愛因斯坦提出相對論100周年

時間旅行 時間旅行也許意味著可以去修正或改變命運的發展，或是與歷史上的風雲人物們一起去見證偉大的歷史事件；人們當然也有可能去未來旅行，比如去那裡了解股市行情，探知科學上的新發現。時間旅行打開了一扇既可以回到過去又可以踏入未來的大門。 如果認為時間旅行僅僅只是一個科幻小說的題材，那就大錯特錯了，因為相對論的思想表明，時間旅行是可能的。 狹義相對論證明高速旅行會使時間變慢，假定將來的某個時候，人們已解決了所有的技術難題，能夠製造一艘以亞光速飛行的宇宙飛船，一定意義上的時間旅行就變成可能了。如果飛船以亞光速從地球出發向遙遠的星系飛去，來回的旅程僅僅幾年（按飛船上的時間），但在此期間地球上卻已過去了幾千年，一切都發生了天翻地覆的變化。如果人類文明依然還存在的話，那又會是一個什麼新的模樣呢？ 廣義相對論表明，時空可以不是平坦的，而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠的地方這兩點之間鑿出一個蟲洞，然後用某種「奇異物質」把洞口撐開，使之成為一個突然出現在宇宙中的超空間管道，讓我們在瞬間到達遙遠的彼岸。然後當我們返回時，蟲洞的奇異性質讓我們年輕了很多。 廣義相對論判定足夠的質量能改變和扭曲時空，數學家法蘭克·提普勒據此設想了把時空捲起來的時間旅行方法。他認為，如果太空中的一個巨大物體以一半光速旋轉，時空便會扭曲折回。因此，只要將來有人製造一個巨大的圓筒，它的長約為直徑的10倍，然後使圓筒以15萬公里/秒的速度旋轉，便會使圓筒中央附近產生一個扭曲折回的時空。 要將這圓筒當時間機器使用，宇宙飛船一定要開到圓筒的中心沿圓筒內壁盤旋飛行：逆圓筒旋轉的方向航行是駛入過去，順圓筒旋轉的方向航行是駛入未來，每盤旋一周都使宇宙飛船更深入過去或未來一些。時間旅行者到達了目的時間，便將飛船駛離圓筒。有一件必須明了的事是，正像所有理論上的時間機器一樣，就是駛向過去無論怎樣也不能到達比製成圓筒更早的時間。 時間旅行是一個極具幻想色彩、也極具魅力的話題，長期以來，科學家們提出的方案一個又一個，時間旅行可能遇到的問題也被熱烈討論著。總有一天，相對論迷人的光芒會照耀著我們開始真正的時間旅行。 原子裂變 1905年11月，愛因斯坦同樣在德國《物理學紀事》雜誌上發表了關於狹義相對論的第二篇文章：《物體的慣性同它所包含的能量有關嗎？》，這是一篇短文，在這篇論文中，他提出一個物體的質量並不是恆定不變的，而是隨著運動速度的增加而增加。這就是運動中物體的「質增效應」。 現在我們想像我們在推一輛小板車，板車很輕，上面什麼東西也沒有。假設這是一輛在真空中的「理想」板車，沒有任何摩擦力、也沒有任何阻力，因此，只要我們持續地推它，它的速度就越來越快，但隨著時間的推移，它的質量也越來越大，起初像車上堆滿了鋼鐵，然後好像是裝著一座喜馬拉雅山、再然後好像是裝著一個地球、一個太陽系、一個銀河系……當小板車接近光速時，好像整個宇宙都裝在它上面——它的質量達到無窮大。這時，你無論施加多大力，無論推多長時間，它都不可能運動得再快一些。 由此可見，光子既然以光速傳播，它的靜止質量就必須等於零，否則它的運動質量就會無窮大。 當物體運動接近光速時，我們不斷地對物體施加外力，供給能量，可物體速度的增加越來越困難，我們施加的能量去哪兒了呢？其實能量並沒有消失，而是轉化為了質量。這就是說，物體質量的增加與動能增加有著密切聯繫，或者說物體的質量與能量之間有著密切聯繫。愛因斯坦在說明這種聯繫的過程中，提出了著名的質能關係式：E=mc2. 能量等於質量乘以光速的平方，即使是在不甚關心其實用價值的純理論型的物理學家看來也是驚心動魄的，而在絕大多數人眼裡，能量等於質量乘以光速的平方，即能量是質量的900萬倍，是多麼誘人的前景呀！指甲蓋般大小的物質的質量如果完全消失，其釋放的能量是用以萬噸煤炭來計算的。 遺憾的是，沒人能隨便減少質量，譬如一塊石頭，我們盡可以用鎚子砸成小塊，然後碾成碎末，可是當你仔細地收集這些碎末後就會發現它的質量並未變化。 但是，十幾年後的1939年，約里奧·居里、費米、西拉德這三位科學家分別獨立發現了鏈式反應，使人類找到了釋放巨大原子能的方法。鈾235的核收到中子轟擊就會發生裂變，分裂成兩個中等質量的新原子核，放出1～3個中子，並釋放出巨大能量，這些中子又能引發其它鈾核再分裂，如此反覆，形成連鎖反應，不斷釋放巨大能量。這就是鏈式反應。 鏈式反應使原子能成為殺傷力巨大的新武器。僅僅在幾年後，人類第一顆原子彈在美國爆炸成功，緊接著日本人遭受了人類歷史上最殘酷的懲罰，幾十萬人死傷，其中一部分人瞬間還被原成基本粒子，真成了魂飛魄散。E=mc2在給人間帶來希望之前，帶來的先是致命的創傷，這一切對於深愛和平的愛因斯坦來說無疑是一記重拳，直至臨死前他仍為此痛心不已。 宇宙大爆炸 令我們這些當代人感到驚詫的是，遲至1917年，那些人類最具智慧的大腦仍然以為我們的銀河系就是整個宇宙，而這個銀河系大小的宇宙永遠都是穩定不變的，既不會變大也不會變小，這就是流傳了千百年的穩恆態宇宙觀。 1917年，愛因斯坦試圖根據廣義相對論方程推導出整個宇宙的模型，但他發現，在這樣一個只有引力作用的模型中，宇宙不是膨脹就是收縮。為了使這個宇宙模型保持靜止，愛因斯坦在他的方程里額外增加了一個新的概念——宇宙常數，它表示的是一種斥力，同引力相反，它隨著天體之間距離的增大而增強。這是一個假想的、用以抵消引力作用的力。 然而，愛因斯坦很快發現自己錯了。因為科學家們很快發現，宇宙實際上是膨脹的！ 最早觀察到這一點的是20世紀的天文學之父哈勃。哈勃1889年出生於美國的密蘇里州，畢業於芝加哥大學天文系。1929年，哈勃發現所有星系都在遠離我們而去，這表明宇宙正在不斷膨脹。這種膨脹是一種全空間的均勻膨脹，因此，在任何一點的觀測者都會看到完全一樣的膨脹，從任何一個星系來看，一切星系都以它為中心向四面散開，越遠的星系間彼此散開的速度越大。 宇宙的膨脹意味著，在早先，星體相互之間更加靠近，並且在更遙遠過去的某一刻，它們似乎在同一個很小的範圍內。 宇宙膨脹的消息傳到著名物理學家伽莫夫那裡去的時候，立即引起了這位學者的興趣。喬治·伽莫夫出生於俄國，自小對詩歌、幾何學和物理學都深感興趣，在大學時期成為物理學家弗里德曼的得意門生。弗里德曼曾在愛因斯坦之後提出了重要的宇宙膨脹模型，伽莫夫也成為宇宙膨脹理論的熱心支持人之一。1945年，人類史上第一顆原子彈爆炸成功，看著蘑菇雲升起的照片，伽莫夫突發靈感：把原子彈規模「放大」到無窮大，不就成了宇宙爆炸嗎？他把核物理知識和宇宙膨脹理論結合起來，逐漸形成了自己的一套大爆炸宇宙理論體系。 1948年，伽莫夫和他的學生阿爾法合寫了一篇著名論文，系統地提出了宇宙起源和演化的理論。與我們慣常的想法不同，這個創生宇宙的大爆炸不是發生在一個確定的點，然後向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是空間本身在擴展，星系物質隨著空間的擴展而分開。 根據大爆炸宇宙論，極早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。伽莫夫還作出了一個非凡的預言：我們的宇宙仍沐浴在早期高溫宇宙的殘餘輻射中，不過溫度已降到6K左右。正如一個火爐雖然不再有火了，還可以冒一點熱氣。 1964年，美國貝爾電話公司年輕的工程師——彭齊亞斯和威爾遜，因一次偶然的機會發現了伽莫夫所預言的早期宇宙的殘餘輻射，經過測量和計算，得出這個殘餘輻射的溫度是2.7K（比伽莫夫預言的溫度要低），一般稱為3K宇宙微波背景輻射。這一發現有力的佐證了宇宙大爆炸理論。 廣義相對論的智慧之處就在於，它從誕生起就能描述整個完整的宇宙，即使那些未知的領域也被全部囊括進去。讓它對付像太陽系這樣小小的、很普通的時空領域可真是大材小用了。 宇宙常數死而復生——暗能量 在發現了宇宙膨脹這個事實後，愛因斯坦就急急忙忙把他方程中的宇宙常數項去掉了，並認為宇宙常數是他「一生中最大的錯誤」。隨後，宇宙常數被拋進歷史的垃圾堆。 然而造化弄人，幾十年後，宇宙常數又像鬼魂般的復活了。這次宇宙常數的復活要歸因於暗能量的發現。 1998年，天文學家們發現，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴張，所有遙遠的星系遠離我們的速度越來越快。那麼一定有某種隱藏的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的方式撕扯開來，這是一種具有排斥力的能量，科學家們把它稱為「暗能量」。近年來，科學家們通過各種的觀測和計算證實，暗能量不僅存在，而且在宇宙中佔主導地位，它的總量約達到宇宙總量的73%，而宇宙中的暗物質約佔23%、普通物質僅約佔4%.我們一直以為滿天繁星就已經夠多了，宇宙中還有什麼能比得上它們呢？而現在，我們才發現這滿天繁星卻是「弱勢群體」，剩下的絕大部分都是我們知之甚少或乾脆一無所知的，這怎麼不讓人感到驚心動魄呢！ 事實上，早在1930年，就有天體物理學家指出，愛因斯坦那加入了宇宙常數的宇宙學方程並不能導出完全靜態的宇宙：因為引力和宇宙常數是不穩定的平衡，一個小小的擾動就能導致宇宙失控的膨脹和收縮。而暗能量的發現告訴我們，愛因斯坦那作為與引力相抗衡的宇宙常數不僅確確實實存在，而且大大擾動了我們的宇宙，使宇宙的膨脹速率嚴重失控。在經歷了一系列曲折後，宇宙常數正在時間中復活。 宇宙常數今日以暗能量的面目出現在世人面前，它所產生的洶湧澎湃的排斥力已令整個宇宙為之變色！暗能量和引力之間的角力戰自宇宙誕生起就沒有停止過，在這場漫長的戰鬥中，最舉足輕重的就是彼此的密度。物質的密度隨著宇宙膨脹導致的空間增大而遞減；但暗能量的密度在宇宙膨脹時，變化得非常緩慢，或者根本保持不變。在很久以前，物質的密度是較大的，因此那時的宇宙是處於減速膨脹的階段；現今的暗能量密度已經大於物質的密度，排斥力已經從引力手中徹底奪得了控制權，以前所未有的速度推動宇宙膨脹。根據一些科學家的預測，再過200多億年，宇宙將迎來動蕩的末日，恐怖的暗能量終將把所有的星系、恆星、行星一一撕裂，宇宙將只剩下沒有盡頭的寒冷、黑暗。 暗能量的發現，也充分地體現了人類認知過程又走進了一個「悖論怪圈」：即宇宙中所佔比例最多的，反而是最遲也是最難為我們所知曉的。一方面人類現在對宇宙奧秘的了解越來越多，另一方面我們所要面對的未知也越來越多。而這日益深遠的未知又反過來不斷刺激著人類去探索宇宙背後的真相。 暗能量是怎麼來的？它將如何發展？這已經是21世紀宇宙學所面臨的最重大問題之一。 黑洞大發現 廣義相對論表明，引力場可以造成空間彎曲，強大的引力場可以造成強烈的空間彎曲，那麼無限強大的引力場會產生什麼情況呢？ 1916年愛因斯坦發表廣義相對論後不久，德國物理學家卡爾·史瓦西就用這個理論描繪了一個假設的完全球狀星體附近的空間和時間是如何彎曲的。他證明，假如星體質量聚集到一個足夠小的球狀區域里，比如一個天體的質量與太陽相同，而半徑只有3公里時，引力的強烈擠壓會使那個天體的密度無限增大，然後產生災難性的坍塌，使那裡的時空變得無限彎曲，在這樣的時空中，連光都不能逃逸！由於沒有了光信號的聯繫，這個時空就與外面的時空分割成兩個性質不同的區域，那個分割球面就是視界。 這就是我們今天耳熟能詳的黑洞，但在那個年代，幾乎沒有人相信有這麼奇怪的天體存在，甚至包括愛因斯坦本人和愛丁頓這樣的相對論大師也明確表示反對這種怪物，愛因斯坦還說他可以證明沒有任何星體可以達到密度無限大。就連黑洞這個名稱也是一直到1967年才由美國物理學家惠勒命名。 歷史當然不會因此而停止前進，時間進入20世紀30年代，美國天文學家錢德拉塞卡提出了著名的「錢德拉塞卡極限」，即：一顆恆星當其氫核燃盡後的質量是太陽質量的 1.44倍以上時，將不可能變成白矮星，而會繼續坍塌收縮，變成體積比白矮星更小、密度比白矮星更大的星體，即中子星。1939年，美國物理學家奧本海默進一步證明，一顆恆星當其氫核燃盡後的質量是太陽質量的3倍以上時，其自身引力的作用將能使光線都不能逃出這個星體的範圍。 隨著經驗的積累，關於黑洞的理論變得成熟起來，人們從徹底拒絕這個怪物到漸漸相信它，到20世紀60年代，人們已普遍接受黑洞的概念，黑洞的奧秘被逐漸研究出來。 嚴格而言，黑洞並不是通常意義下的「星」， 而只是空間的一個區域。這是與我們日常宇宙空間互不連通的區域，黑洞視界將這兩個區域隔絕開，在視界以外，可以由光信號在任意距離上相互聯繫，這就是我們所居住的正常宇宙；而在視界以內，光線並不能自由地從一個地方傳播到另一個地方，而是都朝向中心集聚，事件之間的聯繫受到嚴格限制，這就是黑洞。 在黑洞的內部，物體向黑洞墜落的過程中，潮汐力越來越大，在中心區域，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，物質其他特性全部喪失，原子、分子等等都將不復存在！在這種情形下，無法談論黑洞的哪一部分物質，黑洞是一個統一體！ 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，這就是所謂的「奇點」狀態。廣義相對論無法對此進行考察，而必須代之以新的正確理論——量子理論。諷刺的是，廣義相對論給我們導出了一個黑洞，卻在黑洞的奇點之處失效，量子理論取而代之，而量子理論和相對論卻根本互不相容！
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