雙胞胎一個在太空一個在地球,誰先老?

2020-10-11 聖手原創

1911年4月法國物理學家朗之萬設想了一個實驗:一對雙胞胎,一個留在地球上,另一個乘坐火箭到太空旅行。飛行速度接近光速,在太空旅行的雙胞胎中的一人回到地球時只不過兩歲,而他的兄弟早已逝去了,因為地球上已經過了200年了,這就是著名的雙生子佯謬,就是愛因斯坦的廣義相對論的推論的演化。那麼愛因斯坦是如何發現廣義相對論的呢?

少年時代的愛因斯坦曾度過一年無所事事的時光。很可惜,現在 很多青少年的父母經常會忘記這樣一個道理:一個沒有「浪費」過時 間的人終將一事無成。那時候,愛因斯坦因為受不了德國高中的嚴苛 教育而中途輟學,回到了他位於義大利帕維亞的家中。那個時候正是 20世紀初,義大利工業革命剛剛開始,他的工程師父親正在波河平原 上建造第一批發電站。而愛因斯坦則在閱讀康德的著作,偶爾去旁聽 帕維亞大學的課程——他聽課只是為了好玩,既不註冊學籍,也不參 加考試。但正是這看似兒戲的行為使他成為真正的科學家。 後來,他去了蘇黎世大學讀書,開始全身心地投入到物理學的研 究中。幾年後的1905年,他向當時最負盛名的科學期刊《物理學年 鑑》投寄了三篇文章,這三篇文章中的任何一篇都足以讓他獲得諾貝 爾獎。其中第一篇指出了原子的存在,第二篇則奠定了量子力學的基 礎,而在第三篇中他提出了第一個相對論, 也就是我們今天所說的「狹義相對論」。這個理論說明了對每個人來 說,時間的流逝速度可以不一樣——如果一對雙胞胎中的一個人以高 速運動,那麼兩人的年齡將不再相同。 愛因斯坦很快成為著名的科學家,收到了很多大學的聘書。即便 是這樣,仍然有些事讓他心緒不寧——儘管他提出的相對論立刻獲得 了一片讚譽,但它與我們對引力的了解,也就是自由落體的認知產生 了矛盾。他在寫一篇總結相對論的論文時發現了這個問題,於是對偉 大的物理學之父牛頓那著名的「萬有引力」學說提出了質疑:我們能 否修正一下這個理論,讓它不再與新生的相對論水火不容?為此他陷 入了深思,並花了十年時間來解決這個問題。在這十年裡,他瘋狂研 究,反覆嘗試,不斷犯錯,陷入混沌。他發表過錯誤的論文,有過各 種靈光乍現的想法,也曾誤入歧途。終於,在1915年11月,他發表了 一篇論文,給出了完整的解答——這是一個全新的引力理論,他稱之 為「廣義相對論」,這是他的傑作。偉大的蘇聯物理學家列夫·朗道 (Lev Landau)稱之為「最美的理論」。

牛頓試圖解釋物體下落和行星運轉的原因。他假設在萬物之間存 在一種相互吸引的「力量」,他稱之為「引力」。那麼這個力是如何 牽引兩個相距甚遠,中間又空無一物的物體的呢?這位偉大的現代科 學之父對此顯得謹慎小心,未敢大膽提出假設。牛頓想像物體是在空 間中運動的,他認為空間是一個巨大的空容器,一個能裝下宇宙的大 盒子,也是一個碩大無朋的框架,所有物體都在其中做直線運動,直 到有一個力使它們的軌道發生彎曲。至於「空間」,或者說牛頓想像 的這個可以容納世界的容器是由什麼做成的,牛頓也沒有給出答案。

愛因斯坦從小就對電磁場十分著迷,這種東西可以讓爸爸修建 的發電廠裡的發電機運轉起來。很快他想到,就像電力一樣,引力一 定也是由一種場來傳播的,一定存在一種類似於「電場」的「引力 場」。他想弄明白這個「引力場」是如何運作的,以及怎樣用方程對 其進行描述。 就在這時,他靈光一閃,想到了一個非同凡響的點子,一個百分 百天才的想法:引力場不「瀰漫」於空間,因為它本身就是空間。這 就是廣義相對論的思想。 這是一個驚世駭俗的理論,對宇宙做了驚人的簡化:空間不再是 一種有別於物質的東西,而是構成世界的「物質」成分之一,一種可 以波動、彎曲、變形的實體。我們不再身處一個看不見的堅硬框架 裡,而更像是深陷在一個巨大的容易形變的軟體動物中。太陽會使其 周圍的空間發生彎曲,所以地球並不是在某種神秘力量的牽引下繞著 太陽旋轉,而是在一個傾斜的空間中行進,就好像彈珠在漏鬥中滾動 一樣:漏鬥中心並不會產生什麼神秘的「力量」,是彎曲的漏鬥壁使 彈珠滾動的。所以無論是行星繞著太陽轉,還是物體下落,都是因為 空間發生了彎曲。

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