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爱因斯坦对于时空问题的探索,伴随了他一生,留下了时空的遗憾

2022-09-03 17:48:46 8183

摘要:跨越时空的旅程人们通常把广义相对论说成是新型引力理论,但这是不够的。从根本上说,广义相对论属于全新的时空理论,因为这一理论以前所未有的深度揭示了时空的隐秘性质,提出了对于时空问题的诸多革命性发现。譬如,倘若狭义相对论中时空的刚性属性始终不变...

跨越时空的旅程

人们通常把广义相对论说成是新型引力理论,但这是不够的。

从根本上说,广义相对论属于全新的时空理论,因为这一理论以前所未有的深度揭示了时空的隐秘性质,提出了对于时空问题的诸多革命性发现。

譬如,倘若狭义相对论中时空的刚性属性始终不变,那么再强大的天体质量也是无法使时空有丝毫改变的。这说明什么?说明时空之所以能在天体质量作用下发生弯曲,表明它必然具有弹性形变属性。

爱因斯坦晚年强调:“由于发现完全刚性的物体是不存在的,使得空间概念更加微妙了,一切物体都可以作弹性形变,它们的体积随着温度的变化而改变。”在爱因斯坦看来,宇宙中现存的一切都具有弹性形变特征,只是天体体积随着温度而变化、时空形状随着天体质量而变化而已。

他早年就曾指出:“在引力场中,并没有像具有欧几里得性质的刚体那样的东西。”

客观地说,时空弹性形变属性是相对论中最重要的发现之一。但为何爱因斯坦历经近十载,才得以通过数学方程证明牛顿力学的刚性时空可以转变为非欧几何时空?显然,发现时空弹性形变属性是一个相当困难的过程。时空的弹缩属性亦表明,宇宙作为时空存在的最高形式也必然具有弹性形变的特征。由美国天文学家艾德温·哈勃发现的宇宙膨胀的事实,客观上同样为广义相对论所揭示的时空弹性形变属性提供了可贵的佐证。

还需要理解,时空的几何形态只有由数学描述还原为物理描述时才具有实在意义。为了使公众理解时空弯曲的引力效应,一些研究者常喜欢借助这样的比喻:大球(太阳)的重量在橡皮膜表面形成凹陷,于是小球(地球)便沿着橡皮膜的曲面(几何引力轨道)滑动。这类比喻虽说勉强,但它传递给人们的信息却是明白无误的:如果时空真的一无所有的话,那么也就谈不上所谓的时空弯曲了。

爱因斯坦晚年也在强调:时空“几何结构(其全等的可能性由欧几里得几何学来描述)的表示不能脱离物理概念”。

于是,一个潜在的新问题就这样出现了:非刚性时空的物理属性,究竟会与刚性时空的物理属性具有怎样的不同呢?

事实上,有关时空物理属性问题正是隐含在广义相对论中的一个潜课题,但对于这个潜课题,爱因斯坦始终没有明确地提起过,他只是于1920年10月在题为《以太和相对论》的演讲中,重新提起过以太。到了晚年,爱因斯坦就这个潜课题最终一语破的:“一无所有的空间,亦即没有场的空间,是不存在的。”

回顾至此,也就应当理解,爱因斯坦对于时空问题的探索,其实是伴随了他的一生。

事实证明,隐含在广义相对论中的时空物理属性问题一直困扰着爱因斯坦直到晚年,他本人为此也一直探索到自己生命的尽头。对爱因斯坦而言,广义相对论在获得举世无双的成功的同时,也留下了未能进一步揭示时空真相的遗憾,这无疑也是促使晚年的爱因斯坦仍一如既往地探索统一场理论的根本原因所在,因为他需要解答时空的所有秘密。

由于科学发展的阶段性限制,爱因斯坦不无遗憾地留下了探索时空物理属性这样的新课题。可惜直到现在,人们对同样的问题还没有搞清楚,虽然科学一直在持续进步当中。

人类的时空观念遭到了颠覆

相对论自有其不同寻常的哲学价值。以往人们仅局限于把相对论看成是物理学的产物,现在人们已经开始逐渐清晰地意识到:相对论其实是从物理学的角度提出了人类时空观念的革命性宣言。相对论的一个核心贡献,就是为人类客观地揭示了时空的深层奥秘。

爱因斯坦让人类意外发现了自身生存时空之外的多重特殊时空。这些特殊时空与我们所熟悉的体现着地球运动速度的常速态时空,迥然不同:

其一,爱因斯坦为人类揭示了存在于光速运动中的极限态时空。

狭义相对论首次证明光速在真空中恒定不变,光速为宇宙间不可逾越的极限速度。在光速运动中,物体质量无限膨胀,时间完全停止流逝。不过,我们不免会疑惑,太阳辐射为什么能以光速传播?相对论揭示了其中的秘密,因为光的静止质量为零。正是受此启发,科幻作家妙笔生花,虚构出未来人类乘坐光子飞船寻访外星系同类的探险故事。

其二,爱因斯坦为人类揭示了存在于各级天体系统中的引力场时空。

广义相对论首次证明时空并非刚体框架,虽然在人们直觉中时空是平坦伸展的,但时空实质上具有奇妙的弹性变化特征,它能够像一片泡泡糖那样弯曲或卷曲。重要的是,几何时空能够产生制约天体运行的引力效应。譬如,八大行星在太阳系中所分别形成的公转轨道,其实就是太阳质量造成时空多重闭合性弯曲的缘故,即各个行星都是借助于不同层次的时空曲面环行的。

其三,爱因斯坦为人类揭示了作为所有星系汇合体的宇宙球时空。

爱因斯坦最早提出了有限而无界的静态宇宙球模型,但天文学家艾德温·哈勃通过观测发现,星系间普遍存在着谱线红移现象。根据多普勒效应解析,这种红移表明宇宙处于某种均衡扩张也就是膨胀状态。虽然静态宇宙模型被退行红移否定了,但人们在理论上并未怀疑过球形宇宙的存在。近年,美国科学家提出了一种足球款式的宇宙模型,绝对吸引球迷眼球。

至于最新的泡泡宇宙之类的假说,也无非是爱因斯坦宇宙球假说的复杂化了的动态翻版罢了。

时至今日,无穷尽的时空奥妙仅仅是露出了冰山的小小一角。然而,人们如此熟悉的时空借助于相对论所逐渐显现出来的复杂性和多样性,已是牛顿力学时代人们所绝对不敢想象的。相信随着相对论与现代科学日臻完美的结合,我们所感知的时空必将在更深刻的层面上展露出其隐秘本性,这必将给人类带来更深刻的震撼和更惊喜的意外。

当然,相对论还需要继续接受科学实践的检验,还需要在新的科学发现中发展和修正,直至有朝一日被全新的学说所取代。这种结局是科学历史延续的正常方向,人们大可不必为此惶惶然。不能不强调的是:

人们需要科学地善待相对论,不求甚解地对待爱因斯坦或拘泥不变地对待爱因斯坦,都是百分之百地有害无益的。科学地对待爱因斯坦和相对论,不但需要深入地理解爱因斯坦的思想,也需要准确地把握相对论所经历的历史演变过程。

严格地说,不透彻地了解爱因斯坦思想的演变历程,我们也就无法保证科学地认识爱因斯坦和相对论。

相对论的思想是极其缜密的。相对论不但使人们逐步理解了时空的物理性、运动性、可变性,而且使人们逐步认识到一系列微妙而精巧、深奥而复杂的时空关系,譬如时空与物体运动的关系、时空与物体质量的关系、时空与引力的关系、时空与场的关系等等。

同时,相对论也为人类在宇宙中一系列重大发现提供了理论依据或科学解释的基础。

人类应当认识到:百年相对论已带来了一场渐进式的时空革命。这场革命正在悄悄改变着人类的时空观念、引导着人类的时空科学探索前行。这场承袭了新旧世纪历史轨迹的革命远未结束,人类时空科学的风暴正在默默地孕育之中。暴风雨快要来了。

在广泛的社会支持的背景下,当代物理学将有希望赢得全面的发展机遇和艰巨的历史挑战,并为时空革命带来一轮高潮。为了推进这一目标,人们就需要重新发现相对论,重新发现爱因斯坦的科学思想,重新认识相对论带来的诸多革命性成果。

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