亚洲乱码国产一区二区_ [史蒂芬·霍金]相對論簡(jiǎn)史

相對論簡(jiǎn)史

史蒂芬·霍金　著(zhù)　　翟宏營(yíng)、張嵐譯

十九世紀后期，科學(xué)家相信他們對宇宙的完整描述已經(jīng)接近尾聲。他們想象一種叫“以太”的連續介質(zhì)充滿(mǎn)了宇宙空間，就象空氣中的聲波一樣，光線(xiàn)和電磁信號是“以太”中的波。

然而，與空間完全充滿(mǎn)“以太”的思想相悖的結果不久就出現了：根據“以太”理論應得出，光線(xiàn)傳播速度相對于“以太”應是一個(gè)定值，因此，如果你沿與光線(xiàn)傳播相同的方向行進(jìn)，你所測量到的光速應比你在靜止時(shí)測量到的光速低；反之，如果你沿與光線(xiàn)傳播相反的方向行進(jìn)，你所測量到的光速應比你在靜止時(shí)測量到的光速高。但是，一系列實(shí)驗都沒(méi)有找到造成光速差別的證據。

在這些實(shí)驗當中，阿爾波特·邁克爾遜和埃迪沃德·莫里1887年在美國俄亥俄州克里夫蘭的凱斯研究所所完成的測量，是最準確細致的。他們對比兩束成直角的光線(xiàn)的傳播速度，由于圍著(zhù)自轉軸的轉動(dòng)和繞太陽(yáng)的公轉，根據推理，地球應穿行在“以太”中，因此上述成直角的兩束光線(xiàn)應因地球的運動(dòng)而測量到不同的速度，莫里發(fā)現，無(wú)論是晝夜或冬夏都未引起兩束光線(xiàn)光速的不同。不論你是否運動(dòng)，光線(xiàn)看起來(lái)總是以相對于你同樣的速度傳播。

愛(ài)爾蘭物理學(xué)家喬治·費茲哥立德和荷蘭物理學(xué)家亨卓克·洛侖茲，最早認為相對于“以太”運動(dòng)的物體在運動(dòng)方向的尺寸會(huì )收縮，而相對于“以太”運動(dòng)的時(shí)鐘會(huì )變慢。而對“以太”，費茲哥立德和洛侖茲當時(shí)都認為是一種真實(shí)存在的物質(zhì)。

這時(shí)候，工作在瑞士首都伯爾尼的瑞士專(zhuān)利局的一個(gè)名叫阿爾波特·愛(ài)因斯坦的年輕人，插手“以太”說(shuō)，并一次性永遠地解決了光傳播速度的問(wèn)題。

在1905年的文章中，愛(ài)因斯坦指出，由于你無(wú)法探測出你是否相對于“以太”的運動(dòng)，因此，關(guān)于“以太”的整個(gè)概念是多余的。相反，愛(ài)因斯坦認為科學(xué)定律對所有自由運動(dòng)的觀(guān)察者都應有相同的形式，無(wú)論觀(guān)察者是如何運動(dòng)的，他們都應該測量到同樣的光速。

愛(ài)因斯坦的這個(gè)思想，要求人們放棄所有時(shí)鐘測量到的那個(gè)普適的時(shí)間概念，結果是，每個(gè)人都有他自己的時(shí)間值：如果兩個(gè)人是相對靜止的，那么，他們的時(shí)間就是一致的；如果他們間存在相互的運動(dòng)，他們觀(guān)察到的時(shí)間就是不同的。

大量的實(shí)驗證明了愛(ài)因斯坦的這個(gè)思想是正確的，一個(gè)繞地球旋轉的精確的時(shí)鐘，與存放在實(shí)驗室中的精確時(shí)鐘確有時(shí)間指示上的差別。如果你想延長(cháng)你的生命，你就可以乘飛機向東飛行，這樣可以疊加上地球旋轉的速度，你無(wú)論如何可以獲得那零點(diǎn)幾秒的生命延長(cháng)，也可以以此彌補因你進(jìn)食航空食品而帶來(lái)的損害。

愛(ài)因斯坦認為的對所有自由運動(dòng)的觀(guān)察者自然定律都相同這個(gè)前提，是相對論的基礎，這樣說(shuō)的原因是因為，這個(gè)前提隱含了只有相對運動(dòng)是重要的。雖然相對論的完美與簡(jiǎn)潔折服了許許多多科學(xué)家和哲學(xué)家，但是仍然有很多的相反意見(jiàn)。愛(ài)因斯坦摒棄了19世紀自然科學(xué)的兩個(gè)絕對化觀(guān)念：“以太”所隱含的絕對靜止和所有時(shí)鐘所測量得到的絕對或普適時(shí)間。人們不禁要問(wèn)：相對論是否隱含了任何事物都是相對的而不再會(huì )有概念上絕對的標準了？

這種不安從20世紀20年代一直持續到30年代。1921年，愛(ài)因斯坦由于對光電效應的貢獻，得到了諾貝爾物理獎【注1】，但由于相對論的復雜及有爭議，諾貝爾獎的授予只字未提相對論。

到現在我仍然每周收到2至3封信，告訴我愛(ài)因斯坦錯了。盡管如此，現在相對論被科學(xué)界完全接受，相對論的預言已經(jīng)被無(wú)數的實(shí)驗所證實(shí)。

相對論的一個(gè)重要結果是質(zhì)量與能量的關(guān)系。愛(ài)因斯坦的假定光速對所有的觀(guān)察者是相同的，暗示了沒(méi)有可以超過(guò)光速運行的事物，如果給粒子或宇宙飛船不斷地供應能量，會(huì )發(fā)生什么現象呢？被加速物體的質(zhì)量就會(huì )增大，使得很難進(jìn)行再快的加速，要想把一個(gè)粒子加速到光速是不可能的，因為那需要無(wú)限大的能量。質(zhì)量與能量的等價(jià)關(guān)系被愛(ài)因斯坦總結在他的著(zhù)名的質(zhì)能方程“E＝mc2"中，這或許是能被大街小巷婦孺皆知的唯一一個(gè)物理方程了。

鈾原子核裂變成兩個(gè)小的原子核時(shí)，由于很小一點(diǎn)的質(zhì)量虧損，會(huì )釋放出巨大的能量。這就是質(zhì)能方程眾多結論中的一個(gè)。1939年，第二次世界大戰正陰云密布，一組意識到裂變反應應用的科學(xué)家說(shuō)服愛(ài)因斯坦戰勝自己是和平主義者的顧忌，去給當時(shí)的美國總統富蘭克林·德拉諾·羅斯福寫(xiě)信，勸說(shuō)美國開(kāi)始核研究計劃，這鑄就了曼哈頓工程和1945年在廣島上空原子彈的爆炸。有人因原子彈而責備愛(ài)因斯坦發(fā)現了質(zhì)能關(guān)系，但是這種責難就像因有飛機遇難折戟而責備牛頓發(fā)現了萬(wàn)有引力一樣。愛(ài)因斯坦沒(méi)有參與曼哈頓工程的任何過(guò)程并驚懼于那巨大的爆炸。

盡管相對論與電磁理論的有關(guān)定律結合得非常完美，但它與牛頓的重力定律不相容。牛頓的重力理論表明，如果你改變空間的物質(zhì)分布，整個(gè)宇宙中重力場(chǎng)的改變是同時(shí)發(fā)生的，這不但意味著(zhù)你可以發(fā)送比光速傳播更快的信號（這是為相對論所不容的），而且需要絕對或普適的時(shí)間概念，這又是為相對論所拋棄的。

愛(ài)因斯坦從1907年就知道了這個(gè)不相容的困難，那時(shí)他還在波恩的專(zhuān)利局工作，但直到1911年，愛(ài)因斯坦在德國的布拉格工作時(shí)，他才深入思考這個(gè)問(wèn)題。愛(ài)因斯坦意識到加速與重力場(chǎng)的密切關(guān)系，在密封廂中的人，無(wú)法區分他自己對地板的壓力是由于他處在地球的重力場(chǎng)中的結果，還是由于在無(wú)引力空間中他被火箭加速所造成的。（這些都發(fā)生在“星際旅行”【注2】的時(shí)代之前，愛(ài)因斯坦是想到人處在電梯中而不是宇宙飛船中。但我們知道，如果不想讓電梯碰撞的事情發(fā)生，你不能在電梯中加速或自由墜落許久）如果地球是完全平整的，人們可以說(shuō)蘋(píng)果因重力落在牛頓頭上，與因牛頓與地球表面加速上升而造成了牛頓的頭撞在蘋(píng)果上是等價(jià)的。但是，這種加速與重力的等價(jià)在地球是圓形的前提下不再成立，因為在地球相反一面的人將會(huì )被反向加速，但兩面觀(guān)察者之間的距離卻是不變的。

1912年在轉回瑞士蘇黎士時(shí)，愛(ài)因斯坦來(lái)了靈感，他意識到如果真實(shí)幾何中引入一些調整，重力與加速的等價(jià)關(guān)系就可以成立。愛(ài)因斯坦想象，如果三維空間加上第四維的時(shí)間所形成的空間－時(shí)間實(shí)體是彎曲的，那結果是怎樣的呢？他的思想是，質(zhì)量和能量將會(huì )造成時(shí)空的彎曲，這在某些方面或許已經(jīng)被證明。像行星和蘋(píng)果，物體將趨向直線(xiàn)運動(dòng)，但是，他們的徑跡看起來(lái)會(huì )被重力場(chǎng)彎曲，因為時(shí)空被重力場(chǎng)彎曲了。

在他的朋友馬歇爾·格盧斯曼的幫助下，愛(ài)因斯坦學(xué)習彎曲空間及表面的理論，這些抽象的理論，在玻恩哈德·瑞曼將它們發(fā)展起來(lái)時(shí)，從未想到與真實(shí)世界會(huì )有聯(lián)系。1913年，在愛(ài)因斯坦與格盧斯曼合作發(fā)表的文章中，他們提出了一個(gè)思想：我們所認識的重力，只是時(shí)空是彎曲的事實(shí)的一種表述。但是，由于愛(ài)因斯坦的一個(gè)失誤（愛(ài)因斯坦是個(gè)真正的人，也會(huì )犯錯誤），他們當時(shí)未能找出聯(lián)系時(shí)空彎曲的曲率與蘊含于其中的能量質(zhì)量的關(guān)系方程。

在柏林時(shí)，愛(ài)因斯坦繼續就這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行工作，他沒(méi)有了家庭的煩擾【注3】，在很大程度上也未被戰爭所影響。1915年11月，愛(ài)因斯坦最終發(fā)現了聯(lián)系時(shí)空彎曲與蘊含其中的能量質(zhì)量的關(guān)系方程式。1915年夏天，在訪(fǎng)問(wèn)哥廷根大學(xué)期間，愛(ài)因斯坦曾與數學(xué)家戴維·希爾波特討論過(guò)他的這個(gè)思想，希爾波特早于愛(ài)因斯坦幾天也找到了同樣的方程式。盡管如此，正如希爾波特所承認的，這種新理論的榮譽(yù)應屬于愛(ài)因斯坦，而正是愛(ài)因斯坦將重力與彎曲時(shí)空聯(lián)系起來(lái)。這還應感謝文明的德國，因為，是在那里，在當時(shí)的戰爭期間，這樣的科學(xué)討論及交流仍能夠得以不受影響地進(jìn)行，與20年后（指二戰，編者注）所發(fā)生的事形成多么大的對比！

關(guān)于彎曲時(shí)空的新理論叫做“廣義相對論”，以區別與原初不包含重力的理論，而那個(gè)理論被改稱(chēng)為“狹義相對論”。1919年，“廣義相對論”被以頗為壯觀(guān)的形式證明：當時(shí)的一只英國科學(xué)考察隊遠征到西非，在日食期間觀(guān)察到天空中太陽(yáng)附近一顆恒星位置的微小移動(dòng)。正如愛(ài)因斯坦所預言的：恒星所發(fā)出的光線(xiàn)，在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，由于太陽(yáng)的引力而彎曲了。這是證明時(shí)空彎曲的一個(gè)直接證據，從公元前300年歐幾里得完成他的《原本》后，這是一個(gè)人類(lèi)感知他們存在于宇宙的最大的革命性的更新。

愛(ài)因斯坦的“廣義相對論”將“時(shí)空”由被動(dòng)的事件發(fā)生背景轉化為動(dòng)態(tài)宇宙中的主動(dòng)參與者，這導致了居于科學(xué)前沿的一個(gè)巨大困難，在20世紀結束之際仍未解決。宇宙充滿(mǎn)了物質(zhì)，物質(zhì)又導致時(shí)空彎曲而使得物體相互聚集。在用“廣義相對論”解釋靜態(tài)的宇宙時(shí)，愛(ài)因斯坦發(fā)現他的方程式是無(wú)解的，為變通他的方程式而適應靜態(tài)宇宙，愛(ài)因斯坦加入了一個(gè)稱(chēng)為“宇宙常量”的項，這個(gè)“宇宙常量”將時(shí)空再彎曲，以使所有的物體分離開(kāi)，“宇宙”常量引入的排斥效果將平衡物體的相互吸引作用而允許宇宙的長(cháng)久平衡。

事實(shí)上，這成了在理論物理歷史上人類(lèi)喪失的最大機遇之一。如果愛(ài)因斯坦繼續在這一方向上工作下去而不是變通的引入“宇宙常量”，他可能能夠預言宇宙是在擴張還是在收縮。然而，直到20年代，當坐落在威爾遜山上的100英寸的天文望遠鏡觀(guān)察到離我們越遠的星系在以越快的速度遠離我們時(shí)，宇宙依時(shí)間而變化的可能性才被鄭重地加以考慮。換一句話(huà)說(shuō)，宇宙正在擴展，任何兩個(gè)星系之間的距離正在隨著(zhù)時(shí)間的推移而穩定地增加。愛(ài)因斯坦后來(lái)稱(chēng)“宇宙常量”的提出是他一生中最嚴重的錯誤。

“廣義相對論”徹底改變了人們對宇宙的起源及歸宿的討論方向。靜止的宇宙可能會(huì )永久存在，或者說(shuō)，在過(guò)去的某個(gè)時(shí)間，當這一靜止的宇宙產(chǎn)生時(shí)，它就已經(jīng)是現在的形態(tài)了。從另一方面來(lái)說(shuō)，如果現在星系們正在彼此遠離，它們在過(guò)去的時(shí)間里應該是彼此之間更為接近的。在大約150億年前，它們甚至可能彼此接觸，相互重疊，而且它們的密度可能是無(wú)窮大。根據“廣義相對論”，宇宙大爆炸標志著(zhù)宇宙的起源，時(shí)間的開(kāi)始。從這個(gè)意義上說(shuō)，愛(ài)因斯坦不僅僅是過(guò)去100年中最偉大的人物，他應該獲得人們更長(cháng)久的尊重。

在黑洞中，空間與時(shí)間是如此的彎曲，以至于黑洞吸收了所有的光線(xiàn)，沒(méi)有一絲光線(xiàn)可以逃逸。“廣義相對論”因此預言時(shí)間應終止于黑洞中。但是，廣義相對論方程并不適用于時(shí)間的開(kāi)始與終結這兩種極端情形。因而這一理論并不能揭示從大爆炸中究竟產(chǎn)生了什么。一些人認為這是上帝萬(wàn)能的一種象征，上帝可以以他想要的方式來(lái)開(kāi)創(chuàng )宇宙。

但是另一些人（包括我自己）認為宇宙的起源應該服從于一種任何時(shí)候都成立的普適原理。在朝這一方向的努力中，我們已取得了一些進(jìn)展，但距完全理解宇宙的起源還相差甚遠。廣義相對論不能適用于大爆炸的原因在于，它與20世紀初另一偉大的概念性的突破———量子理論并不相容。量子理論的最初提出是在1900年，當時(shí)在柏林工作的麥克斯·普朗發(fā)現，從紅熱物體上發(fā)出的輻射可以解釋為光線(xiàn)是以有特定大小的能量單元發(fā)出的，普朗克把這種能量單元稱(chēng)為量子。打一個(gè)比方，輻射像是一包包的白糖，在超級市場(chǎng)里，并不是你想要多少的量都行，你只能買(mǎi)每袋一磅的包裝。1905年，愛(ài)因斯坦在他撰寫(xiě)的一篇論文中，提到普朗克的量子假設可能可以解釋光電效應，即某些金屬在收到光照時(shí)會(huì )釋放電子的現象。這一效應是現代光探測器和電視照相得以應用的基礎，愛(ài)因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾獎。

愛(ài)因斯坦對量子構想的研究直至20年代，當時(shí)哥本哈根的華納·海森堡、劍橋的保爾·狄拉克以及蘇黎士的埃文·薛定諤提出了量子機制，從而展示了描述現實(shí)的新畫(huà)卷。根據他們的理論，小粒子不再具有確定的位置和速度，相反，小粒子的位置測得越精確，它的速度測量就愈不準確。反之亦然。

對于這種基本定律中的任意性和不可預知性，愛(ài)因斯坦惶惑不已，他最終未能接受量子機制。他的著(zhù)名的“上帝并未在擲骰子”的格言就表達出了這一感受。雖然如此，大多數科學(xué)家都接受了全新的量子機制定律，并對其適用性加以承認，因為這些定律不但與實(shí)驗結果吻合極好，而且可以解釋許多先前無(wú)法解釋的現象。這些定律成了當代化學(xué)、分子生物學(xué)以及電子學(xué)得以發(fā)展的基礎，也是在過(guò)去半個(gè)世紀內改變整個(gè)世界的科技基石。

1933年，納粹統治了德國，愛(ài)因斯坦離開(kāi)了這個(gè)國家，也放棄了他的德國國籍。他在新澤西州普林斯頓的尖端科學(xué)研究所度過(guò)了他生命最后22年的時(shí)光。納粹發(fā)起了一場(chǎng)反對“猶太科學(xué)”及猶太科學(xué)家的運動(dòng)（猶太科學(xué)家被驅逐是德國未能建成原子彈的原因之一），而愛(ài)因斯坦及他的相對論是這場(chǎng)運動(dòng)的主要目標。當被告知一本名為《反對愛(ài)因斯坦的100位科學(xué)家》的書(shū)得以出版時(shí)，愛(ài)因斯坦回答，為什么要100位？一位就足以證明我錯了，如果我真的錯了的話(huà)。

二戰后，他敦促盟軍設立一個(gè)全球機構以控制核武器。1952年，他被剛成立的以色列授予總統職位，但他拒絕了。“政治是暫時(shí)的，”他寫(xiě)道，“而方程式是永恒的。”廣義相對論方程是他最好的墓志銘和紀念碑。它們與宇宙一起永不腐朽。

在過(guò)去的100年中，世界經(jīng)歷了前所未有的變化。其原因并不在于政治，也不在于經(jīng)濟，而在于科學(xué)技術(shù)———直接源于先進(jìn)的基礎科學(xué)研究的科學(xué)技術(shù)。沒(méi)有科學(xué)家能比愛(ài)因斯坦更代表這種科學(xué)的先進(jìn)性。

（本文略有刪節）

【注1】愛(ài)因斯坦早在1919年與他的蘇黎士專(zhuān)門(mén)學(xué)院同學(xué)、塞爾維亞族妻子米列娃·瑪莉科離婚時(shí)，就已經(jīng)答應將諾貝爾獎給予她。當時(shí)愛(ài)因斯坦已經(jīng)確信自己將可以得到諾貝爾獎，只是沒(méi)有想到獲獎是由于他對光電效應的貢獻。

【注2】星際旅行，“StarTrek"是全美正在上映的熱門(mén)電視劇。

【注3】米列娃·瑪莉科初陪愛(ài)因斯坦到柏林，旋即離開(kāi)，攜他們的兩個(gè)兒子回瑞士，三年后離婚。后愛(ài)因斯坦與有一個(gè)女兒的當時(shí)離異的表妹愛(ài)爾莎結合，愛(ài)爾莎給予了愛(ài)因斯坦無(wú)微不至的關(guān)懷，伴他度過(guò)探索“廣義相對論”的歲月?，斃蚩茖?ài)因斯坦創(chuàng )立“狹義相對論”有所貢獻，但她從未提起，離婚后她從事數學(xué)和物理教學(xué)。

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