經(jīng)歷世紀(jì)風(fēng)雨的相對(duì)論

劉巖

創(chuàng)立于20世紀(jì)之初的物理學(xué)兩大理論——量子理論和相對(duì)論，是20世紀(jì)物理學(xué)大廈的基石。自愛因斯坦1905年發(fā)表描述運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》至今已經(jīng)過去110年，進(jìn)入21世紀(jì)，相對(duì)論依然主宰著物理學(xué)的世界。

歷經(jīng)世紀(jì)風(fēng)雨的相對(duì)論是否會(huì)被一個(gè)全新的理論改寫？21世紀(jì)的物理學(xué)是否還會(huì)沿著相對(duì)論的足跡前行？這些都是新世紀(jì)的物理學(xué)家思考的問題。

我們不妨將視線轉(zhuǎn)到相對(duì)論的本質(zhì)上來。

一、運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性

伽利略認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的，沒有一個(gè)預(yù)設(shè)的相對(duì)靜止的參照系，就無法定量描述運(yùn)動(dòng)。牛頓為了一組完美的運(yùn)動(dòng)定律，放棄了“運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性”這一客觀事實(shí)，而設(shè)定了一個(gè)存在于自然界的“絕對(duì)參照系”。所有的運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)于這個(gè)絕對(duì)參照系而言的。牛頓當(dāng)然知道，他

所謂的絕對(duì)參照系在宇宙中是不存在的。但是，為了其運(yùn)動(dòng)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)盡量簡(jiǎn)單，他不得不求助于這個(gè)事實(shí)上并不存在的絕對(duì)參照系。由于有了絕對(duì)參照系，在牛頓力學(xué)中，時(shí)間和運(yùn)動(dòng)這兩個(gè)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(dú)立存在。

基于這一設(shè)想，牛頓只用了4個(gè)方程就完美地描述了一個(gè)實(shí)在的力學(xué)世界。這個(gè)力學(xué)世界，統(tǒng)治人類的物理學(xué)長達(dá)兩個(gè)多世紀(jì)。

雖然牛頓的力學(xué)世界被歐洲學(xué)術(shù)界廣泛接受，但質(zhì)疑的聲音一直存在。英國唯心主義哲學(xué)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(shí)原理》一書中明確質(zhì)疑了牛頓的絕對(duì)時(shí)間—空間—運(yùn)動(dòng)理論。后來，馬赫等人也對(duì)絕對(duì)時(shí)空觀做了哲學(xué)上的批判，認(rèn)為在真實(shí)的物理世界中，運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是相對(duì)的。但是，馬赫的批評(píng)、質(zhì)疑是在哲學(xué)層面上

展開的，并沒有從物理學(xué)角度提出符合邏輯的質(zhì)疑。

法國數(shù)學(xué)家龐加萊是一個(gè)堅(jiān)定的運(yùn)動(dòng)相對(duì)論支持者。在他的著作《科學(xué)的價(jià)值》里，他明確提出了運(yùn)動(dòng)相對(duì)性這一普適觀點(diǎn)，早于愛因斯坦發(fā)現(xiàn)時(shí)間、質(zhì)量、速度、尺度這些基本的物理量是會(huì)隨運(yùn)動(dòng)改變而改變的。

但是，他本人是個(gè)數(shù)學(xué)家，物理學(xué)的基礎(chǔ)不是很好，所以，這些發(fā)現(xiàn)僅僅停留在猜想的階段，他并沒有提出一個(gè)關(guān)于運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的新的物理學(xué)框架。

機(jī)遇之神降臨至愛因斯坦身上。

二、相對(duì)論的誕生

1905年，愛因斯坦將自己對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的認(rèn)識(shí)寫成了論文，投給了德國著名物理學(xué)刊物《物理年鑒》。當(dāng)時(shí)德國的物理學(xué)刊物稿件實(shí)行主編負(fù)責(zé)制，這份期刊的主編是量子理論的提出者普朗克。據(jù)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(gè)物理學(xué)的新紀(jì)元開始了?！庇谑呛炇鹨庖?，同意發(fā)表這篇看似結(jié)構(gòu)古怪的論文。

愛因斯坦關(guān)于運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的論文發(fā)表后，并沒有在歐洲大陸的物理學(xué)界引發(fā)“地震”，相反，在此后近5年的時(shí)間里，除了普朗克的幾個(gè)朋友外，很少有人拜訪他。直至1910年初，愛因斯坦才在學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)找到位置，布拉格大學(xué)給他提供了一個(gè)教職。

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

三、相對(duì)論的本質(zhì)

作為一個(gè)物理學(xué)的奠基理論，相對(duì)論究竟說了什么呢？

在牛頓的“絕對(duì)時(shí)空”背景下，一個(gè)物體不管運(yùn)動(dòng)至何處，一旦初始條件確知，那么，它今后在任何位置、任何時(shí)間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都可以被預(yù)測(cè)。這個(gè)預(yù)測(cè)過程是通過一種簡(jiǎn)單的線性變換——伽利略變換——實(shí)現(xiàn)的。

但是，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，光速是個(gè)奇怪的精靈，它的存在使得麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)理論無論如何都無法實(shí)現(xiàn)在伽利略變換下的對(duì)稱性。當(dāng)時(shí)在蘇格蘭就有學(xué)者提出，為了保證電動(dòng)力學(xué)和牛頓理論的協(xié)調(diào)，也就是變換的對(duì)稱性，一些基本的物理量必須改寫，包括時(shí)間、尺度等。

但是，這些都僅僅是設(shè)想，沒有任何堅(jiān)實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)。

1905年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，如果將光速定義為自然界的基本物理量——它不隨運(yùn)動(dòng)的變化而改變，那么，問題就會(huì)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(rèn)牛頓的運(yùn)動(dòng)定律在電動(dòng)力學(xué)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(xué)理論和電動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)起來。

就這樣，愛因斯坦的狹義相對(duì)論協(xié)調(diào)了牛頓力學(xué)體系和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)體系之間的不對(duì)稱性。

這種協(xié)調(diào)帶來的直接結(jié)果出人意料：雖然在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種“反常識(shí)”不被人所感知，但當(dāng)運(yùn)動(dòng)接近光速時(shí)，一些奇異的物理學(xué)現(xiàn)象就發(fā)生了，如尺度明顯變小、時(shí)間變慢，也就是所謂的時(shí)間膨脹。也正因?yàn)檫@些奇異的現(xiàn)象，至今仍有人懷疑狹義相對(duì)論的普適性。

狹義相對(duì)論普適性的致命缺陷源自這個(gè)理論的基石——光速不變?cè)?，或者說，光速是運(yùn)動(dòng)的極限的假設(shè)。

四、貝爾不等式與相對(duì)論

1960年，為了解決物理學(xué)中著名的悖論——EPR悖論，英國物理學(xué)家貝爾將EPR悖論寫成了一組不等式方程，只要在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證貝爾不等式不成立，狹義相對(duì)論中光速是運(yùn)動(dòng)的極限的問題就可以得出否定的答案。

1978年，美國加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家柯勞瑟提出了驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)方案。1982年，法國巴黎的物理學(xué)家阿斯佩也提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案。

通過雙光子實(shí)驗(yàn)，他們證實(shí)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(guān)于運(yùn)動(dòng)的難題又一次擺到了當(dāng)代物理學(xué)家面前。

如果說110年前的相對(duì)論只是協(xié)調(diào)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)之間的不對(duì)稱，那么，在20世紀(jì)80年代新發(fā)現(xiàn)的量子糾纏，則將人類關(guān)于運(yùn)動(dòng)的理念又向前推進(jìn)了一大步。在量子世界中，運(yùn)動(dòng)不是定域性的，而是非局域性的，這里，運(yùn)動(dòng)可以超越空間，更可以超光速，這無疑是對(duì)相對(duì)論基礎(chǔ)的最大沖擊。

五、結(jié)語

科學(xué)的進(jìn)步總是表現(xiàn)為新的理論替代舊的理論。

經(jīng)歷世紀(jì)風(fēng)雨的相對(duì)論，在20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的量子糾纏現(xiàn)象下，已經(jīng)暴露出了嚴(yán)重的缺陷。這種新的不對(duì)稱深層的物理機(jī)制是什么，至今仍沒有答案。但是，這也正是新世紀(jì)物理學(xué)新的突破口。

相信一旦量子糾纏現(xiàn)象得到解釋，一個(gè)超越相對(duì)論的新的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論將會(huì)出現(xiàn)。