爱因斯坦的梦
2013浙江理综史蒂芬·霍金
二十世纪初叶的两种新理论完全改变了我们有关空间和时间以及实在本身的思维方式。在超过七十五年后的今天，我们仍在消化它们的含义，以及想把它们合并成能描绘宇宙中万物的统一理论之中。这两种理论便是广义相对论和量子力学。广义相对论是处理空间和时间，以及它们在大尺度上如何被宇宙中的物质和能量弯曲或卷曲的问题。另一方面，量子力学处理非常小尺度的问题。其中包括了所谓的不确定性原理。该原理说，人们永远不可能同时准确地测量一颗粒子的位置和速度，你对其中一个量能测量得越精细，那么只能对另一个量测量得越不精细。永远存在一种不确定性或几率的因素，这就以一种根本的方式影响了物体在小尺度下的行为。爱因斯坦几乎是单独地创立了广义相对论，他在开展量子力学中起过重要的作用。他对后者的态度可以总结在“上帝不玩弄骰子〞这句短语之中。但是所有证据说明，上帝是一位老赌徒，他在每一种可能的场合掷骰子。将在这篇短文中阐述在这两种理论背后的根本思想，并说明爱因斯坦为什么这么不喜欢量子力学。我还将描绘当人们试图把这两种理论合并时似乎要发生的显著的事物。这些说明时间本身在大约一百五十亿年前有一个开端，而且它在将来的某点会到达终结。然而，在另一种时间里，宇宙没有边界。它既不被创 生，也不被消灭。它就是存在。让我从相对论开场。国家法律只在一个国家内有效，但是物理定律无
论是在英国、美国或者日本都是同样的。它们在火星和仙女座星系上也是一样的。不仅如此，不管你以任何速度运动定律都是一样的。定律在子弹列车或者喷气式飞机上正和对站立在某处的某人
是一样的。当然，甚至在地球上处于静止的某人在事实上正以大约为每秒18.6英里〔30公里〕的速度绕太阳公转。太阳又是以每秒几百公里的速度绕着银河系公转，等等。然而，所有这种运动都不影响科学定律，它们对于一切观测者都是一样的。这个和系统速度的无关性是伽利略首次发现的。他开展了诸如炮弹或行星等物体的运动定律。然而，在人们想把这个观测者速度无关性推广到制约光运动的定律时就产侯永庭 上海
生了一个问题。人们在十八世纪发现光从光源到观测者不是瞬息地传播的，它以某种大约为每秒186000英里〔300000公里〕的速度旅行。但是，这个速度是相对于什么而言的呢？似乎必须存在弥没在整个空间的某种介质，光是通过这种介质来旅行的。这种介质被称作以太。其思想是，光波以每秒186000英里的速度穿越以太旅行，这说明一位相对于以太静止的观测者会测量到大约每秒186000英里的光速，但是一位通过以太运动的观测者会测量到更高或更低的速度。尤其是人们相信，在地球绕太阳公转穿越以太光阴速应当改变。然而，1887年麦克尔逊和莫雷进展的一次非常精细的实验指
出，光速总是一样的。不管观测者以任何速度运动，他总是测量到每秒186000英里的光速。这怎么可能是真的呢？以不同速度运动的观测者怎么会都测量到同样的速度呢？其
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答案是，假如我们通常的空间和时间的观念是对的，那么他们不可能。然而，爱因斯坦在1905年写的一篇著名的论文中指出，假如观测者抛弃普适时间的观念，他们所有人就会测量到一样的光速。相反地，他们各自都有自己单独的时间，这些时间由各自携带的钟表来测量。假如他们相对运动得很慢，那么由这些不同的钟表测量的时间几乎完全一致，但是假如这些钟表进展高速运动，那么它们测量的时间就会有重大差异。在比拟地面上的和商业航线上的钟表时就实际上发现了这种效应，航线上的钟表比静止的钟表走得略微慢一些。然而，对于正常的旅行速度，钟表速率的差异非常微小。你必须绕着地球飞四亿次，你的寿命才会被延长一秒钟，但是你的寿命却被所有那些航线的糟糕餐饮缩短得更多。人们具有自己单独时间这一点，又何以使他们在以不同速度旅行时测量到同样的光速呢？光脉冲的速度是它在两个事件之
间的间隔除以事件之间的时间间隔。〔这里事件的意义是在一个特定的时间在空间中单独的一点发生的某种事物。〕以不同速度运动的人们在两个事件之间的间隔上看法不会一样。例如，假如我测量在高速公路上奔驰的轿车，我会认为它仅仅挪动了一公里，但对于在太阳上的某个人，由于当轿
气刨碳棒车在路上行走时地球挪动了，所以他觉得轿车挪动了1800
公里。因为以不同速度运动的人测量到事件之间不同的间隔，所以假如他们要在光速上互相一致，就必须也测量到不同的时间间隔。爱因斯坦在1905所写的论文中提出的原始的相对论是我们如今称作狭
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义相对论的东西。它描绘物体在空间和时间中如何运动。它显示出，时间不是和空间相别离的自身存在的普适的量。正如上下、左右和前后一样，将来和过去不如说仅仅是在称作时空的某种东西中的方向。你只能朝时间将来的方向前进，但是你能沿着和它夹一个小角度的方向前进。这就是为什么时间能以不同的速率流逝。狭义相对论把时间和空间合并到一起，但是空间和时间仍然是事件在其中发生的一个固定的背景。你可以选择通过时空运动的不同途径，但是对于修正时空背景却无能为力。然而，当爱因斯坦于1915年提出了广义相对论后这一切都改变了。他引进了一种革命性的观念，即引力不仅仅是在一个固定的时空背景里作用的力。相反的，引力是由在时空中物质和能量引起的时空畸变。譬如炮弹和行星等物体要沿着直线穿越时空，但是由于时空是弯曲的卷曲的，而不是平坦的，所以它们的途径就显得被弯折了。地球要沿着直线穿越时空，但是由太阳质量产生的时空曲率使它必须沿着一个圆圈绕太 阳公转。类似地，光要沿着直线旅行，但是太阳附近的时空曲率使得从遥远恒星来的光线在通过太阳附近时被弯折。在
通辽市工商局通常情况下，人们不能在天空中看到几乎和太阳同一方向的恒星。然而在日食时，太阳的大局部光线被月亮遮挡了，人们就能观测到从那些恒星来的光线。爱因斯坦是在第一次世界大战期间孕育了他的广义相对论，那时的条件不合适于作科学观测。但是战争一完毕，一支英国的探险队观测了1919年的日食，并且证实了广义相对论的预言：时空不是平坦的，它被在其中的物质和能量所弯曲。这是爱因
斯坦的伟大成功。他的发现完全变革了我们考虑空间和时间的方式。它们不再是一件在其中发生的被动的背景。我们再也不能把空间和时间设想成永远前进，而不受在宇宙中发惹事件影响的东西。相反的，它们如今成为动力学的量，它们和在其中发生的事件互相影响。质量和能量的一个重要性质是它们总是正的。这就是引力总是把物体互相吸引到一起的原因。例如，地球的引力把我们吸引向它，即便我们处于世界的相反的两边。这就是为什么在澳大利亚的人不会从世界上掉落出去的原因。类似地，太阳引力把行星维持在围绕它公转的轨道上并且阻止地球飞向黑暗的星际空间。按照广义相对论，质量总是正的这个事实意味着，时空正如地球的外表那样向自身弯折。假如质量为负的，时空就会像一个马鞍面那样以另外的方式弯折。这个时空的正曲率反映了引力是吸引的事实。爱因斯坦把它看作重大的问题。那时人们广泛地相信宇宙是静止的，然而假如空间特别是时间向它们自身弯折回去的
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