無用之用相對論(8)

【愛因斯坦系列之八】

馮八飛/文

上回說到廣義相對論是人類有史以來最偉大的科學發現。那麼，這個最偉大的理論到底有什麼用呢？啥用都沒有。它既不能讓我們變得年輕漂亮，也不能讓我們大吃大喝同時減肥，更不能幫助我們找到又輕鬆掙得又多的工作。

世界上真正偉大的東西，通常都沒有實際的用處。沒聽說過無用之用?

一

廣義相對論最大的用處，不過就是告訴我們，宇宙到底是啥樣。夠不夠有用！

看官須知，直到1917年，整個人類最聰明的大腦，包括偉大的牛頓，都認為我們的銀河系就是整個宇宙，而且這個宇宙永遠固定不變。

從有人類這種東西開始，我們最大的問題就是：為什麼有我們？為什麼有這個世界？為什麼月球不離開地球，地球也不離開太陽？基督教說，上帝規定月球與地球必須呆在一起。牛頓說，是因為萬有引力。愛因斯坦說，那是因為空間彎曲。

牛頓說引力是聯繫宇宙萬物的紐帶，引力將太陽和地球吊在空間中，並且自轉加公轉。愛因斯坦說，其實宇宙根本沒什麼萬有引力，那是我們肉眼看不見的空間彎曲造成的假象。

牛頓認為宇宙空間是平直的。愛因斯坦認為宇宙就像一張綳在方框上的床單，質量巨大的星系就像放在床單上的鉛球。鉛球在床單上壓出的坑，豎起來看就相當於哈哈鏡，而光線通過這些哈哈鏡時會使我們產生宇宙廣闊無邊的幻覺。

愛因斯坦預言，如果我們站的位置合適，可以看見一個遙遠星體的數個幻像。這就是天文學上著名的「引力透鏡」，後來被天文學證實，我們才知道空間居然真的彎曲！我們這時才發現，牛頓不過看見了自己的鼻尖，而愛因斯坦看見了萬里之外的大海。如此開闊而精彩的大海！

空間可以彎曲，我們很難理解，因為我們生活在慢速地球上，感受不到空間是彎曲的。牛頓的萬有引力之所以容易理解，就是因為它建立在人類日常生活經驗之上。牛頓不僅認為太陽系是平的，他認為宇宙也是平的，所以他帶領我們發現了三維世界，即萬物都有長、寬、高。牛頓提出的萬有引力是物理學的偉大革命，問題是一直到這場革命結束他都無法說明引力來自何處。

史上最大的科學暴動發起人牛頓用萬有引力否定了上帝，但這個偉大的暴動者最後卻不得不回到上帝溫暖的身邊：牛頓宣布引力源於上帝。西方文明老祖兒亞里斯多德認為世界轉動來自「第一推動者」，基督教神學狂批亞里斯多德幾百年後出了個義大利神父阿奎那，他宣布亞里斯多德的「第一推動者」就是上帝（其實亞里斯多德本人從未說過這句話），歐洲歷史上最為黑暗的政教合一中世紀隨這句話降落人世。順便說一句，這個阿奎那是中世紀天主教最偉大的神學家之一，著作據說達1500萬字。

愛因斯坦根本否認宇宙空間是平的，他認為宇宙就像一張放了無數棉花球和鉛球的床單，床單被這些球壓出深淺不一的坑。牛頓之所以認為宇宙是平的，是因為他只看到了幾乎壓不出坑的棉花球——地球。想在宇宙空間中壓出明顯的坑來，需要巨大的質量（即重量）。太陽這麼大的星球也只能壓出幾個原子大小的坑（即坑深只相當於幾個原子的直徑），這樣的坑，我們用現在最先進的儀器也測不出來。所以，要找到地球人看得見的坑，必須放眼整個宇宙。

二

相對論的第二個用處是發現黑洞。廣義相對論問世後，德國物理學家史瓦西證明，如果把太陽壓縮成半徑3公里的球體，引力的強烈擠壓會使太陽密度無限增大，隨後產生災難性崩塌，使太陽的時空變得無限彎曲，在這樣的時空中，連光都不能逃出來！由於無法反射光，崩塌後的太陽與宇宙就分割成兩個截然不同的區域，而那個分割的球面就是「黑洞視界」，即我們眼睛能看到的盡頭，超過這個盡頭，我們就看不見了。也就是說，如果太陽變成黑洞，我們站在地球上就看不到太陽，卻能看見太陽前後的其它星球。這就是黑洞！

以他命名的「史瓦西度規」說，當我們接近黑洞達到一定半徑之後，時空彎曲會變得無窮大，這時我們不再像是下緩坡，而是突然從懸崖邊上掉下去了——你走得太遠了，已經無法找到回家的路。此即「史瓦西半徑」，即黑洞的半徑。任何東西包括光線進入史瓦西半徑後將無法逃走，最後一定會被黑洞撕碎吞掉。黑洞質量巨大，最大黑洞的質量據說超過太陽10億倍。看官須知，太陽相當於130萬個地球！130萬乘10億，相當於多少，大家可以拿手機自己算下。如果黑洞是地球，地球大概相當於一粒芝麻。然後，這粒芝麻上還有很多細菌那麼大根本看不見的小人兒，因為沒當上處長或者沒發財而鬱郁一生！

有意思的是，當時所有科學家，包括愛因斯坦本人和證實相對論的愛丁頓，全體斷然否認存在黑洞。愛因斯坦還宣布他可以證明沒有任何星體可以達到密度無限大。黑洞這個名稱也是50年之後才由美國物理學家惠勒命名的。

嚴格說來，黑洞並非星球，它只是宇宙中的一塊兒地方，這地方跟宇宙互不通連，黑洞視界將它們徹底分隔。黑洞視界以外，光可以任意相互聯繫，就是說我們可以看見所有的東西，這就是我們的宇宙。黑洞視界以內，光線不能自由傳播，而是向中心集聚，這就是黑洞。

在黑洞內部，物體向黑洞墜落的過程中，潮汐力越來越大，在中心區域，其引力和起潮力都是無限大。因此，在黑洞中心，除了質量、電荷和角動量以外，原子、分子等等都將分崩離析，根本不存在我們人類已知的任何「物體」。在黑洞中心，全部物質被極為緊密地擠壓成為一個體積無限趨近於零的幾何點，任何強大的力量都不可能把它們分開。

這就是「奇點」！

廣義相對論無法說明「奇點」，量子論才能說明，於是令人啼笑皆非的情況出現了：廣義相對論發現了黑洞，卻在「奇點」失效，被迫讓位給量子論，可廣義相對論的發現者愛因斯坦與量子論的發現者玻爾，卻水火不相容！

三

廣義相對論的第三個用處是宇宙常數。

在愛因斯坦天文學中，宇宙不是膨脹就是收縮。那宇宙如何在膨脹與收縮之間保持平衡呢？創立廣義相對論的第二年，愛因斯坦發表論文《廣義相對論的宇宙學應用》，否定傳統物理定論「宇宙無限」。他把宇宙看作一個具有有限空間體積的自身閉合的連續區，推論宇宙在空間上「有限無邊」。這是天文學史上最大膽的推測。從此，人類對宇宙的研究擺脫了閉著眼睛瞎猜，真正睜開眼進入了現代科學領域。愛因斯坦認為宇宙在膨脹與收縮之間保持平衡的原因是「宇宙常數」——一個與引力相反，但強度完全一樣的斥力，它隨著天體之間距離的增大而增強，完全抵消引力，從而讓宇宙保持穩定，避免宇宙崩潰。

這是什麼意思？意思就是：愛因斯坦認為宇宙是靜態的。

可1922年俄裔美籍物理學家弗里德曼通過數學計算髮現宇宙隨著時間在不斷膨脹。1927年，比利時天文學家、頂級橋牌大師喬治斯·勒梅特得出同樣的計算結果。愛因斯坦拒絕接受動態宇宙。他堅信宇宙是靜態的，除了時間變化，其它一切都不變。因此他尖銳地批評弗里德曼和勒梅特。這時，哈勃閃亮登場。1929年，現代天文學之父哈勃觀察宇宙深處星雲的紅移現象後證實，所有星系都在高速離銀河系而去，而且，無論我們站在宇宙中哪個星系中，看到的情形也都一樣：別的星系也在高速逃離我們所站的這個星系。距離越遠的星系，逃離的速度越大。這又是什麼意思？意思就是，整個宇宙在不斷膨脹，即：宇宙是動態的。

哈勃得意洋洋地把觀測結果拿給愛因斯坦看，愛因斯坦當場啞口無言，不得不宣布放棄宇宙常數並公開收回對弗里德曼的批評。

按照哈勃定律，如果將宇宙的膨脹反推，就意味著在非常非常遙遠的過去，最早的宇宙是半徑為零的一個點。1948年美國物理學家伽莫夫根據哈勃定律提出宇宙大爆炸理論，認為原始宇宙誕生於一次壯觀的大爆炸，立刻變成意見領袖。50年後天文學家發現宇宙不只在膨脹，而且這種膨脹還是加速度的，即所有星系逃離銀河系的速度都越來越快。意思就是，一定有某種神秘的力量在暗中以加速膨脹的方式撕扯著宇宙的所有星系。這種力量科學家稱之為「暗能量」。近年來，科學家通過觀測和計算證實暗能量不僅存在，而且還是宇宙的主流，約佔宇宙總量的73%，此外「暗物質」約佔23%，而我們人眼能看見的宇宙物質如地球月亮星星等，僅佔4%！

咱們從小就知道，天上星，數不清。愛因斯坦告訴我們，數不清的滿天星只是宇宙中的「一小撮」，宇宙的絕大部分我們知之甚少，或者乾脆毫無所知。

夠不夠驚心動魄？夠不夠有用！

人類認識的道路永遠如此：我們對最重要的東西總是視而不見。我們知道得越多，就越發現自己實際上非常無知。記得蘇格拉底那句話吧：我最大的知識即「我知我無知」。

暗能量給宇宙常數平了反，證明它起碼從思路上是正確的。宇宙常數以暗能量的面目滿血復活，它產生的洶湧澎湃的斥力令整個宇宙為之色變。暗能量和引力之間的戰爭自宇宙誕生起就從未停止。

科學實驗證明現在暗能量的密度已大於物質的密度，即引力已經戰敗，宇宙正在以前所未有的速度加速膨脹。科學家預測，再過200億年宇宙將迎來動蕩的末日，恐怖的暗能量終將把所有行星、恆星、星系一一撕碎，宇宙將只剩下沒有盡頭的寒冷和黑暗。記不記得《菜根譚》下篇第12節那句話：「山河大地已屬微塵，而況塵中之塵；血肉身軀且歸泡影，而況影外之影。非上上智，無了了心。」

Take　it　easy。當沒當上處長或中國首富，拿沒拿諾貝爾獎，真沒那麼重要。愛因斯坦雖然拿了諾貝爾獎，但卻深得其中三昧。話說有天他在朋友家吃飯，忽然來了靈感，拿起筆找不到紙，居然直接把公式統統寫到主人家雪白的新桌布上。這則膾炙人口的愛因斯坦幽默故事實際源於一個誤會：我們沒明白，當愛因斯坦在桌布上寫公式時，他腦海中浮現的是宇宙的終極毀滅。跟黑洞、暗能量、200億年後的宇宙末日相比，一塊新桌布和主人痛心疾首的白眼，算得了什麼？

四

廣義相對論還有一個用處是發現了引力波。愛因斯坦的這篇文章1916年發表於《普魯士科學院學報》。引力波理論進一步完善了廣義相對論。

廣義相對論說，質量巨大的星系在宇宙中壓出深坑的同時還會形成「引力波」。任何被外力彎曲的物體在連續時間裡都會形成「波」，比如風吹西湖會產生水波。這種星系彎曲過程中在宇宙中形成的「波」，就是引力波。引力波處處存在。

聲波和光波無法穿越牆壁，更不用說地球了，而任何物體對引力波而言都是透明的。引力波形成後就攜帶能量和波源物體的密碼在宇宙中遊盪，永不消逝。

聲波和光波為人類打開了地球的奧秘之門，而引力波為人類打開了一扇了解宇宙的全新窗口。凡是有質量的物體進入加速運動都會發射引力波：一個李娜發出的網球，一個散步的馮八飛，月亮圍繞地球運動……不過，對人類來說，引力波實在太弱了，太陽這麼大的星球發出的引力波，我們用現有儀器也無法測量。要測引力波，只能把目光投向宇宙中那些質量巨大的恆星。天狼雙星產生的引力波功率可達1.1×10¹⁵瓦，其能量足以推動太陽那麼大的恆星。不過，它們的引力波穿越遼闊的宇宙到達地球時僅剩下1.3×10^-24瓦，微弱得只能震動一個原子，根本測不出來。

我們只好想別的辦法。

1974年美國射電天文學家胡爾斯及泰勒在宇宙深處發現了射電脈衝星PSR1913＋16，它以每秒自轉200圈，同時以不到8小時一圈的公轉繞其伴星旋轉，在這場高速的「二人轉」舞蹈中，其能量在它們自己激起的時空巨浪中逐漸損耗，結果兩者越來越近，轉速越來越快，預計在距離剩下500公里時它們就會以亞光速撲向對方，直到碰撞融合，成為黑洞。這個碰撞的慘烈程度是我們用人類語言無法描寫的，它相當於宇宙中發生一場巨型時空海嘯。我們津津樂道的什麼「火星撞地球」在它面前連個土鞭炮都不如。根據計算，這場宇宙大衝撞將於3億年後發生。可它們離地球如此遙遠，如果衝撞今天發生，以我們今天的科技，我們甚至聽不到它們合二為一時發出的歡叫。

胡爾斯與泰勒的觀測證實引力波存在。

如果我們對引力波的了解達到聲波和音波的水平，我們就可以看見地球內部到底有什麼、黑洞到底是什麼、甚至有可能看見137億年前宇宙是不是真的發生過大爆炸。

我們尋找外星生命都是通過電磁波和聲波，其實它們連牆壁都無法穿透，在宇宙中到底能走多遠很值得懷疑。也許外星人早就用引力波跟我們聯繫過了，只是我們的耳力如此不好，從來沒聽到過而已。

我們仰望夜空，總覺得宇宙無限美麗寂靜，其實那是因為宇宙沒有空氣，聲波無法傳送，所以宇宙無聲。如果我們有引力波喇叭，宇宙將變得萬聲鼎沸，引力波能讓我們聽到宇宙所有的故事：耀眼的超新星爆炸的聲音像爆米花一樣；中子星碰撞和黑洞產生像一場《歡樂頌》大合唱；你甚至能聽見宇宙炸開、但光子還沒跑出來之前那陣空前絕後的巨響。光波讓我們看見遠處的東西，而引力波則能讓我們聽見過去和現在。

用引力波發射信號，我們將不需要電視塔和通訊衛星，手機將沒有盲區而且永不掉線。引力波帶給我們的，是真正無與倫比的時空穿越。按照這個理論，創造宇宙的不是上帝，而是引力波。宇宙大爆炸後產生了一鍋能量與物質完全均勻分布的高溫「夸克湯」，根本沒有太陽、地球、馮教授這些東西，正是與大爆炸同時產生的引力波攪動夸克湯，讓物質開始碰撞、旋轉、冷卻、凝聚，依次聚成原子、塵埃、恆星和星系，這才有的地球。然後又過了多少多少萬年，才有的我們。然後再過多少多少萬年，我們又毀滅了！我們有必要在毀滅之前因為沒當上處長而得抑鬱症嗎？

從光速不變的萌芽，到彎曲空間的宇宙，最終到達波動時空這一宇宙本真，愛因斯坦思想的光輝歷程不但為人類構建了眩目耀眼的相對論，也為人類發掘出引力波的宏偉寶藏。我們現在還無法描繪引力波的所有神奇用途，但它帶給我們的想像與期待實在無以倫比的迷人和壯觀。為人類展現引力波神話的愛因斯坦，無疑是最偉大的為人類盜取天火的現實版普羅米修斯。引力場預言徹底改變了時空幾何學的遊戲規則，它證實時間和空間是不可分割的四維整體，遠遠把牛頓力學拋在身後。

五

是的，我們的宇宙科學至今仍然不能超越愛因斯坦。也許永遠都無法超越。因為，宇宙很可能就是他說的這個樣子。

廣義相對論的驚世亮劍甚至贏得科學的「死敵」基督教。愛因斯坦之前，基督教基本上是反科學的，可儘管羅馬教廷燒死布魯諾、查禁哥白尼、監禁伽利略，但科學仍然不可阻擋地深入人心，牛頓力學更是一記打在胃部的重拳，疼得基督教直不起腰來，基督教從此只是「部分歐洲人的信仰」，神學家已經不敢下場跟科學家論戰。

基督教雖然號稱拯救全人類，但處理具體事務時跟普通政黨並無二致，也得遵循政治遊戲規則，比如「敵人的敵人就是我們的朋友」。牛頓學說被相對論打倒，廣義相對論宣布宇宙可能有限，基督教心情大舒服：宇宙有限，那宇宙之外不就是天堂么？所以，在愛因斯坦訪問英國的宴會上，坐在他旁邊的坎特伯雷大主教就恭恭敬敬地向愛因斯坦請教：「教授，聽說您的理論似乎提供了基督教的某種證據？」正遭德國科學界萬眾圍攻、急需同盟軍的愛因斯坦卻微笑著拒絕了基督教熱情洋溢的大手：「對不起，相對論純粹是科學問題，與基督教毫不相干。」愛因斯坦拒絕與敵人的敵人聯手。他知道，那樣他會得到一個強大的盟友，卻會就此輸掉自己。丘吉爾說，為打敗希特勒他可以跟魔鬼結盟。因此，丘吉爾雖然也很偉大，但跟愛因斯坦確實沒法兒比。真不是一個數量級。

1917年10月1日，在即將戰敗的德國，威廉大帝物理學院終於建成，愛因斯坦如約出任首任院長。這是他第二次當院長，薪水還挺高。一年後，1918年11月9日，隆冬降臨，德意志帝國投降，魏瑪共和國成立，第一次世界大屠殺結束。德意志民族舉國悲痛戰敗，而愛因斯坦等一小撮科學家高舉雙手歡迎。德國戰敗，證明愛因斯坦當初簽署《致歐洲人宣言》是正確的。

愛因斯坦會因此獲得德國科學界的萬眾歡呼嗎？

（作者系對外經貿大學教授，柏林洪堡大學博士生導師）

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