霍金:我眼中的爱因斯坦与相对论

《时代周刊》在1999 年12 月31 日的杂志封面上,将阿尔伯特· 爱因斯坦选为“世纪伟人”。为了给这次评选结果增光添彩,《时代周刊》发表了斯蒂芬· 霍金的署名文章——《相对论简史》,专门从科学的角度介绍了爱因斯坦对人类知识进步做出的巨大贡献,后收录于《科学时代:引领未来的关键技术》一书。

本书完整收录了斯蒂芬·霍金的相对论作品,系统梳理了20 世纪太空探索、核能开发、化学应用、生命科学和通信等各科技领域的发展脉络及重要突破,展示了天文学、物理学、化学、生物学等学科的杰出成果,为未来的科技发展指明了方向。

书中包含大量珍贵的历史和科学照片以及示意图,从火箭、探测器、医疗设备、集成电路照片到核能发电原理图,向我们直观地展示了20 世纪的科学成就,同时也指出了塑料污染等人类发展必须要解决的环境问题。

19 世纪末,科学家们一度认为,他们只消再前进一小步,就能完整地描述宇宙了。在他们的想象中,宇宙空间充满了一种叫作“以太”的连续介质,就好比声音是空气中的压强波一样,光线和无线电信号也是以太中的波。他们认为,这个理论离完成只差最后一步——对以太的弹性性质进行仔细测量,只要弄清了以太的性质,一切将会迎刃而解。

然而没过多久,就开始出现与“以太无所不在”相异的观点。根据以太理论,光线在以太中的传播速度应该是一个固定值。因此,如果沿着与光线传播相同的方向行进,所测量到的光速应比这个固定值(在静止时测量到的光速)低 ;反之,如果沿着与光线传播相反的方向行进,所测量到的光速应比这个固定值高。这也就是说,观测者测得的光速会因为其相对光源的运动而改变。但是,当时所做的一系列实验都没能找到证据来支持这个观点。

在这些实验中, 最准确细致的要数1887 年的一场实验。这场实验由阿尔伯特·迈克耳孙(Albert Abraham Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)在美国俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学(Case Western Reserve University)完成,他们对两束互相垂直的光线的传播速度进行了对比。他们曾认为,由于地球在绕着地轴自转的同时也围绕太阳公转,所以地球自然应该是在以太中穿行的,而且地球的运动会使两束互相垂直的光线的传播速度产生差异。然而,在进行实验时,迈克耳孙和莫雷却发现,不仅每日观测到的光速没有差异,按年累计的观测结果也未显示出这两束光线的传播速度有什么不同。好像无论你怎样运动,光线相对于你总是以同样的速度传播。

爱尔兰物理学家乔治·斐兹杰惹(George FitzGerald)和荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz)率先提出,在以太中运动时,物体会收缩,时钟会变慢。当时,斐兹杰惹和洛伦兹都认为以太是一种真实存在的物质,是长度收缩和时间变慢的效应使得无论观测者在以太中以何种方式运动,他们测量到的光速都会是一样的。

最终,位于伯尔尼的瑞士专利局的一位年轻职员阿尔伯特·爱因斯坦彻底消灭了“以太”这个概念,并解决了光线 月,爱因斯坦撰写了一篇论文,这也是为他后来跻身世界顶尖科学家奠定基础的几篇论文之一。而且,爱因斯坦这几篇论文的发表还引发了两次观念革命,改变了我们对时间、空间和现实世界的认知。

在 1905 年的那篇论文中,爱因斯坦提出,由于你无法探测自己是否在以太中运动,所以,以太的概念根本就是多余的。因此,他的出发点是假设科学定律对所有做自由运动的观测者都是一样的。具体而言,就是无论观测者如何运动,他们都应该测量到相同的光速。

爱因斯坦的这个观点要求人们摒弃“时间具有通用的量值,所有时钟测量的时间都相同”这样的概念。相反,每个人都会有他自己的时间测度:如果两个人是相对静止的,那么他们观测到的时间就是一致的 ;如果他们之间存在相对运动,那么他们观测到的时间就是不同的。大量实验已经证实了这一点,其中一个实验是这样设计的:观测者携带一个极其精确的计时器绕着地球飞行一圈,然后将所记录的数据与安置在固定地点的另一个同款计时器记录的数据相对比,结果两台计时器测得的时间确实有差异。结论就是,如果你想活得更久些,你可以乘飞机一直向东飞行,这样飞机的航速可以叠加地球自转的速度,帮你获得些许时间。但事实上,为了使生命延长零点零零几秒而一直吃飞机餐可有点不划算。

爱因斯坦认为,对所有做自由运动的观测者来说,自然定律都应该是一样的。这条假设是相对论的基础,因为它意味着只有相对运动才是重要的。虽然相对论的优美与简洁折服了一众科学家和哲学家,但依然有很多人持相反观点。爱因斯坦摒弃了 19 世纪自然科学的两条绝对真理 :以太思想代表的绝对静止观点,以及所有时钟均可测得一致的绝对时间的观点。人们不由得疑惑 :相对论是否意味着任何事物都是相对的,而不存在什么绝对的道德标准了呢?

这种不安一直持续到 20 世纪的二三十年代,以至于在 1921 年,由于相对论在当时争议过大,诺贝尔奖委员会在授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖时对此只字未提,只说这是为了表彰他在 1905 年发表的另一篇重要论文——相对于爱因斯坦的其他成就,获诺贝尔奖的这篇论文(关于光电效应的研究)实在算不上是什么重要成果。直到现在,我每周仍然会收到那么两三封信,对我说爱因斯坦错了。时至今日,科学界已经完全接受了相对论,相对论做出的预测也已经在无数的应用中得到了验证。

相对论的一个非常重要的结论是它解释了质量与能量之间的关系。根据爱因斯坦的假设,光速对所有的观测者来说都是相同的,这意味着不存在能够超过光速运行的事物。展开来说就是,如果我们用能量来加速粒子或航天器,被加速物体的质量就会增大,从而使得进一步加速变得更加困难。所以,把粒子加速到光速是不可能的,因为那需要无限大的能量。爱因斯坦著名的质能方程总结了质量与能量的等价关系,这或许是唯一一个大众熟知的物理方程。

质能方程还有很多结论,其中之一是铀原子核在裂变成两个总质量稍小的原子核时,会释放巨大的能量。1939 年,国际形势阴云密布,第二次世界大战一触即发,一些科学家意识到这种核裂变将会产生怎样的影响。于是,他们说服了爱因斯坦,让他放下作为和平主义者的顾虑,去给当时的美国总统罗斯福写信,敦促美国启动核研究计划,这才有了曼哈顿计划以及后来(1945 年)在广岛上空爆炸的那颗。有人将之罪归咎于爱因斯坦,理由是他发现了质量与能量之间的关系,可这就像把飞机失事的责任归咎于牛顿,理由是他发现了万有引力定律一样,纯属无稽之谈。实际上,爱因斯坦非但没有参与曼哈顿计划,还被的爆炸吓得够呛。

尽管相对论与在电磁学领域占主导地位的一系列定律非常吻合,但它与牛顿的万有引力定律并不相容。根据万有引力定律,如果空间中某一区域的物质分布发生了变化,那么在宇宙中任意一点都能瞬间感受到引力场的变化。

这不仅意味着信号能以比光速更快的速度传播(这在相对论中是不可能实现的),而且还需要绝对时间的概念作为支撑,这又是相对论所摒弃的概念。相对论认为时间是相对的,每个人都有不同的时间测度。

爱因斯坦 1907 年就意识到了这个不相容的问题,当时他还在伯尔尼的瑞士专利局工作,但直到 1911 年去布拉格查理大学任职后,他才开始认真思考这个问题。爱因斯坦意识到加速度与引力场之间存在密切的关系,但在封闭箱体中的人无法区分他自己是在地球引力场中处于静止状态,还是在自由空间中处于被火箭加速推进的状态。这些思考都发生在科幻电影《星际迷航》风靡全球之前,所以那时候爱因斯坦考虑的是人处于电梯之中的情况,而不是在航天器上。但其实电梯的运行范围有限,在电梯厢里无论是做自由落体运动还是其他加速运动,迟早都要出事。

如果地球是平坦的,那么既可以说是苹果受重力的影响落在了牛顿的头上,也可以等效地说是因为牛顿跟随地球表面一起做向上的加速运动才使他的头撞上了苹果。但地球显然是个球体,加速度与重力之间的这种等效关系不成立。因为如果等效关系成立,处在地球另一面的人们将不得不朝相反的方向加速前进,但实际上他们却和我们之间保持着一个恒定不变的距离。

1912 年返回苏黎世后,爱因斯坦来了灵感。他意识到,如果将现实的几何学稍做调整,引力与加速度的等效关系就可以成立。于是,爱因斯坦在我们已知的三维空间中引入了第四个维度——时间,提出了时空的概念。如果时空像假设的那样并不平坦,而是弯曲的,那意味着什么呢?爱因斯坦的想法是,质量和能量会以某种还未被确定的方式造成时空的弯曲。苹果或行星这样的物体在时空中会试图保持直线运动,但由于时空是弯曲的,它们的运动轨迹也会产生弯曲,显得是在引力场的作用下产生了弯曲。

在朋友马塞尔·格罗斯曼(Marcel Grossmann)的帮助下,爱因斯坦对伯恩哈德·黎曼(Bernhard Riemann)关于弯曲空间和曲面的理论进行了研究。而黎曼在开创这些理论的时候,只是将其作为抽象数学的一个组成部分,并没有想过它们会与现实世界产生关联。1913 年,爱因斯坦与格罗斯曼合作撰写了一篇论文,提出了这样一种观点 :时空是弯曲的,我们所认为的引力不过是这个事实的一种表现形式而已。但是,由于爱因斯坦的一个失误(爱因斯坦也是人,也会犯错误),他们当时没能找到表达时空曲率与时空中质量和能量关系的方程。

到了柏林以后,爱因斯坦继续就这个问题开展研究。当时,他既不用受家庭事务的干扰,也在很大程度上未被战争(第一次世界大战)所影响。1915 年 11 月,爱因斯坦终于找到了正确的方程。其实 1915 年夏天,爱因斯坦在访问哥廷根大学期间曾与数学家大卫·希尔伯特讨论过他的想法,后来希尔伯特也独立完成了推导,找到了同样的方程,还比爱因斯坦早了几天。不过,希尔伯特也承认,新理论的发现应归功于爱因斯坦,因为是爱因斯坦将引力与时空的弯曲联系在了一起。即便在战争期间,人们仍然可以进行这种程度的科学讨论和交流,充分说明那时的德国还是一个文明的国度,这与 20 多年后(第二次世界大战)的境况真是天壤之别!

为了区别于原来那个相对论(不包含引力因素的相对论),阐述了时空弯曲的新理论被称为“广义相对论”,而原理论则改称“狭义相对论”。1919 年,人们用一种颇为壮观的方式证明了广义相对论——一支英国科学考察队去了西非,观测到日食期间太阳附近背景恒星的位置发生了些许偏移。正如爱因斯坦预测的那样,恒星发出的光线在经过太阳附近时发生了弯曲。这不仅直接证明了空间和时间是弯曲的,也是自公元前 300 年左右欧几里得完成《几何原本》以来,我们对自身所处环境(宇宙)的感知和理解上最大的一次变革。

爱因斯坦的广义相对论将时间和空间视为宇宙中不断发生的动态变化的主动参与者,而不再是事件发生的被动背景。这导致了一个巨大的问题,即便是现在,在 20 世纪即将结束之际,它依然处于物理学研究的最前沿。宇宙中充满了物质,物质又导致时空弯曲从而使得物体聚集在一起。爱因斯坦发现,在用广义相对论解释一个不随时间流逝而变化的宇宙时,他的方程是无解的,而当时包括爱因斯坦在内的大多数人都相信宇宙是静态的、永续存在的。爱因斯坦没有放弃静态宇宙的假设,而是修改了方程,在其中加入了一个被称为“宇宙常数”的项,他认为是这个宇宙常数项让时空产生了反向弯曲,使物体相互分离。宇宙常数的排斥效应将与物体的引力效应相抵消,从而使得宇宙永续存在。

事实证明,这是理论物理学发展史上人类错失的最大机遇之一。如果当时爱因斯坦坚持他最初的方程,他本可以做出宇宙不是正在膨胀、就是正在收缩的预测。实际上,直到 20 世纪 20 年代,人们用威尔逊山上那台直径 2.54 米的望远镜进行观测后,才开始认真考虑宇宙随时间变化的可能性。观测结果表明,距离我们越远的星系,远离我们的速度也越快。换句话说,宇宙正在膨胀,不同星系间的距离在随着时间的推移而不断增大。爱因斯坦后来称,引入宇宙常数是他一生中最大的错误。

广义相对论彻底改变了人们对宇宙起源和宿命的讨论方向。一方面,静态的宇宙可能会永远存在,或者说在过去的某个时间,在这个静态的宇宙初生之时,它就已经是现在的形态了 ;另一方面,如果现在星系是在继续彼此远离,那么过去它们之间的距离一定比现在更近。大约在 150 亿年前,它们甚至可能相互重叠在一起,拥有无穷大的密度。根据广义相对论,宇宙大爆炸就是宇宙的起源,时间也由此诞生。从这个意义上说,爱因斯坦绝不仅仅是过去 100 年中最出类拔萃的人物,他当得起比“世纪伟人”时间跨度更长的荣誉。

广义相对论还预测,在黑洞内部时间不会流逝,因为黑洞内的时空太过弯曲,光无法逃离这个区域。但是,广义相对论方程并不适用于时间的起始与终结这两种极端情形。因此,这个理论无法预测大爆炸究竟产生了什么。有人认为,这是上帝自由意志的表现,即上帝可以用任何他想要的方式来开创宇宙。但另一些人(也包括我自己)则认为,宇宙的起源应该服从于在任何时候都成立的普适定律。我们已经在这个方向上取得了一些进展,但对宇宙起源的理解还不充分。

广义相对论之所以解释不了大爆炸,是因为它与 20 世纪初另一项伟大的概念性突破——量子理论并不兼容。1900 年,人类朝着量子理论迈出了第一步,当时在柏林工作的马克斯·普朗克(Max Planck)提出了一种假设——如果光不是连续的,而是只能以特定大小的量一份一份地传播,就能够解释(为什么)从炽热物体上发出的辐射(与辐射频率和物体的温度有关)了,普朗克将这个特定大小的量称为量子。打个比方来说,辐射就像是一包包的糖,在超市里,并不是你想要多少散装糖都可以,你只能买每袋 1 千克重的袋装糖。1905 年,还在专利局供职的爱因斯坦撰写了一系列有开创性意义的论文,他在其中一篇论文中表明,普朗克的量子假设可以解释所谓的光电效应,即某些金属在被光照射时会释放电子的现象。光电效应是现代光电探测器和电视摄像机的物理学基础,爱因斯坦因对光电效应的成功解释而获得了1921 年的诺贝尔物理学奖。

20 世纪 20 年代,爱因斯坦继续开展对量子概念的研究,但当时哥本哈根的维尔纳·海森伯(Werner Heisenberg)、剑桥的保罗·狄拉克(Paul Dirac)以及苏黎世的埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)提出了一种解释现实世界的新学说——量子力学,这项成果让爱因斯坦深感不安。根据他们的理论,微观粒子不再具有确定的位置和速度,而我们对微观粒子的位置测得越精确,对它的速度测量就越不准确,反之亦然。

量子力学基本定律中的随机性和不可预测性,让爱因斯坦大为震惊,他最终也没有全盘接受量子力学,他著名的“上帝不掷骰子”的格言就表达了这一感受。但是,除他之外的大多数科学家都承认了量子力学基本定律的有效性,因为这些定律不但与观测结果非常吻合,好像还能够解释许多先前无法解释的现象。这些定律不仅是现代化学、分子生物学以及电子学得以发展的基础,也是在过去大半个世纪里改变了整个世界的科技的基石。

1933 年,纳粹掌权后,爱因斯坦决定不再返回德国,并且放弃了他的德国国籍。他在美国新泽西州的普林斯顿高等研究院度过了生命中最后的 22 年。纳粹曾发起了一场反对“犹太科学”及犹太科学家的运动(德国没能在第二次世界大战中造出,与犹太科学家的出逃不无关联),而爱因斯坦和他的相对论就是这场运动的主要攻击目标之一。当被告知德国出版了一本名为《100位教授出面证明爱因斯坦错了》的书时,爱因斯坦回答:“为什么要 100 位?如果线 位就足够了。”

第二次世界大战结束后,爱因斯坦敦促同盟国设立一个全球性的治理机构来控制。1952 年,以色列曾经邀请他出任总统,但爱因斯坦拒绝了。他曾写道:“政治是为当前,而方程却是永恒的。”没有什么能比广义相对论方程更合适作为爱因斯坦的墓志铭和纪念,它们将长存于世,与这宇宙同寿。

在过去的 100 年中,世界经历了前所未有的变化。其原因并不在于政治或者经济,而在于科技的进步——直接由基础科学的发展带来的科技进步。没有任何一位科学家能比爱因斯坦更适合用来代表 20 世纪的科学进步,阿尔伯特·爱因斯坦——《时代周刊》“世纪伟人”。

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