騷亂中的世界第一重:相對論

■ 嚴小平

盡管牛頓引力平方反比定律幫助天文學家成功地預測到海王星的存在，但直到19世紀末，牛頓定律仍然無法給出圓滿的答案，而且在水星軌道上也發現了擾動。直到1915年，愛因斯坦發表了他的廣義相對論，才有了對這些不規則現象的解釋。愛因斯坦因他的理論物理學著作獲得1921年的諾貝爾獎，對科學做出許多持久的貢獻。在2008年的一次民意調查中，他被命名為繼牛頓之后的第二大科學巨匠。

廣義相對論是引力的幾何理論，時至今日仍是所有科學的標準。從瑞士蘇黎世理工學院畢業后，愛因斯坦活躍的思想忙于永無休止的理論。1905年，他發表了后來被稱為狹義相對論的論文。

1827年，蘇格蘭植物學家羅伯特·布朗（1773—1858）注意到池塘里的很小的植物形式有一種不停的、隨機的運動。他用像塵埃這樣的無生命物質做實驗，發現它也以今天被稱為隨機布朗運動的方式運動。布朗無法解釋導致這種運動的原因，直到20世紀初，愛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，羅馬哲學家、詩人盧克萊修（公元前99—公元前55）就描述過罩在一束陽光中粉塵粒子的這種運動，并把它歸結為原子的運動。和所有古典哲學家一樣，盧克萊修從想象力和理想上下工夫，但至少他在這個描述中使用了經驗觀察。

盡管在今天看來似乎難以置信，但那時確實有許多科學家直到20世紀初，都還不相信原子的存在。可以這樣來解釋：自古以來，自然哲學家就認為，“自然中的基礎要件不可約”是基本原則。對大多數希臘觀察者來說，著名的四個要件是：土、水、火和空氣。19世紀的哲學家試圖加入各種各樣的第五要件——燃素、以太等——來解釋自然現象，但很快就被證明這些東西并不支持原子科學。早在化學家、生物學家安東尼·拉瓦錫（1743—1794）的研究中，就有了原子的可靠證據。拉瓦錫摒棄了物質理論的古代遺風（燃素類似希臘語“火”元素），發現了氧和氫。這二種元素以前就被看做是元素（水和空氣）。19世紀初，當波伊爾用水做實驗的時候，從水中生成了氧和氫，在當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，但要認定元素就跟原子一樣，還得再花幾十年的時間。

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

1869年，俄羅斯化學家門捷列夫（1834—1907）發表了第一張完整的元素周期表。雖然后來有許多改進，但他的元素周期表仍被認為是宇宙的平面圖。門捷列夫意識到某種重復出現的模式，增加了亞原子粒子的數量。從根本上說，每個原子都有一個帶有至少一個質子的原子核，運載著一個正電荷和一個包含至少一個電子的外罩。一個元素的同位素依電磁式中性粒子的數量而變化，這些中性粒子叫做中子，也許在原子核旁邊。

愛因斯坦力圖證明原子的存在。在此過程中，他依賴許多其他人的工作。

17世紀30年代，教皇烏爾班八世試圖減輕貝拉明和法庭的壓力，要求伽利略寫一篇論文，對日心說和地心說保持中立的立場，不偏向任何一方。伽利略在地心的位置把教皇畫成一個傻瓜，把事情搞砸了。然后他以同樣的方式逐一疏遠了所有耶穌教士，在軟禁中度過他的余生。就在他論文的一個部分里，提出了我們今天稱為伽利略相對論或不定式的理論。伽利略從邏輯上證明，如果一艘船駛過平靜的水域，甲板下的人無法知道船是否在移動。船的概念可以理想地或抽象地看做“參考的慣性坐標系”，它同這艘船周圍更大的區域有關。牛頓力學中的慣性坐標系是相對于絕對空間的等速運動中的參考坐標系，由此發展出我們今天稱之為經典力學或牛頓力學，或牛頓相對論的理論。它假定：①空間是一個絕對框架，牛頓定律在這個框架中是真實的；②空間所有慣性參照系享有統一的、通用的時間。

如果我們想要知道二個慣性參照系相互如何關聯，在牛頓模型中我們會應用它們周圍領域的外尺度。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，它們彼此就經過了距離和時間的同一尺度。這就叫做伽利略轉換。

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

荷蘭物理學家洛倫茲（1853—1928）發表了一系列轉變理論，這些轉變建立在這樣的基礎上：在不同慣性參照系中的旅行者經歷不同，只有用相對論性轉換才能相互理解。這為愛因斯坦時空結合的假設鋪平了道路。在這個假設中，時間隨局部框架或觀測者轉移。

愛因斯坦狹義相對論的主要成果是：①光速在所有框架中都將被處理為一個常數——一個有限的、精確的、不變的常數（大約300 000千米/秒）；②在所有慣性坐標系參照之外，時間不獨立存在，也不絕對存在，因為在歐幾里得幾何學和伽利略系統中，只是一個獨特的性質或每個框架的尺寸；③根據“等效性原理”，乘火車旅行的人所觀察到的物理學定理，與站在月臺上的人所觀察到的物理學定理是一樣的。

愛因斯坦在他的狹義相對論中創造了時空概念。當光速不變的時候，空間和時間不再是脫離的，而是相互聯系的量。在不同參考坐標系的觀察者可能看見同樣的事物，但觀察到的現象卻是不同的——一個可能看見了較多的時間和較少的空間，另一個卻看見了較少的時間和較多的空間。舉一個簡單的例子，二個觀察者相互觀察。比方說，他們是雙胞胎。他們從不同的坐標系相互看著，相互揮手，然后他們看看自己的手表。當他們相互看著的時候，一個可能看見了一個高個子，他的手表過去了5秒。另一個雙胞胎看見一個矮個子，在同樣的時間里他的手表過去了6秒。從某種意義上說，這是一個守恒定律：較少的時間，較多的空間；較多的時間，較少的空間；在二個觀察坐標系中，時空的絕對量是一樣的。

然而，愛因斯坦并不因此滿足。他想建立其他的因素，就像重力一樣，寫進他的理論。1915年，他發表了廣義相對論，擴展了他在1905年的概念，包括彎曲時空。在彎曲時空中，重力是由于有質量的物質存在而產生的一種局部現象。由于有這個特殊的理論，宇宙的定律不變，這個結構要么是真空，要么是臨近一顆巨星的彎曲時空。它的作用之一是，光在經過一個巨大的物體的時候會彎曲（紅移）。另一個作用是，由于這個框架更深地滲透到巨大的引力槽里，時間會減慢。

在20世紀初，愛因斯坦并不是唯一“興風作浪”的人。在考慮他怎樣把我們全都帶回到大爆炸理論，超越加速膨脹的宇宙迎向巨大的未知之前，讓我們來看看另外二重重大打擊。