《完美理論》試讀

引言

1919年11月6日，在英國皇家學會暨皇家天文學會的聯(lián)席會議上，亞瑟·愛丁頓站起身來走上講臺，公布了他的探險隊在非洲西海岸的一個郁郁蔥蔥的小島普林西比的天文觀測結(jié)果，引力物理學的傳統(tǒng)研究模式就此被顛覆。這位劍橋天文學家以莊嚴的語調(diào)描述了他的探險隊是如何在那里建立起一個天文望遠鏡觀測站，并對日全食天象進行非常細心地拍攝，以捕捉途經(jīng)太陽的星光所發(fā)生的微弱偏折信號的。他們的觀測表明，由英國科學的守護神艾薩克·牛頓發(fā)明的、被當作事實接受了兩個多世紀的引力理論是錯誤的。他聲稱，觀測結(jié)果與阿爾伯特·愛因斯坦提出的被稱為廣義相對論的新的正確理論所作的預言一致。

當時，人們已經(jīng)知道愛因斯坦理論具有解釋宇宙的潛力，同時也知道要驗證這種預言存在著難以置信的困難。會議結(jié)束后，在聽眾和發(fā)言者一同離開會議廳，將要消失在倫敦的夜色中的當兒，一個名叫路德維克·西爾伯斯坦的波蘭物理學家緩步走向愛丁頓。西爾伯斯坦曾寫過一本介紹愛因斯坦的狹義相對論的書，現(xiàn)在他對愛丁頓所作的有關廣義相對論的發(fā)言很感興趣。他對愛丁頓說道：愛丁頓教授，你肯定是這世界上理解廣義相對論的三個人之一。在愛丁頓正遲疑該怎么回答時，他接著補充說：別謙虛了，愛丁頓。愛丁頓看著他正色道：哦不是，我正在想這第三個人是誰。

當我第一次知道愛因斯坦的廣義相對論的時候，西爾伯斯坦給出的人數(shù)估計很可能要向上調(diào)整了。那是在1980年代初，我在電視系列節(jié)目《宇宙》里看到卡爾·薩根談論空間和時間如何能夠收縮或伸展。我當即要我爸給我解釋這個理論。但他能告訴我的只是這個理論非常非常的難懂。幾乎沒有人能搞懂廣義相對論，他說。

我不是那么容易卻步的人。這個奇怪的理論里一定有某種深深吸引人的東西，只是它被扭曲的時空網(wǎng)絡包裹得那么緊，以至于很難看得清。我在《星際迷航》中可以看到廣義相對論的影子。影片中，當企業(yè)號飛船被暗星踢回到過去，或者當柯克船長在不同的時空維之間來回掙扎時，都用到廣義相對論來解釋。但這個理論真的就這么令人費解？

幾年后，我在里斯本上大學，學的是土木工程。這所由石頭、鋼鐵和玻璃構成的龐大建筑群落堪稱薩拉查政權時期^[1]法西斯建筑美學的完美典范。大學的課程設置里包含了無窮無盡的講座，我們被灌輸各種有用的東西：如何搭建計算機、橋梁和機器。我們幾個對現(xiàn)代物理學感興趣的同學便在課余時間閱讀現(xiàn)代物理來逃避這種苦差事。我們都想成為愛因斯坦。不論是當時還是現(xiàn)在，他的一些概念不經(jīng)意間就會出現(xiàn)在我們的講座里。我們懂得了能量是如何與質(zhì)量相聯(lián)系的，以及為什么說光實際上是由粒子構成的。正是在學習電磁波的知識時，我們開始了解愛因斯坦的狹義相對論。他想出這套理論是在1905年，一個26歲的青年，比當時的我們年長不了多少。我們的一位比較開明的導師鼓勵我們?nèi)ラ喿x愛因斯坦的原始論文。與課業(yè)布置的繁瑣練習相比，這些論文真好比是玲瓏剔透的小寶石。但愛因斯坦的廣義相對論是關于時空的宏大理論，不是閱讀書目的一部分。

我決定自學廣義相對論。我搜遍大學圖書館，找到了一些由20世紀最偉大的物理學家和數(shù)學家編撰的專著和教材。這些作者里有劍橋皇家天文學家亞瑟·愛丁頓、哥廷根幾何學家赫爾曼·外爾，量子物理學之父埃爾溫·薛定諤和沃爾夫?qū)?middot;泡利等。所有這些大家都用自己的獨特方式講述了該如何教授愛因斯坦的這門理論。有一本大部頭著作看起來就像一厚本電話簿，有一千多頁，里面還有三位美國相對論專家的贊詞和評論。而另外一本由量子物理學家保羅·狄拉克所撰的小書則薄得勉強湊夠了70頁。我覺得我進入了一個由最富魅力的物理學大家所構筑的全新的概念世界。

理解他們的思想不是很容易。我不得不學著用一種全新的方式一種在最初階段需要用難以捉摸的幾何學和深奧的數(shù)學的方式來思考。解碼愛因斯坦理論需要掌握不熟悉的數(shù)學語言。當時我還不知道當年愛因斯坦自己也是做足了同樣的功課才建立起他的這一理論。一旦掌握了這種語言的詞匯和語法，閱讀起來就變得得心應手了，同時也由此開始了我一生的對廣義相對論的迷戀。

這聽起來好像過于夸張，但我實在找不出其他語言來形容：學習愛因斯坦廣義相對論的最好的回報就是能夠準確理解宇宙的歷史、時間的起源，以及宇宙中所有恒星和星系的演化。廣義相對論能夠告訴我們在宇宙最遠的地方是什么樣的狀態(tài)，它能夠解釋這些知識是如何影響到我們在此時此地的存在。愛因斯坦的這一理論還揭示了存在的最小尺度，在這種尺度下，能量最高的粒子可以無中生有地應運而生。它可以解釋實在、空間和時間的結(jié)構是如何出現(xiàn)的并成為大自然的框架。

在緊張學習的這幾個月里，我所學到的是，廣義相對論將空間和時間變活了�？臻g不再僅僅是事物存在的地方，時間也不再是滴答作響的時鐘所顯現(xiàn)的保持事物運行的標簽。根據(jù)愛因斯坦相對論，空間和時間是一曲交織在一起的宇宙之舞，它們對你可以想象的任何一丁點東西從粒子到星系做出響應。它們將自身編織成能夠產(chǎn)生最離奇效果的復雜圖案。從他第一次提出之后，這一理論就被用于探索自然世界，揭示出宇宙是一個充滿活力的地方，它以極快的速度擴張，充滿了黑洞，空間和時間遭到毀滅性的穿刺，到處是巨大的能量波，每一波浪涌所攜帶的能量幾乎同整個星系的能量一樣多。廣義相對論已經(jīng)讓我們走得比我們曾經(jīng)想象的更遠。

當我第一次學習廣義相對論時，讓我震驚的還不止這些。雖然愛因斯坦發(fā)展這一理論花了差不多10年時間，但它一經(jīng)建立便保持至今不曾再變。近一個世紀來，它一直被許多人認為是完美的理論，任何一位有幸了解它的人都對它深表欽佩。廣義相對論，作為現(xiàn)代思想的核心，作為與西斯廷教堂、巴赫大提琴組曲或安東尼奧尼電影比肩的一項巨大的文化成就，已經(jīng)以其放之四海而皆準的普適性成為一個標志。廣義相對論可以濃縮成一組很容易歸結(jié)并寫下來的方程組和法則。它們不僅優(yōu)美，而且能夠?qū)ΜF(xiàn)實世界給出一些說法。它們被用來對宇宙的運行進行預言，而且這些預言均已得到觀察的證實。廣義相對論里埋有這樣一個堅定的信念：宇宙中藏著有待探索的更深層秘密。我還想得到什么？

近25年來，廣義相對論一直是我生活的一部分。它一直是我的很多項研究的核心，為我和我的合作者試圖理解的東西提供支撐。我初學愛因斯坦理論的經(jīng)歷遠遠談不上有多獨特。世界各地都有迷上愛因斯坦理論的人，有些人為了揭開它的奧秘付出了自己的一生。這些事情真的就發(fā)生在世界各地從金沙薩到克拉科夫，從坎特伯雷到圣地亞哥。我經(jīng)常要寄送研究論文，它們的作者都試圖找到廣義相對論方程的新的解，甚至想修正這一理論。愛因斯坦的理論也許難以把握，但它十分民主。它的困難和棘手只是表明，在它的全部意義被發(fā)掘出來之前仍有許多東西值得探討。任何人，只要有筆和紙，再加上耐心，都有機會在此一展身手。

我經(jīng)常聽到博士生導師告訴他們的學生，如果你害怕日后找不到工作，就不要去碰廣義相對論。對許多人來說，這一理論實在是太深奧了。那些一生致力于廣義相對論的人絕對是出于熱愛，這是一項幾乎得不到回報的事業(yè)。但是，你一旦發(fā)現(xiàn)了其中的一個問題，你就不可能再離開相對論。最近，我遇到一位搞氣候變化建模的領軍人物。他是這個領域的先驅(qū)，是英國皇家學會會員，是天氣和氣候預報這一極度困難研究領域的專家。但他從沒有打算在這一領域干一生。事實上，作為20世紀70年代的年輕人，他研究的是廣義相對論。這差不多是40年前的事兒了，但當我們第一次見面時，他苦笑著告訴我：其實我是個相對論學者。

我的一個朋友很早以前就離開了學術界，此前他曾研究愛因斯坦理論將近20年。現(xiàn)在他在一家軟件公司工作，研發(fā)大數(shù)據(jù)的存儲方法。他每周都要在世界各地飛來飛去，為銀行、企業(yè)和政府機關去設立這些高度復雜昂貴的系統(tǒng)。然而，當我們見面時，他總是想問我一些有關愛因斯坦理論的問題，或與我分享他對廣義相對論的最新想法。他離不開它。

關于廣義相對論，有一件事一直困擾著我：盡管過去了近一個世紀，這一理論是怎么不斷產(chǎn)生新結(jié)果的？我本來以為，鑒于有那么多精英致力于發(fā)展這一理論，它早在幾十年前就該被發(fā)掘殆盡了。這個理論可能是困難的，但我們從中汲取的營養(yǎng)難道就沒有個上限？難道黑洞和宇宙膨脹還不夠豐富？但當我不斷深入研究由愛因斯坦理論導出的許多思想，不斷與從事這一理論的杰出人才交流接觸，我就越發(fā)意識到廣義相對論的故事是一部迷人的、宏大的作品，它的發(fā)展也許和這一理論本身一樣復雜。理解為什么這一理論還如此鮮活的關鍵就是追蹤其百年來的艱辛歷程。

本書是關于廣義相對論的傳記。愛因斯坦關于空間和時間如何交織在一起的思想有它自身的生命發(fā)展邏輯。整個20世紀里，它既給那些世界上最聰明的大腦帶來喜悅，也讓他們深受挫敗的痛苦。廣義相對論是這樣一種理論，它時不時就會扔出一些有關自然世界的令人驚喜的古怪見解，盡管這些見解就連愛因斯坦本人也難以接受。隨著這一理論的不斷傳播，各種新穎的和意想不到的發(fā)現(xiàn)以最奇特的情形冒出來。黑洞的最初設想是在第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)場上，后來又同時遞交到美國和蘇聯(lián)的原子彈開拓者的手中。宇宙膨脹的想法最早是由一位比利時神父和一位俄國數(shù)學家兼氣象學家提出的。對于廣義相對論的建立起到至關重要作用的新奇的天體是偶然被發(fā)現(xiàn)的。喬斯琳·貝爾是在劍橋用木頭、鐵絲和釘子搭建的搖搖晃晃的鐵架上發(fā)現(xiàn)的中子星。

廣義相對性原理也是20世紀幾場重大思想戰(zhàn)役的核心。它是希特勒德國迫害的目標，是斯大林的俄國追逐的對象，在1950年代又被美國打入冷宮。它挑起了物理學界和天文學界的各路大腕為爭奪宇宙的終極理論而互相攻擊。在探求宇宙是否由一聲巨響開始，或宇宙是否會永恒存在，以及時間和空間的基本結(jié)構到底是什么等問題上，他們時不時就會將廣義相對論抖落出來。這一理論還將遙遠的社區(qū)連接在一起：在冷戰(zhàn)中，蘇聯(lián)、英國和美國的科學家曾就解決黑洞的起源問題坐在了一起。

廣義相對論的故事并不是只關于過去。在過去的10年里，這一點已經(jīng)很明顯：如果廣義相對論是正確的，那么大部分宇宙就將是暗的。宇宙中充滿了這樣一種東西，它不僅不發(fā)光，而且甚至不反射光也不吸收光。觀測證據(jù)是壓倒性的。宇宙中近三分之一的物質(zhì)似乎是由暗物質(zhì)構成的，這是一種重的、看不見的東西，它們就像一群憤怒的蜜蜂涌在星系的周圍。另外三分之二的虛無縹緲的物質(zhì)則以暗能量形式存在，它們將空間推離開。只有4％的宇宙是由我們所熟悉的東西原子構成的。我們是微不足道的。也就是說，如果愛因斯坦的理論是正確的，那么就可能當然僅僅是可能我們正趨近廣義相對論的極限，愛因斯坦理論已經(jīng)開始被破解。

愛因斯坦理論也是那些整天掛在理論物理學家嘴上的關于自然的新的基本理論的基本要素。弦理論，一種試圖比牛頓和愛因斯坦走得更遠，大有要統(tǒng)一自然界的一切之勢的理論，依賴于具有更高維上奇特的幾何性質(zhì)的復雜時空。有些人將這種比愛因斯坦理論遠更深奧的理論贊譽為終極理論，而另一些人則將它抨擊為浪漫小說，甚至不是科學。就像一種出格的邪教，如果不是有廣義相對論在前，弦理論也不會存在，但許多相對論學者卻拿懷疑的眼光來看待它。

暗物質(zhì)、暗能量、黑洞和弦理論都是愛因斯坦理論的后代，它們主宰著物理學和天文學。在給各大學做講座，參加研討會，出席歐洲航天局會議，負責一些世界上最重要的科學衛(wèi)星節(jié)目的過程中，我認識到，我們正處在現(xiàn)代物理學的一項重大變革之中。有才華的年輕科學家已能夠用一個世紀里積累起來的專業(yè)知識來看待廣義相對論。他們正在用無與倫比的計算能力來發(fā)掘愛因斯坦理論，探索有可能廢黜愛因斯坦理論的引力替代理論，在茫茫宇宙中尋找可以證實或證偽廣義相對論基本原理的古怪天體。更廣泛的科學家社區(qū)正被同時調(diào)動起來積極參與到建設龐大的觀測設備的事業(yè)中來。這些設備可以比我們以往任何時候都看得更遠、更清楚，衛(wèi)星將被發(fā)射用來搜尋廣義相對論提出的某些古怪的預言。

廣義相對論的故事敘事宏大，目標高遠，值得傳頌。因為進入21世紀后，我們正面臨它的許多重大發(fā)現(xiàn)和懸而未決的問題。一些重要的事情很可能真的會就在未來幾年里發(fā)生，我們需要了解這一切從何而來。我認為，如果說20世紀是量子物理學的世紀，那么21世紀就將是愛因斯坦的廣義相對論充分展示其魅力的舞臺。

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[1]是指1930年由葡萄牙總理安東尼奧·德奧利維拉·薩拉查（18891970）掌權后開始的葡萄牙法西斯獨裁統(tǒng)治時期。這一時期一直持續(xù)到1974年葡萄牙發(fā)生四·二五康乃馨革命方宣告結(jié)束。應當指出，葡萄牙的法西斯統(tǒng)治與意大利和德國納粹的法西斯統(tǒng)治不是一回事兒，前者在二戰(zhàn)中保持中立（二戰(zhàn)時既親近軸心國也給同盟國提供幫助，可能正是這一點，這一政權才能夠在戰(zhàn)后繼續(xù)存在那么多年）。譯注