[史蒂芬·霍金]相對論簡史

相對論簡史

史蒂芬·霍金　著　　翟宏營、張嵐譯

十九世紀後期，科學家相信他們對宇宙的完整描述已經接近尾聲。他們想像一種叫「以太」的連續介質充滿了宇宙空間，就象空氣中的聲波一樣，光線和電磁信號是「以太」中的波。 然而，與空間完全充滿「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，光線傳播速度相對於「以太」應是一個定值，因此，如果你沿與光線傳播相同的方向行進，你所測量到的光速應比你在靜止時測量到的光速低；反之，如果你沿與光線傳播相反的方向行進，你所測量到的光速應比你在靜止時測量到的光速高。但是，一系列實驗都沒有找到造成光速差別的證據。 在這些實驗當中，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，是最準確細緻的。他們對比兩束成直角的光線的傳播速度，由於圍著自轉軸的轉動和繞太陽的公轉，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應因地球的運動而測量到不同的速度，莫里發現，無論是晝夜或冬夏都未引起兩束光線光速的不同。不論你是否運動，光線看起來總是以相對於你同樣的速度傳播。 愛爾蘭物理學家喬治·費茲哥立德和荷蘭物理學家亨卓克·洛侖茲，最早認為相對於「以太」運動的物體在運動方向的尺寸會收縮，而相對於「以太」運動的時鐘會變慢。而對「以太」，費茲哥立德和洛侖茲當時都認為是一種真實存在的物質。 這時候，工作在瑞士首都伯爾尼的瑞士專利局的一個名叫阿爾波特·愛因斯坦的年輕人，插手「以太」說，並一次性永遠地解決了光傳播速度的問題。 在1905年的文章中，愛因斯坦指出，由於你無法探測出你是否相對於「以太」的運動，因此，關於「以太」的整個概念是多餘的。相反，愛因斯坦認為科學定律對所有自由運動的觀察者都應有相同的形式，無論觀察者是如何運動的，他們都應該測量到同樣的光速。 愛因斯坦的這個思想，要求人們放棄所有時鐘測量到的那個普適的時間概念，結果是，每個人都有他自己的時間值：如果兩個人是相對靜止的，那麼，他們的時間就是一致的；如果他們間存在相互的運動，他們觀察到的時間就是不同的。 大量的實驗證明了愛因斯坦的這個思想是正確的，一個繞地球旋轉的精確的時鐘，與存放在實驗室中的精確時鐘確有時間指示上的差別。如果你想延長你的生命，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，你無論如何可以獲得那零點幾秒的生命延長，也可以以此彌補因你進食航空食品而帶來的損害。愛因斯坦認為的對所有自由運動的觀察者自然定律都相同這個前提，是相對論的基礎，這樣說的原因是因為，這個前提隱含了只有相對運動是重要的。雖然相對論的完美與簡潔折服了許許多多科學家和哲學家，但是仍然有很多的相反意見。愛因斯坦摒棄了19世紀自然科學的兩個絕對化觀念：「以太」所隱含的絕對靜止和所有時鐘所測量得到的絕對或普適時間。人們不禁要問：相對論是否隱含了任何事物都是相對的而不再會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，愛因斯坦由於對光電效應的貢獻，得到了諾貝爾物理獎【注1】，但由於相對論的複雜及有爭議，諾貝爾獎的授予隻字未提相對論。 到現在我仍然每周收到2至3封信，告訴我愛因斯坦錯了。儘管如此，現在相對論被科學界完全接受，相對論的預言已經被無數的實驗所證實。 相對論的一個重要結果是質量與能量的關係。愛因斯坦的假定光速對所有的觀察者是相同的，暗示了沒有可以超過光速運行的事物，如果給粒子或宇宙飛船不斷地供應能量，會發生什麼現象呢？被加速物體的質量就會增大，使得很難進行再快的加速，要想把一個粒子加速到光速是不可能的，因為那需要無限大的能量。質量與能量的等價關係被愛因斯坦總結在他的著名的質能方程「E＝mc2"中，這或許是能被大街小巷婦孺皆知的唯一一個物理方程了。 鈾原子核裂變成兩個小的原子核時，由於很小一點的質量虧損，會釋放出巨大的能量。這就是質能方程眾多結論中的一個。1939年，第二次世界大戰正陰雲密布，一組意識到裂變反應應用的科學家說服愛因斯坦戰勝自己是和平主義者的顧忌，去給當時的美國總統富蘭克林·德拉諾·羅斯福寫信，勸說美國開始核研究計劃，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因斯坦發現了質能關係，但是這種責難就像因有飛機遇難折戟而責備牛頓發現了萬有引力一樣。愛因斯坦沒有參與曼哈頓工程的任何過程並驚懼於那巨大的爆炸。 儘管相對論與電磁理論的有關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分布，整個宇宙中重力場的改變是同時發生的，這不但意味著你可以發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間概念，這又是為相對論所拋棄的。 愛因斯坦從1907年就知道了這個不相容的困難，那時他還在波恩的專利局工作，但直到1911年，愛因斯坦在德國的布拉格工作時，他才深入思考這個問題。愛因斯坦意識到加速與重力場的密切關係，在密封廂中的人，無法區分他自己對地板的壓力是由於他處在地球的重力場中的結果，還是由於在無引力空間中他被火箭加速所造成的。（這些都發生在「星際旅行」【注2】的時代之前，愛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，人們可以說蘋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果上是等價的。但是，這種加速與重力的等價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被反向加速，但兩面觀察者之間的距離卻是不變的。1912年在轉回瑞士蘇黎士時，愛因斯坦來了靈感，他意識到如果真實幾何中引入一些調整，重力與加速的等價關係就可以成立。愛因斯坦想像，如果三維空間加上第四維的時間所形成的空間－時間實體是彎曲的，那結果是怎樣的呢？他的思想是，質量和能量將會造成時空的彎曲，這在某些方面或許已經被證明。像行星和蘋果，物體將趨向直線運動，但是，他們的徑跡看起來會被重力場彎曲，因為時空被重力場彎曲了。 在他的朋友馬歇爾·格盧斯曼的幫助下，愛因斯坦學習彎曲空間及表面的理論，這些抽象的理論，在玻恩哈德·瑞曼將它們發展起來時，從未想到與真實世界會有聯繫。1913年，在愛因斯坦與格盧斯曼合作發表的文章中，他們提出了一個思想：我們所認識的重力，只是時空是彎曲的事實的一種表述。但是，由於愛因斯坦的一個失誤（愛因斯坦是個真正的人，也會犯錯誤），他們當時未能找出聯繫時空彎曲的曲率與蘊含於其中的能量質量的關係方程。 在柏林時，愛因斯坦繼續就這個問題進行工作，他沒有了家庭的煩擾【注3】，在很大程度上也未被戰爭所影響。1915年11月，愛因斯坦最終發現了聯繫時空彎曲與蘊含其中的能量質量的關係方程式。1915年夏天，在訪問哥廷根大學期間，愛因斯坦曾與數學家戴維·希爾波特討論過他的這個思想，希爾波特早於愛因斯坦幾天也找到了同樣的方程式。儘管如此，正如希爾波特所承認的，這種新理論的榮譽應屬於愛因斯坦，而正是愛因斯坦將重力與彎曲時空聯繫起來。這還應感謝文明的德國，因為，是在那裡，在當時的戰爭期間，這樣的科學討論及交流仍能夠得以不受影響地進行，與20年後（指二戰，編者注）所發生的事形成多麼大的對比！ 關於彎曲時空的新理論叫做「廣義相對論」，以區別與原初不包含重力的理論，而那個理論被改稱為「狹義相對論」。1919年，「廣義相對論」被以頗為壯觀的形式證明：當時的一隻英國科學考察隊遠徵到西非，在日食期間觀察到天空中太陽附近一顆恆星位置的微小移動。正如愛因斯坦所預言的：恆星所發出的光線，在經過太陽附近時，由於太陽的引力而彎曲了。這是證明時空彎曲的一個直接證據，從公元前300年歐幾里得完成他的《原本》後，這是一個人類感知他們存在於宇宙的最大的革命性的更新。 愛因斯坦的「廣義相對論」將「時空」由被動的事件發生背景轉化為動態宇宙中的主動參與者，這導致了居於科學前沿的一個巨大困難，在20世紀結束之際仍未解決。宇宙充滿了物質，物質又導致時空彎曲而使得物體相互聚集。在用「廣義相對論」解釋靜態的宇宙時，愛因斯坦發現他的方程式是無解的，為變通他的方程式而適應靜態宇宙，愛因斯坦加入了一個稱為「宇宙常量」的項，這個「宇宙常量」將時空再彎曲，以使所有的物體分離開，「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久平衡。 事實上，這成了在理論物理歷史上人類喪失的最大機遇之一。如果愛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察到離我們越遠的星系在以越快的速度遠離我們時，宇宙依時間而變化的可能性才被鄭重地加以考慮。換一句話說，宇宙正在擴展，任何兩個星系之間的距離正在隨著時間的推移而穩定地增加。愛因斯坦後來稱「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。靜止的宇宙可能會永久存在，或者說，在過去的某個時間，當這一靜止的宇宙產生時，它就已經是現在的形態了。從另一方面來說，如果現在星系們正在彼此遠離，它們在過去的時間裡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窮大。根據「廣義相對論」，宇宙大爆炸標誌著宇宙的起源，時間的開始。從這個意義上說，愛因斯坦不僅僅是過去100年中最偉大的人物，他應該獲得人們更長久的尊重。 在黑洞中，空間與時間是如此的彎曲，以至於黑洞吸收了所有的光線，沒有一絲光線可以逃逸。「廣義相對論」因此預言時間應終止於黑洞中。但是，廣義相對論方程並不適用於時間的開始與終結這兩種極端情形。因而這一理論並不能揭示從大爆炸中究竟產生了什麼。一些人認為這是上帝萬能的一種象徵，上帝可以以他想要的方式來開創宇宙。 但是另一些人（包括我自己）認為宇宙的起源應該服從於一種任何時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於大爆炸的原因在於，它與20世紀初另一偉大的概念性的突破———量子理論並不相容。量子理論的最初提出是在1900年，當時在柏林工作的麥克斯·普朗發現，從紅熱物體上發出的輻射可以解釋為光線是以有特定大小的能量單元發出的，普朗克把這種能量單元稱為量子。打一個比方，輻射像是一包包的白糖，在超級市場里，並不是你想要多少的量都行，你只能買每袋一磅的包裝。1905年，愛因斯坦在他撰寫的一篇論文中，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會釋放電子的現象。這一效應是現代光探測器和電視照相得以應用的基礎，愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾獎。 愛因斯坦對量子構想的研究直至20年代，當時哥本哈根的華納·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的新畫卷。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。 對於這種基本定律中的任意性和不可預知性，愛因斯坦惶惑不已，他最終未能接受量子機制。他的著名的「上帝並未在擲骰子」的格言就表達出了這一感受。雖然如此，大多數科學家都接受了全新的量子機制定律，並對其適用性加以承認，因為這些定律不但與實驗結果吻合極好，而且可以解釋許多先前無法解釋的現象。這些定律成了當代化學、分子生物學以及電子學得以發展的基礎，也是在過去半個世紀內改變整個世界的科技基石。 1933年，納粹統治了德國，愛因斯坦離開了這個國家，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研究所度過了他生命最後22年的時光。納粹發起了一場反對「猶太科學」及猶太科學家的運動（猶太科學家被驅逐是德國未能建成原子彈的原因之一），而愛因斯坦及他的相對論是這場運動的主要目標。當被告知一本名為《反對愛因斯坦的100位科學家》的書得以出版時，愛因斯坦回答，為什麼要100位？一位就足以證明我錯了，如果我真的錯了的話。 二戰後，他敦促盟軍設立一個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。「政治是暫時的，」他寫道，「而方程式是永恆的。」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。 在過去的100年中，世界經歷了前所未有的變化。其原因並不在於政治，也不在於經濟，而在於科學技術———直接源於先進的基礎科學研究的科學技術。沒有科學家能比愛因斯坦更代表這種科學的先進性。（本文略有刪節） 【注1】愛因斯坦早在1919年與他的蘇黎士專門學院同學、塞爾維亞族妻子米列娃·瑪莉科離婚時，就已經答應將諾貝爾獎給予她。當時愛因斯坦已經確信自己將可以得到諾貝爾獎，只是沒有想到獲獎是由於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電視劇。 【注3】米列娃·瑪莉科初陪愛因斯坦到柏林，旋即離開，攜他們的兩個兒子回瑞士，三年後離婚。後愛因斯坦與有一個女兒的當時離異的表妹愛爾莎結合，愛爾莎給予了愛因斯坦無微不至的關懷，伴他度過探索「廣義相對論」的歲月。瑪莉科對愛因斯坦創立「狹義相對論」有所貢獻，但她從未提起，離婚後她從事數學和物理教學。
推薦閱讀：