相对论世纪

2017-10-11 05:15

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  广义相对论之后,爱因斯坦也过了他最具创造力的巅峰时期。他的确如他自己所感到的那样,变得和固执起来。

  写这组文章时,时常遥想100年前的这个时候,阿尔伯特爱因斯坦正埋首市区的公寓里,连续四个星期紧张而疯狂的工作,焦虑、疲惫,着胃痛的,与身体都处于历史上罕见的科学创造力密集爆发的阵痛中,就感到时间史诗般的分量。

  在1915年的那个11月,他连着四周在普鲁士科学院做了四次,开始前,甚至开始后,他都还在紧张地忙于修正他的理论。11月4日、11月11日,每一次都离他所追寻的正确答案更近一步。11月18日,他宣布了对水星近日点运动的计算结论,并利用修正后的新理论计算了光线日,他发表了题为“引力场方程”的,提出了一套紧凑而优雅的方程,广义相对论诞生了。这个简洁的等式,讲述了“物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动”。空间、时间、物质和能量于是成了不断演化的中的舞者,而相对论为它们提供了舞蹈设计。那一年,爱因斯坦36岁,正处在那个人类群星闪耀的时代里,一个理论物理学家达到自身创造力巅峰的最好年纪。

  斯蒂芬茨威格曾写道:“艺术家与科学家创造的重要的一切,恒久的一切,总是只在罕有的充满灵感的时刻完成的。在歌德地称之为神秘的作坊的历史里,平淡无奇、无足轻重之事多如牛毛。这里,莫测、令人难忘的时刻至为罕见。她往往仅仅作为编年史家,漠然而不懈地罗列一个事实,一环又一环地套上那纵贯数千年的巨大链条。因为绷紧的链条也要有准备的时间,真正的事件均有待于发展。向来是:一个民族,千百万人里面才出一个天才;人数百万个闲暇的小时流逝过去,方始出现一个真正的历史性时刻。无比丰富的事件集中发生在极短的时间里,一如整个太空的电流聚集于避雷针的尖端。平素缓慢地先后或平行发生的事件,凝聚到决定一切的唯一瞬间。”1915年的11月,爱因斯坦创造和经历了这样一个美妙的、决定性的瞬间,尽管他正处理着第一次婚姻的解体并身处第一次世界大战。历史性的时刻至为罕见,因此在此后的100年里,追溯那个时刻迸发之前的链条,探寻爱因斯坦生平的著作汗牛充栋,仿佛正是在他成长、生活、社交与智识氛围的日常的细枝末节中,蕴含着创造力的源泉。

  有趣的是,人们对爱因斯坦其人的熟悉程度,大概远远超过了对他的相对论的熟悉程度。就如100年前,人们理解他高深理论的水平和拥抱他的热情之间,存在着巨大的鸿沟一样那个时候的不无道理地臆想,世界上能够理解广义相对论的伟人不超过12个。我们尽可以津津乐道地谈论爱因斯坦年轻时离经叛道和超然世外的性格,打趣与他的天才相伴的各种怪异言行,议论他的两次婚姻和数次风流韵事,揣摩他对古典音乐的喜好,细数他与20世纪上半叶众多、文化与科学的交往与友谊,讨论他的和平主义、身份认同,以及他在美国制造决策中扮演的角色,我们以此接近了他的物理学理论。直到我读到大约100年前一位《考察家报》的记者在采访爱因斯坦后写下的一段话,他的诚实让我产生了共鸣。他用第三人称写道:“记者回过神时,徒劳地试图用三维的火柴点燃一支三维的烟斗。他开始明白,这个二维的生命体正是他自己。他远不是第13个能够理解这一理论的伟人,他从此以后沦为生活在城镇、开着福特汽车的一个普通大众。”当爱因斯坦成为一个家喻户晓的国际超级科学明星后,他慢慢学会了自如面对和异常泛滥和空洞的无聊提问,明白了只需带着机智和幽默感回应廉价的笑话,就能博得他们的满堂彩。以至于他曾感到,盛名之下,他变得愚蠢;甚至曾担心,自己是一个终会坐牢的骗子。他无释对他的拥戴和,于是不无尖刻地说,连基本不关心科学的人都对自己如此感兴趣,“似乎与心理病理学有关”。

  有一些解读,充满着人的魅力,却又时常令人费解。比如,英国大学的实验物理学教授布莱恩福斯特就曾以音乐为媒介,介绍爱因斯坦所爱的古典音乐与他的空间、时间及演变观念的联系。音乐的结构与节奏,与物理学中的结构和节奏有一些融会贯通之处:莫扎特的小提琴奏曲似乎与爱因斯坦未曾解决的统一场理论有某种联系,音乐中的秩序感则接近于数学的美感。然而,音乐在爱因斯坦提出相对论的创造力中是否扮演了催化剂角色,并没有。

  又比如,伦敦大学学院科学史学家、世界的爱因斯坦研究专家阿瑟I.米勒曾探讨过爱因斯坦的相对论与毕加索的立体主义绘画之间的联系。在他那本名为《爱因斯坦毕加索:空间、时间和动魄之美》的书中,他像测定原子粒子的轨迹一样勾勒出爱因斯坦与毕加索的平行传记,想在恰逢其时在同一个历史时刻变革了时空概念的两股卓越创造力之间找到智识与心灵的纽带与交汇。也许最终还是现代主义诞生的时间节点说明了全部的纽带:1905年爱因斯坦发表狭义相对论,1907年毕加索创作《阿维尼翁少女》,1908年闵可夫斯基正式提出四维空间连续性概念,1909年未来主义诞生。艺术评论家们为这些流派著书立说,寻求物理学与艺术交错发展的理论交点,使得在那个时代里,“物理学成了画家们的大脑,画布成了物理学家们的眼睛”。爱因斯坦带着质疑打量着这种联系。他曾解释相对论与立体主义的关系说:物理学相对论和庸俗相对论之间的差别非常简明,“相对论的本质被错误地理解了。我承认这种错误在于将相对论通俗化的尝试。对一个既定事实状态的描述,人们几乎总是仅仅使用一个坐标系。相对论仅仅说明,普遍规律是,它们的形式不依赖于坐标系的选择。这种新的艺术语言与相对论没有任何共同之处”。

  广义相对论诞生4年后的1919年,英国天文学家阿瑟爱丁顿带领观测队在巴西北部亚马孙丛林中的索布拉和几内亚湾普林西比岛的日食观测,部分验证了爱因斯坦的理论。日食观测的结果宣布以后,爱因斯坦才从一位只在科学圈有些名气的人物,成为世界各大的头条。但即使是到了20世纪20年代,物理学界对爱因斯坦未得到更多实验证明的相对论,仍抱有怀疑,甚至拒斥,认为它更多属于哲学和认识论范畴,而不是物理科学。

  100年后的今天,我们已能比一个世纪前的人们更毋庸置疑地知道相对论的正确,也能比一个世纪前的人们更能欣赏它的与奇迹。20世纪60年代,一些天文学观测的结果表明,中确实存在着引力塌缩所产生的,这种会一切的神奇得到了观测,成为广义相对论的又一次胜利。现在学家们相信,在内大约存在着一亿个由燃烧殆尽的死亡恒星发生引力塌缩而形成的黑洞,也正是一些巨型黑洞和弥漫在星系中的暗物质维系住了整个星系。1936年,爱因斯坦曾推导,引力可以使光线弯曲,那么在中,物质可以起到透镜的作用,也就是“引力透镜”。直到1979年,人类才第一次观测到了他所预言的这种现象。目前人类发现的中最大的引力透镜之一,距离地球大约有40亿光年的距离。学家们在地球上通过这个透镜回望过去,可以看到130亿年前诞生之初,那些最终形成了星系的种子。在这个引力、质量、时间和空间交互作用形成的中,引力透镜成为人类回望发展历史的放大镜。今天,广义相对论的应用范围远远超出了爱因斯坦最初的想象。比如,没有它的修正,人类就不可能使用高精度的全球定位系统GPS。实际上,当我们通过摄像机捕捉影像,放映动作片的视觉声带,利用光纤电缆通电话时,我们都应感谢爱因斯坦,他已经如此直接和广泛地进入了我们的日常生活。从这个意义上讲,爱因斯坦和他的理论,超越了他的时代。

  极少有超越时代的天才能够在活着的时候获得爱因斯坦那样的盛名。回望100年前的智识氛围,有一种接纳相对论的时代心理,美丽地误会了爱因斯坦。第一次世界大战的恐怖,欧洲社会阶层的崩溃,经典物理学的,似乎都指向了不确定性。在知识上,它意味着不再以建筑师或工程师的方式去了解,即以律和自然律的框架,用和科学方法的可靠工具去建造的思维方式。在资产阶级世界的思想中,17世纪以来的静态结构,不仅产生了感和可预测性,也造成了悖论式的转型,从内部产生崩溃,“进步”产生了不可预测和无解的后果。而在实验物理学所引领的工业社会中,人们发现自己越来越冷漠地避开真正与人性有关的问题,成为机械体系“渺小、不相关的旁观者”。社会心理发生了普遍危机,它迅速把相对论通俗地解读为对不确定性的物理学证明,摘取其并非本意的隐喻,融会进20世纪初对真理和价值客观性充满怀疑的文化叙事中。

  这恰恰与爱因斯坦的看法相反。作为斯宾诺莎哲学思想的者,爱因斯坦具有绝对的。广义相对论问世100年之后,人们发现,广义相对论已和牛顿力学一样,成为物理学体系中的一个古典理论。广义相对论与牛顿经典力学,都是以整个为研究对象,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,甚至可以看作是对于一个古老的问题的回答:人类究竟有没有可能理解造物主所创造的世界?

  1952年,爱因斯坦的生命已近黄昏之时,他在给密友莫里斯索洛文的一封信中写道:“我将世界的可理解性,看作是一个奇迹或者一个之谜。只有在人类有序介入的范围内,我们才能够认为这个世界是有规律的,就像是人类语词中字母的排列一样有序。即便理论中的是人类提出的,但这项事业的成功确实暗示了客观世界的高度有序;人类并没有理由先验地料想它就是如此。这就是奇迹的含义,随着人类知识的发展,它甚至会不断增强。”他总结道:“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了存在的方式和原因,并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。相对论所表明的时空规律是不变的、绝对的,而不是相对的。

  广义相对论之后,爱因斯坦也过了他最具创造力的巅峰时期。他的确如他自己所感到的那样,变得和固执起来。他量子力学,经年累月地尝试提出一种统一场论,想将量子力学纳入一种更加决的框架,但最终没有成功。他一生都抵制着量子力学领域的概率和不确定性的观念。他曾说:“一个于辐射的电子竟然会凭借其意志,不仅选择跃迁的瞬间,而且选择它的方向,我认为这种思想是不可的。要是这样,我宁愿当皮匠,甚至是赌场中的雇员,也不愿做物理学家。”将相对论曲解为终结了自然的确定性和绝对性的人,在这里,便能得到爱因斯坦的回应。在他看来,相对论导向的是基于四维空间结构的对确定性和绝对性的更深刻描述。而正是他对确定性和绝对性的,推动了他终其余生也未成功的统一场论的求索。

  一个世纪以后,广义相对论与量子力学的对抗和融合,依然是物理学研究的主要课题。

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