學(xué)做出許多持久的貢獻(xiàn)。在2008年的一次民意調(diào)查中，他被命名為繼牛頓之后的第二大科學(xué)巨匠。

廣義相對(duì)論是引力的幾何理論，時(shí)至今日仍是所有科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。從瑞士蘇黎世理工學(xué)院畢業(yè)后，愛(ài)因斯坦活躍的思想忙于永無(wú)休止的理論。1905年，他發(fā)表了后來(lái)被稱為狹義相對(duì)論的論文。

1827年，蘇格蘭植物學(xué)家羅伯特·布朗（1773—1858）注意到池塘里的很小的植物形式有一種不停的、隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)。他用像塵埃這樣的無(wú)生命物質(zhì)做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它也以今天被稱為隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)。布朗無(wú)法解釋導(dǎo)致這種運(yùn)動(dòng)的原因，直到20世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦證明了原子的存在，并把這種力歸因于原子。早在公元前60年，羅馬哲學(xué)家、詩(shī)人盧克萊修（公元前99—公元前55）就描述過(guò)罩在一束陽(yáng)光中粉塵粒子的這種運(yùn)動(dòng)，并把它歸結(jié)為原子的運(yùn)動(dòng)。和所有古典哲學(xué)家一樣，盧克萊修從想象力和理想上下工夫，但至少他在這個(gè)描述中使用了經(jīng)驗(yàn)觀察。

盡管在今天看來(lái)似乎難以置信，但那時(shí)確實(shí)有許多科學(xué)家直到20世紀(jì)初，都還不相信原子的存在?？梢赃@樣來(lái)解釋?zhuān)鹤怨乓詠?lái)，自然哲學(xué)家就認(rèn)為，“自然中的基礎(chǔ)要件不可約”是基本原則。對(duì)大多數(shù)希臘觀察者來(lái)說(shuō)，著名的四個(gè)要件是：土、水、火和空氣。19世紀(jì)的哲學(xué)家試圖加入各種各樣的第五要件——燃素、以太等——來(lái)解釋自然現(xiàn)象，但很快就被證明這些東西并不支持原子科學(xué)。早在化學(xué)家、生物學(xué)家安東尼·拉瓦錫（1743—1794）的研究中，就有了原子的可靠證據(jù)。拉瓦錫摒棄了物質(zhì)理論的古代遺風(fēng)（燃素類(lèi)似希臘語(yǔ)“火”元素），發(fā)現(xiàn)了氧和氫。這二種元素以前就被看做是元素（水和空氣）。19世紀(jì)初，當(dāng)波伊爾用水做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，從水中生成了氧和氫，在當(dāng)代一般思想者心目中，不知怎么就把水換成了水和空氣。波伊爾自己相信，還有更多的元素，而氧和氫就在其中，但要認(rèn)定元素就跟原子一樣，還得再花幾十年的時(shí)間。

拒絕相信原子，實(shí)際上反映了科學(xué)界的又一次分裂。還記得那一次大飛躍嗎？16世紀(jì)，正是開(kāi)普勒把物理學(xué)和天文學(xué)融合在一起，不也有一半的自然哲學(xué)家拒絕接受嗎？1900年，在我稱為望遠(yuǎn)鏡科學(xué)（天文學(xué)、物理學(xué)等等）和顯微鏡科學(xué)（化學(xué)、植物學(xué)等等）之間仍有一次重大的分離。

1869年，俄羅斯化學(xué)家門(mén)捷列夫（1834—1907）發(fā)表了第一張完整的元素周期表。雖然后來(lái)有許多改進(jìn)，但他的元素周期表仍被認(rèn)為是宇宙的平面圖。門(mén)捷列夫意識(shí)到某種重復(fù)出現(xiàn)的模式，增加了亞原子粒子的數(shù)量。從根本上說(shuō)，每個(gè)原子都有一個(gè)帶有至少一個(gè)質(zhì)子的原子核，運(yùn)載著一個(gè)正電荷和一個(gè)包含至少一個(gè)電子的外罩。一個(gè)元素的同位素依電磁式中性粒子的數(shù)量而變化，這些中性粒子叫做中子，也許在原子核旁邊。

愛(ài)因斯坦力圖證明原子的存在。在此過(guò)程中，他依賴許多其他人的工作。

17世紀(jì)30年代，教皇烏爾班八世試圖減輕貝拉明和法庭的壓力，要求伽利略寫(xiě)一篇論文，對(duì)日心說(shuō)和地心說(shuō)保持中立的立場(chǎng)，不偏向任何一方。伽利略在地心的位置把教皇畫(huà)成一個(gè)傻瓜，把事情搞砸了。然后他以同樣的方式逐一疏遠(yuǎn)了所有耶穌教士，在軟禁中度過(guò)他的余生。就在他論文的一個(gè)部分里，提出了我們今天稱為伽利略相對(duì)論或不定式的理論。伽利略從邏輯上證明，如果一艘船駛過(guò)平靜的水域，甲板下的人無(wú)法知道船是否在移動(dòng)。船的概念可以理想地或抽象地看做“參考的慣性坐標(biāo)系”，它同這艘船周?chē)蟮膮^(qū)域有關(guān)。牛頓力學(xué)中的慣性坐標(biāo)系是相對(duì)于絕對(duì)空間的等速運(yùn)動(dòng)中的參考坐標(biāo)系，由此發(fā)展出我們今天稱之為經(jīng)典力學(xué)或牛頓力學(xué)，或牛頓相對(duì)論的理論。它假定：①空間是一個(gè)絕對(duì)框架，牛頓定律在這個(gè)框架中是真實(shí)的；②空間所有慣性參照系享有統(tǒng)一的、通用的時(shí)間。

如果我們想要知道二個(gè)慣性參照系相互如何關(guān)聯(lián)，在牛頓模型中我們會(huì)應(yīng)用它們周?chē)I(lǐng)域的外尺度。如果在大西洋和太平洋里各有一艘相同的船以同樣的速度向同樣的方向行駛，那么，它們彼此就經(jīng)過(guò)了距離和時(shí)間的同一尺度。這就叫做伽利略轉(zhuǎn)換。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（1831—1879）是一位蘇格蘭數(shù)學(xué)家和理論物理學(xué)家。他把所有已知電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)綜合成經(jīng)典電磁論。他描述了所有這些現(xiàn)象如何相互作用的四個(gè)方程式，即經(jīng)典麥克斯韋方程式。他說(shuō)明了電場(chǎng)和磁場(chǎng)以波的形式在空間傳播。1864年，他提出了光的波動(dòng)理論，并斷言光速是有限的。然而，他的方程式對(duì)伽利略牛頓的相對(duì)論模型，卻制造了理論上的難題。

荷蘭物理學(xué)家洛倫茲（1853—1928）發(fā)表了一系列轉(zhuǎn)變理論，這些轉(zhuǎn)變建立在這樣的基礎(chǔ)上：在不同慣性參照系中的旅行者經(jīng)歷不同，只有用相對(duì)論性轉(zhuǎn)換才能相互理解。這為愛(ài)因斯坦時(shí)空結(jié)合的假設(shè)鋪平了道路。在這個(gè)假設(shè)中，時(shí)間隨局部框架或觀測(cè)者轉(zhuǎn)移。

愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的主要成果是：①光速在所有框架中都將被處理為一個(gè)常數(shù)——一個(gè)有限的、精確的、不變的常數(shù)（大約300 000千米/秒）；②在所有慣性坐標(biāo)系參照之外，時(shí)間不獨(dú)立存在，也不絕對(duì)存在，因?yàn)樵跉W幾里得幾何學(xué)和伽利略系統(tǒng)中，只是一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)或每個(gè)框架的尺寸；③根據(jù)“等效性原理”，乘火車(chē)旅行的人所觀察到的物理學(xué)定理，與站在月臺(tái)上的人所觀察到的物理學(xué)定理是一樣的。

愛(ài)因斯坦在他的狹義相對(duì)論中創(chuàng)造了時(shí)空概念。當(dāng)光速不變的時(shí)候，空間和時(shí)間不再是脫離的，而是相互聯(lián)系的量。在不同參考坐標(biāo)系的觀察者可能看見(jiàn)同樣的事物，但觀察到的現(xiàn)象卻是不同的——一個(gè)可能看見(jiàn)了較多的時(shí)間和較少的空間，另一個(gè)卻看見(jiàn)了較少的時(shí)間和較多的空間。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，二個(gè)觀察者相互觀察。比方說(shuō)，他們是雙胞胎。他們從不同的坐標(biāo)系相互看著，相互揮手，然后他們看看自己的手表。當(dāng)他們相互看著的時(shí)候，一個(gè)可能看見(jiàn)了一個(gè)高個(gè)子，他的手表過(guò)去了5秒。另一個(gè)雙胞胎看見(jiàn)一個(gè)矮個(gè)子，在同樣的時(shí)間里他的手表過(guò)去了6秒。從某種意義上說(shuō)，這是一個(gè)守恒定律：較少的時(shí)間，較多的空間；較多的時(shí)間，較少的空間；在二個(gè)觀察坐標(biāo)系中，時(shí)空的絕對(duì)量是一樣的。

然而，愛(ài)因斯坦并不因此滿足。他想建立其他的因素，就像重力一樣，寫(xiě)進(jìn)他的理論。1915年，他發(fā)表了廣義相對(duì)論，擴(kuò)展了他在1905年的概念，包括彎曲時(shí)空。在彎曲時(shí)空中，重力是由于有質(zhì)量的物質(zhì)存在而產(chǎn)生的一種局部現(xiàn)象。由于有這個(gè)特殊的理論，宇宙的定律不變，這個(gè)結(jié)構(gòu)要么是真空，要么是臨近一顆巨星的彎曲時(shí)空。它的作用之一是，光在經(jīng)過(guò)一個(gè)巨大的物體的時(shí)候會(huì)彎曲（紅移）。另一個(gè)作用是，由于這個(gè)框架更深地滲透到巨大的引力槽里，時(shí)間會(huì)減慢。

在20世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦并不是唯一“興風(fēng)作浪”的人。在考慮他怎樣把我們?nèi)紟Щ氐酱蟊ɡ碚摚郊铀倥蛎浀挠钪嬗蚓薮蟮奈粗?，讓我們?lái)看看另外二重重大打擊。