相對論世紀

2021-01-08 三聯生活周刊
相對論世紀 2015-11-11 14:09 作者:蒲實來源:三聯生活周刊 2015年第46期

廣義相對論之後,愛因斯坦也過了他最具創造力的巔峰時期。他的確如他自己所感到的那樣,變得僵化和固執起來。

寫這組文章時,時常遙想100年前的這個時候,阿爾伯特·愛因斯坦正埋首柏林市區的公寓裡,連續四個星期緊張而瘋狂的工作,焦慮、疲憊,忍受著胃痛的折磨,精神與身體都處於歷史上罕見的科學創造力密集爆發的陣痛中,就感到時間史詩般的分量。

在1915年的那個11月,他連著四周在普魯士科學院做了四次演講,演講開始前,甚至開始後,他都還在緊張地忙於修正他的理論。11月4日、11月11日,每一次演講都離他所追尋的正確答案更近一步。11月18日,他宣布了對水星近日點運動的計算結論,並利用修正後的新理論計算了光線彎曲的幅度。11月25日,他發表了題為「引力場方程」的演講,提出了一套緊湊而優雅的方程,廣義相對論誕生了。這個簡潔的等式,講述了「物質告訴時空如何彎曲,彎曲的時空告訴物質如何運動」。空間、時間、物質和能量於是成了不斷演化的宇宙中的舞者,而相對論為它們提供了舞蹈設計。那一年,愛因斯坦36歲,正處在那個人類群星閃耀的時代裡,一個理論物理學家達到自身創造力巔峰的最好年紀。

史蒂芬·茨威格曾寫道:「藝術家與科學家創造的重要的一切,恆久的一切,總是只在罕有的充滿靈感的時刻完成的。在歌德敬畏地稱之為『上帝神秘的作坊』的歷史裡,平淡無奇、無足輕重之事多如牛毛。這裡,玄妙莫測、令人難忘的時刻至為罕見。她往往僅僅作為編年史家,漠然而不懈地羅列一個事實,一環又一環地套上那縱貫數千年的巨大鏈條。因為繃緊的鏈條也要有準備的時間,真正的事件均有待於發展。向來是:一個民族,千百萬人裡面才出一個天才;人世間數百萬個閒暇的小時流逝過去,方始出現一個真正的歷史性時刻。無比豐富的事件集中發生在極短的時間裡,一如整個太空的電流聚集於避雷針的尖端。平素緩慢地先後或平行發生的事件,凝聚到決定一切的唯一瞬間。」1915年的11月,愛因斯坦創造和經歷了這樣一個美妙的、決定性的瞬間,儘管他正處理著第一次婚姻的解體並身處第一次世界大戰。歷史性的時刻至為罕見,因此在此後的100年裡,追溯那個時刻迸發之前的鏈條,探尋愛因斯坦生平的著作汗牛充棟,仿佛正是在他成長、生活、社交與智識氛圍的日常的細枝末節中,蘊含著創造力的源泉。

有趣的是,人們對愛因斯坦其人的熟悉程度,大概遠遠超過了對他的相對論的熟悉程度。就如100年前,人們理解他高深理論的水平和擁抱他的熱情之間,存在著巨大的鴻溝一樣——那個時候的媒體不無道理地臆想,世界上能夠理解廣義相對論的偉人不超過12個。我們盡可以津津樂道地談論愛因斯坦年輕時離經叛道和超然世外的獨立性格,打趣與他的天才相伴的各種怪異言行,議論他的兩次婚姻和數次風流韻事,揣摩他對古典音樂的喜好,細數他與20世紀上半葉眾多政治、文化與科學名流的交往與友誼,討論他的和平主義、猶太人身份認同,以及他在美國製造原子彈決策中扮演的角色,假裝我們以此接近了他的物理學理論。直到我讀到大約100年前一位《芝加哥先驅考察家報》的記者在採訪愛因斯坦後寫下的一段話,他的誠實讓我產生了共鳴。他用第三人稱寫道:「記者回過神時,徒勞地試圖用三維的火柴點燃一支三維的菸斗。他開始明白,這個二維的生命體正是他自己。他遠不是第13個能夠理解這一理論的偉人,他從此以後淪為生活在城鎮、開著福特汽車的一個普通大眾。」當愛因斯坦成為一個家喻戶曉的國際超級科學明星後,他慢慢學會了自如面對媒體和公眾異常泛濫和空洞的無聊提問,明白了只需帶著機智和幽默感回應廉價的笑話,就能博得他們的滿堂彩。以至於他曾感到,盛名之下,他變得愚蠢;甚至曾擔心,自己是一個終會坐牢的騙子。他無法解釋世人對他的擁戴和崇拜,於是不無尖刻地說,連基本不關心科學的人都對自己如此感興趣,「似乎與心理病理學有關」。

有一些解讀,充滿著誘惑人的魅力,卻又時常令人費解。比如,英國牛津大學的實驗物理學教授布萊恩·福斯特就曾以音樂為媒介,介紹愛因斯坦所愛的古典音樂與他的空間、時間及宇宙演變觀念的聯繫。音樂的結構與節奏,與物理學中的結構和節奏有一些融會貫通之處:莫扎特的小提琴奏曲似乎與愛因斯坦未曾解決的統一場理論有某種聯繫,巴赫音樂中的秩序感則接近於數學的美感。然而,音樂在愛因斯坦提出相對論的創造力中是否扮演了催化劑角色,並沒有定論。

又比如,倫敦大學學院科學史學家、世界公認的愛因斯坦研究專家阿瑟·I.米勒曾探討過愛因斯坦的相對論與畢卡索的立體主義繪畫之間的聯繫。在他那本名為《愛因斯坦·畢卡索:空間、時間和動人心魄之美》的書中,他像測定原子粒子的軌跡一樣勾勒出愛因斯坦與畢卡索的平行傳記,想在恰逢其時在同一個歷史時刻變革了時空概念的兩股卓越創造力之間找到智識與心靈的紐帶與交匯。也許最終還是現代主義誕生的時間節點說明了全部的紐帶:1905年愛因斯坦發表狹義相對論,1907年畢卡索創作《阿維尼翁少女》,1908年閔可夫斯基正式提出四維空間連續性概念,1909年未來主義誕生。藝術評論家們為這些流派著書立說,尋求物理學與藝術交錯發展的理論交點,使得在那個時代裡,「物理學成了畫家們的大腦,畫布成了物理學家們的眼睛」。愛因斯坦帶著質疑打量著這種聯繫。他曾解釋相對論與立體主義的關係說:物理學相對論和庸俗相對論之間的差別非常簡明,「相對論的本質被錯誤地理解了。我承認這種錯誤在於將相對論通俗化的嘗試。對一個既定事實狀態的描述,人們幾乎總是僅僅使用一個坐標系。相對論僅僅說明,普遍規律是,它們的形式不依賴於坐標系的選擇。……這種新的『藝術語言』與相對論沒有任何共同之處」。

廣義相對論誕生4年後的1919年,英國天文學家阿瑟·愛丁頓帶領觀測隊在巴西北部亞馬孫叢林中的索布拉和幾內亞灣普林西比島的日食觀測,部分驗證了愛因斯坦的理論。日食觀測的結果宣布以後,愛因斯坦才從一位只在柏林科學圈有些名氣的人物,成為世界各大報紙的頭條。但即使是到了20世紀20年代,物理學界對愛因斯坦未得到更多實驗證明的相對論,仍抱有懷疑,甚至拒斥,認為它更多屬於哲學和認識論範疇,而不是物理科學。

100年後的今天,我們已能比一個世紀前的人們更毋庸置疑地知道相對論的正確,也能比一個世紀前的人們更能欣賞它的玄妙與奇蹟。20世紀60年代,一些天文學觀測的結果表明,宇宙中確實存在著引力塌縮所產生的天體,這種會吞噬一切的神奇天體得到了觀測證實,成為廣義相對論的又一次勝利。現在宇宙學家們相信,在銀河系內大約存在著一億個由燃燒殆盡的死亡恆星發生引力塌縮而形成的黑洞,也正是一些巨型黑洞和瀰漫在星系中的暗物質維繫住了整個星系。1936年,愛因斯坦曾推導,引力可以使光線彎曲,那麼在宇宙中,物質可以起到透鏡的作用,也就是「引力透鏡」。直到1979年,人類才第一次觀測到了他所預言的這種現象。目前人類發現的宇宙中最大的引力透鏡之一,距離地球大約有40億光年的距離。宇宙學家們在地球上通過這個透鏡回望過去,可以看到130億年前宇宙誕生之初,那些最終形成了星系的種子。在這個引力、質量、時間和空間交互作用形成的宇宙中,引力透鏡成為人類回望宇宙發展歷史的放大鏡。今天,廣義相對論的應用範圍遠遠超出了愛因斯坦最初的想像。比如,沒有它的修正,人類就不可能使用高精度的全球定位系統GPS。實際上,當我們通過攝像機捕捉影像,放映動作片的視覺聲帶,利用光纖電纜通電話時,我們都應感謝愛因斯坦,他已經如此直接和廣泛地進入了我們的日常生活。從這個意義上講,愛因斯坦和他的理論,超越了他的時代。

極少有超越時代的天才能夠在活著的時候獲得愛因斯坦那樣的盛名。回望100年前的智識氛圍,有一種接納相對論的時代心理,美麗地誤會了愛因斯坦。第一次世界大戰的恐怖,歐洲社會階層的崩潰,經典物理學的瓦解,似乎都指向了不確定性。在知識上,它意味著不再以建築師或工程師的方式去了解宇宙,即以因果律和自然律的框架,用理性和科學方法的可靠工具去建造的思維方式。在資產階級世界的思想中,17世紀以來的靜態宇宙結構,不僅產生了永恆感和可預測性,也造成了悖論式的轉型,從內部產生崩潰,「進步」產生了不可預測和無法理解的後果。而在實驗物理學所引領的工業社會中,人們發現自己越來越冷漠地避開真正與人性有關的問題,成為機械體系「渺小、不相關的旁觀者」。社會心理發生了普遍危機,它迅速把相對論通俗地解讀為對不確定性的物理學證明,摘取其並非本意的隱喻,融會進20世紀初對真理和道德價值客觀性充滿懷疑的文化敘事中。

這恰恰與愛因斯坦的看法相反。作為斯賓諾莎哲學思想的信仰者,愛因斯坦具有絕對的道德信念。廣義相對論問世100年之後,人們發現,廣義相對論已和牛頓力學一樣,成為物理學體系中的一個古典理論。廣義相對論與牛頓經典力學,都是以整個宇宙為研究對象,探索物體的運動規律,以及無處不在制約一切的相互作用——引力。這種力學理論,是對於古希臘先賢們哲學思想的延續,甚至可以看作是對於一個古老的神學問題的回答:人類究竟有沒有可能理解造物主所創造的世界?

1952年,愛因斯坦的生命已近黃昏之時,他在給密友莫裡斯·索洛文的一封信中寫道:「我將世界的可理解性,看作是一個奇蹟或者一個永恆之謎。……只有在人類有序介入的範圍內,我們才能夠認為這個世界是有規律的,就像是人類語詞中字母的排列一樣有序。……即便理論中的公理是人類提出的,但這項事業的成功確實暗示了客觀世界的高度有序;人類並沒有理由先驗地料想它就是如此。這就是『奇蹟』的含義,隨著人類知識的發展,它甚至會不斷增強。」他總結道:「這個世界最不可理解的就是,它竟然是可以理解的。」廣義相對論在最大限度上揭示了宇宙存在的方式和原因,並通過數學手段說明了可能並不存在一個人格化的造物主。愛因斯坦運用了最為複雜的數學方法,最為勇敢、最離經叛道的想法,最終以一種古典的方式發展了經典力學。相對論所表明的時空規律是不變的、絕對的,而不是相對的。

廣義相對論之後,愛因斯坦也過了他最具創造力的巔峰時期。他的確如他自己所感到的那樣,變得僵化和固執起來。他拒絕量子力學,經年累月地嘗試提出一種統一場論,想將量子力學納入一種更加決定論的框架,但最終沒有成功。他一生都抵制著量子力學領域的概率和不確定性的觀念。他曾說:「一個暴露於輻射的電子竟然會憑藉其自由意志,不僅選擇躍遷的瞬間,而且選擇它的方向,我認為這種思想是不可容忍的。要是這樣,我寧願當皮匠,甚至是賭場中的僱員,也不願做物理學家。」將相對論曲解為終結了自然的確定性和絕對性的人,在這裡,便能得到愛因斯坦的回應。在他看來,相對論導向的是基於四維空間結構的對確定性和絕對性的更深刻描述。而正是他對確定性和絕對性的信念,推動了他終其餘生也未成功的統一場論的求索。

一個世紀以後,廣義相對論與量子力學的對抗和融合,依然是物理學研究的主要課題。

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