骚乱中的世界第一重:相对论

■ 严小平

尽管牛顿引力平方反比定律帮助天文学家成功地预测到海王星的存在，但直到19世纪末，牛顿定律仍然无法给出圆满的答案，而且在水星轨道上也发现了扰动。直到1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，才有了对这些不规则现象的解释。爱因斯坦因他的理论物理学著作获得1921年的诺贝尔奖，对科学做出许多持久的贡献。在2008年的一次民意调查中，他被命名为继牛顿之后的第二大科学巨匠。

广义相对论是引力的几何理论，时至今日仍是所有科学的标准。从瑞士苏黎世理工学院毕业后，爱因斯坦活跃的思想忙于永无休止的理论。1905年，他发表了后来被称为狭义相对论的论文。

1827年，苏格兰植物学家罗伯特·布朗（1773—1858）注意到池塘里的很小的植物形式有一种不停的、随机的运动。他用像尘埃这样的无生命物质做实验，发现它也以今天被称为随机布朗运动的方式运动。布朗无法解释导致这种运动的原因，直到20世纪初，爱因斯坦证明了原子的存在，并把这种力归因于原子。早在公元前60年，罗马哲学家、诗人卢克莱修（公元前99—公元前55）就描述过罩在一束阳光中粉尘粒子的这种运动，并把它归结为原子的运动。和所有古典哲学家一样，卢克莱修从想象力和理想上下工夫，但至少他在这个描述中使用了经验观察。

尽管在今天看来似乎难以置信，但那时确实有许多科学家直到20世纪初，都还不相信原子的存在。可以这样来解释：自古以来，自然哲学家就认为，“自然中的基础要件不可约”是基本原则。对大多数希腊观察者来说，著名的四个要件是：土、水、火和空气。19世纪的哲学家试图加入各种各样的第五要件——燃素、以太等——来解释自然现象，但很快就被证明这些东西并不支持原子科学。早在化学家、生物学家安东尼·拉瓦锡（1743—1794）的研究中，就有了原子的可靠证据。拉瓦锡摒弃了物质理论的古代遗风（燃素类似希腊语“火”元素），发现了氧和氢。这二种元素以前就被看做是元素（水和空气）。19世纪初，当波伊尔用水做实验的时候，从水中生成了氧和氢，在当代一般思想者心目中，不知怎么就把水换成了水和空气。波伊尔自己相信，还有更多的元素，而氧和氢就在其中，但要认定元素就跟原子一样，还得再花几十年的时间。

拒绝相信原子，实际上反映了科学界的又一次分裂。还记得那一次大飞跃吗？16世纪，正是开普勒把物理学和天文学融合在一起，不也有一半的自然哲学家拒绝接受吗？1900年，在我称为望远镜科学（天文学、物理学等等）和显微镜科学（化学、植物学等等）之间仍有一次重大的分离。

1869年，俄罗斯化学家门捷列夫（1834—1907）发表了第一张完整的元素周期表。虽然后来有许多改进，但他的元素周期表仍被认为是宇宙的平面图。门捷列夫意识到某种重复出现的模式，增加了亚原子粒子的数量。从根本上说，每个原子都有一个带有至少一个质子的原子核，运载着一个正电荷和一个包含至少一个电子的外罩。一个元素的同位素依电磁式中性粒子的数量而变化，这些中性粒子叫做中子，也许在原子核旁边。

爱因斯坦力图证明原子的存在。在此过程中，他依赖许多其他人的工作。

17世纪30年代，教皇乌尔班八世试图减轻贝拉明和法庭的压力，要求伽利略写一篇论文，对日心说和地心说保持中立的立场，不偏向任何一方。伽利略在地心的位置把教皇画成一个傻瓜，把事情搞砸了。然后他以同样的方式逐一疏远了所有耶稣教士，在软禁中度过他的余生。就在他论文的一个部分里，提出了我们今天称为伽利略相对论或不定式的理论。伽利略从逻辑上证明，如果一艘船驶过平静的水域，甲板下的人无法知道船是否在移动。船的概念可以理想地或抽象地看做“参考的惯性坐标系”，它同这艘船周围更大的区域有关。牛顿力学中的惯性坐标系是相对于绝对空间的等速运动中的参考坐标系，由此发展出我们今天称之为经典力学或牛顿力学，或牛顿相对论的理论。它假定：①空间是一个绝对框架，牛顿定律在这个框架中是真实的；②空间所有惯性参照系享有统一的、通用的时间。

如果我们想要知道二个惯性参照系相互如何关联，在牛顿模型中我们会应用它们周围领域的外尺度。如果在大西洋和太平洋里各有一艘相同的船以同样的速度向同样的方向行驶，那么，它们彼此就经过了距离和时间的同一尺度。这就叫做伽利略转换。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831—1879）是一位苏格兰数学家和理论物理学家。他把所有已知电学、磁学、光学综合成经典电磁论。他描述了所有这些现象如何相互作用的四个方程式，即经典麦克斯韦方程式。他说明了电场和磁场以波的形式在空间传播。1864年，他提出了光的波动理论，并断言光速是有限的。然而，他的方程式对伽利略牛顿的相对论模型，却制造了理论上的难题。

荷兰物理学家洛伦兹（1853—1928）发表了一系列转变理论，这些转变建立在这样的基础上：在不同惯性参照系中的旅行者经历不同，只有用相对论性转换才能相互理解。这为爱因斯坦时空结合的假设铺平了道路。在这个假设中，时间随局部框架或观测者转移。

爱因斯坦狭义相对论的主要成果是：①光速在所有框架中都将被处理为一个常数——一个有限的、精确的、不变的常数（大约300 000千米/秒）；②在所有惯性坐标系参照之外，时间不独立存在，也不绝对存在，因为在欧几里得几何学和伽利略系统中，只是一个独特的性质或每个框架的尺寸；③根据“等效性原理”，乘火车旅行的人所观察到的物理学定理，与站在月台上的人所观察到的物理学定理是一样的。

爱因斯坦在他的狭义相对论中创造了时空概念。当光速不变的时候，空间和时间不再是脱离的，而是相互联系的量。在不同参考坐标系的观察者可能看见同样的事物，但观察到的现象却是不同的——一个可能看见了较多的时间和较少的空间，另一个却看见了较少的时间和较多的空间。举一个简单的例子，二个观察者相互观察。比方说，他们是双胞胎。他们从不同的坐标系相互看着，相互挥手，然后他们看看自己的手表。当他们相互看着的时候，一个可能看见了一个高个子，他的手表过去了5秒。另一个双胞胎看见一个矮个子，在同样的时间里他的手表过去了6秒。从某种意义上说，这是一个守恒定律：较少的时间，较多的空间；较多的时间，较少的空间；在二个观察坐标系中，时空的绝对量是一样的。

然而，爱因斯坦并不因此满足。他想建立其他的因素，就像重力一样，写进他的理论。1915年，他发表了广义相对论，扩展了他在1905年的概念，包括弯曲时空。在弯曲时空中，重力是由于有质量的物质存在而产生的一种局部现象。由于有这个特殊的理论，宇宙的定律不变，这个结构要么是真空，要么是临近一颗巨星的弯曲时空。它的作用之一是，光在经过一个巨大的物体的时候会弯曲（红移）。另一个作用是，由于这个框架更深地渗透到巨大的引力槽里，时间会减慢。

在20世纪初，爱因斯坦并不是唯一“兴风作浪”的人。在考虑他怎样把我们全都带回到大爆炸理论，超越加速膨胀的宇宙迎向巨大的未知之前，让我们来看看另外二重重大打击。