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《完美理論》試讀

引言

1919年11月6日，在英國皇家學(xué)會暨皇家天文學(xué)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(duì)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(xué)的傳統(tǒng)研究模式就此被顛覆。這位劍橋天文學(xué)家以莊嚴(yán)的語調(diào)描述了他的探險隊(duì)是如何在那里建立起一個天文望遠(yuǎn)鏡觀測站，并對日全食天象進(jìn)行非常細(xì)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(xué)的守護(hù)神艾薩克·牛頓發(fā)明的、被當(dāng)作事實(shí)接受了兩個多世紀(jì)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(yù)言一致。

當(dāng)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(yàn)證這種預(yù)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(dāng)兒，一個名叫路德維克·西爾伯斯坦的波蘭物理學(xué)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(guān)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(bǔ)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(dāng)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(jì)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?wù)摽臻g和時間如何能夠收縮或伸展。我當(dāng)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(luò)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(dāng)企業(yè)號飛船被暗星踢回到過去，或者當(dāng)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(fèi)解？

幾年后，我在里斯本上大學(xué)，學(xué)的是土木工程。這所由石頭、鋼鐵和玻璃構(gòu)成的龐大建筑群落堪稱薩拉查政權(quán)時期^[1]法西斯建筑美學(xué)的完美典范。大學(xué)的課程設(shè)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(jì)算機(jī)、橋梁和機(jī)器。我們幾個對現(xiàn)代物理學(xué)感興趣的同學(xué)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(dāng)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(shí)際上是由粒子構(gòu)成的。正是在學(xué)習(xí)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(dāng)時的我們年長不了多少。我們的一位比較開明的導(dǎo)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(xí)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(guān)于時空的宏大理論，不是閱讀書目的一部分。

我決定自學(xué)廣義相對論。我搜遍大學(xué)圖書館，找到了一些由20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家編撰的專著和教材。這些作者里有劍橋皇家天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓、哥廷根幾何學(xué)家赫爾曼·外爾，量子物理學(xué)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(dú)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(xué)家保羅·狄拉克所撰的小書則薄得勉強(qiáng)湊夠了70頁。我覺得我進(jìn)入了一個由最富魅力的物理學(xué)大家所構(gòu)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(xué)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(xué)和深奧的數(shù)學(xué)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(xué)語言。當(dāng)時我還不知道當(dāng)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(yīng)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(shí)在找不出其他語言來形容：學(xué)習(xí)愛因斯坦廣義相對論的最好的回報就是能夠準(zhǔn)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(yuǎn)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(yīng)運(yùn)而生。它可以解釋實(shí)在、空間和時間的結(jié)構(gòu)是如何出現(xiàn)的并成為大自然的框架。

在緊張學(xué)習(xí)的這幾個月里，我所學(xué)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(yùn)行的標(biāo)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(diǎn)東西從粒子到星系做出響應(yīng)。它們將自身編織成能夠產(chǎn)生最離奇效果的復(fù)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(kuò)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(yuǎn)。

當(dāng)我第一次學(xué)習(xí)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(jì)來，它一直被許多人認(rèn)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(xiàng)巨大的文化成就，已經(jīng)以其放之四海而皆準(zhǔn)的普適性成為一個標(biāo)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(shí)世界給出一些說法。它們被用來對宇宙的運(yùn)行進(jìn)行預(yù)言，而且這些預(yù)言均已得到觀察的證實(shí)。廣義相對論里埋有這樣一個堅(jiān)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(xiàng)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(xué)愛因斯坦理論的經(jīng)歷遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上有多獨(dú)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(jī)會在此一展身手。

我經(jīng)常聽到博士生導(dǎo)師告訴他們的學(xué)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(shí)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(xiàng)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(lǐng)軍人物。他是這個領(lǐng)域的先驅(qū)，是英國皇家學(xué)會會員，是天氣和氣候預(yù)報這一極度困難研究領(lǐng)域的專家。但他從沒有打算在這一領(lǐng)域干一生。事實(shí)上，作為20世紀(jì)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(dāng)我們第一次見面時，他苦笑著告訴我：其實(shí)我是個相對論學(xué)者。

我的一個朋友很早以前就離開了學(xué)術(shù)界，此前他曾研究愛因斯坦理論將近20年�，F(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(jī)關(guān)去設(shè)立這些高度復(fù)雜昂貴的系統(tǒng)。然而，當(dāng)我們見面時，他總是想問我一些有關(guān)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(guān)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(jì)，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(dāng)我不斷深入研究由愛因斯坦理論導(dǎo)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(fù)雜。理解為什么這一理論還如此鮮活的關(guān)鍵就是追蹤其百年來的艱辛歷程。

本書是關(guān)于廣義相對論的傳記。愛因斯坦關(guān)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(jì)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(guān)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(shè)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(xué)家兼氣象學(xué)家提出的。對于廣義相對論的建立起到至關(guān)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(jì)幾場重大思想戰(zhàn)役的核心。它是希特勒德國迫害的目標(biāo)，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(xué)界和天文學(xué)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(gòu)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(yuǎn)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(xué)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(guān)于過去。在過去的10年里，這一點(diǎn)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(gòu)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(gòu)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(dāng)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(xué)家嘴上的關(guān)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(yuǎn)，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(fù)雜時空。有些人將這種比愛因斯坦理論遠(yuǎn)更深奧的理論贊譽(yù)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(xué)。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(xué)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(xué)和天文學(xué)。在給各大學(xué)做講座，參加研討會，出席歐洲航天局會議，負(fù)責(zé)一些世界上最重要的科學(xué)衛(wèi)星節(jié)目的過程中，我認(rèn)識到，我們正處在現(xiàn)代物理學(xué)的一項(xiàng)重大變革之中。有才華的年輕科學(xué)家已能夠用一個世紀(jì)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(jì)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(shí)或證偽廣義相對論基本原理的古怪天體。更廣泛的科學(xué)家社區(qū)正被同時調(diào)動起來積極參與到建設(shè)龐大的觀測設(shè)備的事業(yè)中來。這些設(shè)備可以比我們以往任何時候都看得更遠(yuǎn)、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(yù)言。

廣義相對論的故事敘事宏大，目標(biāo)高遠(yuǎn)，值得傳頌。因?yàn)檫M(jìn)入21世紀(jì)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(rèn)為，如果說20世紀(jì)是量子物理學(xué)的世紀(jì)，那么21世紀(jì)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(quán)后開始的葡萄牙法西斯獨(dú)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(yīng)當(dāng)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(diǎn)，這一政權(quán)才能夠在戰(zhàn)后繼續(xù)存在那么多年）。譯注