爱因斯坦、相对论和量子物理学

爱因斯坦、相对论和量子物理学

在20世纪，科学思想所产生的最令人瞩目的伟大成果之一，就是推翻了19世纪物理学的经典世界观，代之以一些用来理解物理世界的革命性的新参量。这场革命常常被称为爱因斯坦革命，它在我们今天对自然界的认识中起到了决定性的作用。

本书前面有一章曾介绍过被称为经典世界观的那种总体思想认识是如何逐渐形成的。读者应该还记得它的要点：一个牛顿的绝对时空框架；一个由不变的、不可分割的原子组成的世界；一种为电磁场以及光和辐射热以波动方式传播提供基础的以太基质。此外，这样一种由19世纪下半叶的物理学家构建起来的世界观还包括了两条重要原理，即物质和以太两者之间存在着相互作用，能量媒介（medium of energy）要遵从几条用数学公式表述的严格的热力学定律。正是这两条原理，才使经典世界观具有了极大的统一性、简明性与谐和性。

亚里士多德的科学观持续时间很长，流传了2000年之久，相比之下经典世界观却非常短命，差不多在它刚建立起来不久就很快解体了。在19世纪的最后10年，已经陆续出现了一系列难题开始削弱当时物理学的智识框架，一进入20世纪，物理科学就遇到了一场严重的危机。

在从1887年开始进行的一系列实验中，美国物理学家迈克耳孙（Albert A.Michelson，1852—1931年）未能检测到地球相对于任何以太的运动。根据理论推断，在相对于一种静止以太运动着的地球上进行测量，光速无论如何总该有一些微小的变化。具体说来，作轨道运动的地球在相隔6个月的两段时间是在绕着太阳朝两个相反的方向运动，因此，以固定的以太作参照系，同一个光束，在某一段时间里应该是随地球同方向运动，而在另一段时间里应该是与地球运动的方向相反；按说，这种运动引起的差异是应该能够检测出来的。可是，迈克耳孙与他的同事莫雷（E.W.Morley）一起反复进行极其精密的实验，却一再得到否定的结果。事后来看，从那项实验的“失败”结果就应该不难引出爱因斯坦的相对论，这是因为，迈克耳孙—莫雷实验的零结果正是光速同相对运动无关而保持不变这一特性所预言的结论，是能够用光速的不变特性轻而易举加以说明的。然而，爱因斯坦实际上是通过另一条不同的途径来建立起他的相对论的。面对迈克耳孙—莫雷实验的难题，当时的物理学家不是抛弃经典观念，而是急着去“拯救现象”，修补现存的体系，拼凑出一些特定的解释来千方百计保留以太。

还有其他一些发现更加重了当时物理学面临的危机。1895年秋，德国的实验物理学家伦琴（Wilhelm Röntgen，1845—1923年）使用一套常规实验仪器发现了X射线这样一种新型的辐射。发现X射线虽然并没有完全超出经典物理学的界限，但却扩展了电磁辐射的范围，因为X射线远超过通常电磁辐射的波长极限，从而使科学家对传统的关于光谱和公认的实验室程序的看法产生了怀疑。

电子的发现又提出了一个与此有关的更大的难题。早在19世纪70年代，科学家就已经发现当电流通过一个真空容器时会产生某种“射线”，当时人们把它称为阴极射线。1897年，英国物理学家J·J·汤姆孙（J.J.Thomson，1856—1940年）用实验证明，阴极射线其实是许多运动着的微粒，也就是说，它们是一个个单独的粒子，每个粒子的质量只有最小的原子氢原子质量的1/2000。那项发现表明，传统上不可分割的原子居然不是物质的最小单元。如何把这一发现纳入已有的概念框架呢？

比汤姆孙实验还要早一年，法国物理学家贝克勒耳（Antoine-Henri Becquerel，1852—1908年）偶然注意到铀矿石能够在没有曝光的照相底片上产生雾翳，这样，他就又揭示出了一种未曾料到的自然现象。1898年，备受人们尊敬的波兰出生的法国科学家玛丽·居里（Marie Curie，1867—1934年）把这种现象取名为放射性。后来科学家终于查明，有一些重元素能够自发地发出几种不同的辐射，其中包括电子、高能电磁波（γ射线）和称为α粒子的亚原子粒子。到1901年，科学家又搞清楚了放射性衰变现象，也就是说，一种元素，譬如说铀，能够通过放射性发射而自行转变为另一种元素，譬如说铅。元素自行转变，这当然违背了最基本的原子不变信念。原子不变性被打破就像物种不变性被打破一样，向科学解释又提出了一个大难题。

不仅如此，还有两个技术性更强的谜团使得这场危机更显严重，一个是所谓的光电效应，另一个是“黑体辐射”的数学表示。光电效应是赫兹在1887年首先发现的。那是一种似乎十分奇特的现象，当用光线照射某些物质时能够激发出电流，而且只有光波短于一定的波长才会出现这种现象。如果波长大于相应的阈值，无论怎样增加光的强度也触发不出电流。黑体问题所涉及的是一项理论研究，其大概意思是，一个理想的系统可以发出比它所接受到的辐射能还要多的辐射能量。也就是说，如果电磁波谱的确是连续的，那么，起初射入的光波或者辐射热（radiant heat）的波就应该重新分布为无穷多个更小的波，从而产生无限多的能量。根据经典理论导出的这个结论显然十分荒谬，它既与经验性的实验不符，也同公认的热力学定律相抵触。科学家们提出种种解释希望能化解这个矛盾，其中最出色的是德国物理学家普朗克（Max Planck，1858—1947年）在1901年以后发表的那些工作。他认为，光（更一般地说是辐射）所具有的能量其实是由一个个分立的能量包或者说量子所组成，并不是如经典物理学所要求的那样作无限小级次的连续分布。

在进入20世纪之际物理学所发生的那场“骚乱”中，爱因斯坦（1879—1955年）在学术上也日渐成熟。爱因斯坦是一位并不成功的商人的儿子，他在儿童时期也没有显示出有什么与众不同的特殊天分。16岁时，他从慕尼黑的文法学校退学回到家中，随家人一起移居到了意大利。经过不少挫折，爱因斯坦才进入苏黎世联邦工业大学并于1900年从那里毕业。他本来想当一名教师，但因为自己有犹太血统而遭拒绝，于是只好带着他的第一任妻子搬到瑞士的伯尔尼，在那里谋得了瑞士专利局里的一个低级职位。他在1905年从苏黎世大学拿到物理学博士学位以后仍然留在伯尔尼，利用业余时间进行物理学研究，直到1909年。爱因斯坦的上述经历反而使他具备了有可能在当时的物理学领域掀起一场革命的条件：他接受过物理学核心理论的良好教育，而且又很年轻，所从事的职业又处在物理学的边缘，因而不会墨守成规，可以做到旁观者清。

爱因斯坦在1905年发表了一系列极不寻常的论文，从而改变了现代物理学的方向。其中影响最大的论文，讨论的是狭义相对论，也就是分析相互之间作匀速直线运动的物体的物理特性。关于这个问题的具体分析自然十分深奥，但他所提出的那些新奇的概念却也不难表述。最基本的一条，是他假定：没有任何物体运动得能比光速快。爱因斯坦就这样重新构建了牛顿力学，后者原来并没有这样一条限制。爱因斯坦的理论就是狭义相对论，那是对以绝对空间和绝对时间为参考系的运动所作出的一种说明，而绝对时空正是牛顿物理学和经典世界观的基础。按照爱因斯坦的解释，宇宙中并没有哪一个参考系更优越，也没有一个起主导作用的时钟。一切观测（譬如一个事件在何时发生，一根直尺有多长，或者一个物体有多重）都是相对的，观测结果取决于观测者的位置和运动速度。作为爱因斯坦的新物理学的一大特征，他提出了一个非常著名的公式E=mc2，把质量m和能量E通过一个方程联系了起来；此方程中包含了一个恒量c，也就是光速。在经典物理学里，质量和能量却是完全不同的两个物理量。

有时候，特别是在物理学教学中，人们会把牛顿物理学简单地说成爱因斯坦物理学的一个特例，说什么低速运动的物体应该遵循牛顿定律，而接近光速运动的物体遵循爱因斯坦物理学。这样一种观点虽然能够使科学教学容易一些，但却歪曲了历史，而且模糊了爱因斯坦1905年的那些论文所引起的巨大转变的革命意义。对于牛顿和经典物理学来说，空间和时间都是绝对的。这意味着，在不知什么地方存在着一个“阿基米德”点，一切运动都可以参照那一点进行测量；又在不知什么地方存在着一个标准钟摆，它永不停息地摆动决定了宇宙的时间；质量和能量不可能互相转化；物体可以运动得比光速还快。关于这些问题，爱因斯坦得到的却是截然不同的结论。因此，千万不要看到在牛顿的公式F=ma和爱因斯坦的公式E=mc2中都有同一个符号m（代表质量），就忘记了那是两个完全不同的质量概念，以及在它们的背后是两种不同的物理学。(https://www.daowen.com)

爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论只涉及匀速直线运动。1915年，他又提出了广义相对论，亦即关于加速运动的物理学。在广义相对论中，他把引力与加速度等同起来。通过对一个极具想象力的思想实验的描述，爱因斯坦指出，在一台升降机里的人不可能把从下方接近的一个假想的行星所施加的引力同因升降机向上加速而产生的那种力区分开来，这两个事件对升降机里的乘员造成的精神恐惧完全相同。由于存在着这种等效性，空间的性质就发生了深刻变化。均匀一致的三维欧几里得空间——那在牛顿物理学和经典世界观中也是绝对不变的——变得过时了，取而代之的是四维的爱因斯坦时空连续统。按照这种对时空作出的全新描述，物体会使空间的形状发生弯曲。引力——牛顿力学中的一种“力”——在爱因斯坦广义相对论中仅仅是一种表观力，不过是位于空间中的重物体引起空间弯曲的一种效应。行星围绕太阳运行并不是因为受到太阳引力的吸引，而是因为它们必须循着弯曲空间中的最短路径运动。1919年，科学家对当年出现的一次日全食进行了系统的观测，似乎证实了爱因斯坦关于太阳的质量会使星光产生弯曲的预言。接着，科学家又对水星围绕太阳运行的轨道进行了非常精确的计算，所得结果也与爱因斯坦的广义相对论相符。到20世纪20年代，经典物理学连同它的那些绝对的观念和以太已经成为过去，以爱因斯坦为首的物理学家们终于构建成一个在概念上完全不同的新世界。

与此同时，另外一批科学成就则成为相对论的补充，同样也显示出20世纪自然哲学的成果是何等的辉煌。那就是在原子理论和极小世界物理学领域所取得的巨大进展。爱因斯坦在这一研究领域同样也作出过重大贡献，尤其是他在1905年发表的那篇关于光电效应的论文，支持了光是由许多单个包束所组成，而不是连续波的看法。但是，量子理论在发展成熟以后引出了许多古怪新奇的结论，譬如说，不可能直接看到现象，对自然界的了解具有一种固有的不确定性，以及粒子的行为受到概率支配。当量子理论的这些深层次的内涵显现出来时，爱因斯坦却退缩了，并用了一句十分著名的话“上帝不拿宇宙掷骰子”来表示反对。尽管没有这位大师的祈福，量子力学以及在粒子物理学领域的其他更新的研究工作，仍然在蓬蓬勃勃地不断取得进展。

电子和放射性一旦被发现，立即就动摇了把经典原子看成不可分和不可变的那种认识，原子理论很快就成为实验和理论研究关注的焦点。J·J·汤姆孙在他于1897年发现电子的同时就提出过一种原子模型。在他的那种模型中，带负电的电子就像嵌在蛋糕里的葡萄干，散乱地分布着。卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937年）利用放射性所产生的粒子研究原子的内部结构，并于1911年宣布原子内部绝大部分是空无一物的空间。同丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr，1885—1962年）一起，卢瑟福也提出了一种原子模型，即若干电子围绕着一个坚实的原子核运转，其情形类似于行星围绕太阳运行。在20世纪20年代，为了解决这种太阳系原子模型所引发的困难（例如，电子怎么能够保持稳定的轨道，原子在受到激发时所辐射的能量为什么是不连续的），科学家们发展出被称为量子力学的新理论，从而使我们对自然界的理解又发生了一次根本性的飞跃。

量子力学的那些同常识不符的原理是很难一下子被人接受的，但是经验性的研究都支持该理论。从1918年开始，围绕玻尔和由他领导的位于哥本哈根的理论物理研究所，还形成过一个社交圈，直至1962年玻尔去世。量子力学的“哥本哈根诠释”在数学和技术细节上虽然十分深奥，但其中包含的基本思想却并不难懂。从本质上讲，量子理论抛弃了原来用于描绘原子的那种决定论力学模型，而代之以一种新模型。在那种新模型中，原子——其实是一切物体——并不是在这个世界中具有明确轮廓的实体，而是具有波粒二象性，我们可以把它们的存在理解为一种“概率波”（probability wave）。也就是说，量子力学“波”所预言的是在特定区域内在某一特定地点有可能发现某一个物体——一个电子或者一辆汽车——的机会的大小。换句话说，任何东西都是一种概率波。

上述这种同直觉相悖的分析方法，由于在1926年使用了两种不同的数学工具来表达相关的思想，就显得更加有效。那两种工具中，一种是海森伯（Werner Heisenberg，1901—1976年）搞出的矩阵力学，另一种是薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961年）提出的波动方程，两者后来被证明完全等价。1927年，海森伯又提出了著名的不确定原理，以令人吃惊的方式扩大了量子理论的概念基础。海森伯不确定原理，简单说来就是：我们不可能以同样的精确度同时确定一个物体的位置和速度（或者动量）。换句话说，按照经典物理学的决定论，在理论上，只要给出初始条件，我们就肯定可以预言所有粒子在未来的所有行为，然而与此不同的是，量子力学却揭示出自然界本身以及我们对自然界的了解都具有一种不确定性。根据量子力学，偶然性和随机性是自然界的一种本质属性。我们不能非常确定地断言什么，仅能够进行概率预测。从海森伯不确定原理还能进一步引申出一个结论：观测行为本身会干扰观测对象。这个结论的深层涵义是：不可能有不受干扰的或者说“客观的”观测；观测对象和观测者构成了一个系统的一部分；一旦进行观测，概率波就会“坍缩”为被观测实体。换句话说，当我们在看时，我们就是在一个确定的范围内寻找；而当我们不在看时，则除了概率云（clouds of possibility）就什么也没有。

于是，到了20世纪30年代，当这种希奇古怪的量子概率得到了科学界的承认时，19世纪的那种经典世界观就成为了历史陈迹，其后，关于亚原子粒子的知识便迅速增加。1930年，泡利（Wolfgang Pauli）提出，很可能还存在着一种几乎没有质量的不带电粒子，他称其为中微子。不久，中微子就被列入新的基本粒子名单，尽管寻找中微子的过程艰难曲折，直到1954年才检测到它。1932年，科学家又发现了中子，那是一种类似于质子的中性粒子，这样，早先发现电子和质子以后留下的一个空缺就补齐了。就在同一年，科学家还检测到了正电子，即一种带正电荷的电子，这样就揭示出反物质的存在。所谓反物质是指一种十分特别的物质，它如果同正常物质相遇，两者都会湮没，同时放出巨大的能量。热情奔放的美国物理学家费恩曼（Richard Feynman，1918—1988年）对量子理论作了进一步的发展，在他工作的基础上，现在量子理论被称为量子电动力学或者量子场论，它同实验高能物理学相结合，向人们揭示出一个从未料到的如此复杂的基本粒子世界。今天，核物理学家利用能量越来越高的粒子加速器，已经产生并确认出了200多种不同类型的亚原子粒子，它们大多数的寿命都非常短。例如，设在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室拥有的太瓦质子加速器（Tevatron）是目前世界上能量最高的加速器，用它能够获得高达1万亿电子伏特的能级。

物理学家现在把基本粒子分为三大类，每一类都同时包括有物质粒子和对应的反物质粒子。例如，中子和质子属于重粒子，目前的理论认为它们是由6种被称为夸克的更小单元组合而成的三合物。1995年，费米实验室的物理学家检测到了非常难以捉摸的“顶夸克”的存在，从而出色地证实了关于夸克的理论（即量子色动力学）。第二类粒子叫轻子，其代表是电子，它们通常都比中子和质子轻，但仍具有质量。第三类基本粒子是玻色子，其中就包括有电磁波的光子，又叫光量子，它们没有静止质量。科学家认为玻色子是携带自然界已知的4种力的矢量。这4种力是电磁力、引力、强相互作用和弱相互作用。其中后2种力支配着放射性衰变，以及在原子核内把基本粒子结合在一起。

探索世界的物质结构是一个古老的课题，早在公元前5世纪，米利都的自然哲学家们就开始了这方面的思索。这种探索在我们这个时代达到了前所未有的复杂程度，而且正在以当代量子场论为基础的统一的理论框架内继续进行着积极研究。例如，科学家们目前正在千方百计要找到被称为希格斯玻色子（Higgs boson）和引力子（理论上假设的一种传递引力的粒子）的两种一直未曾检测到的基本粒子。作为这种努力的组成部分，理论物理学家则在设法以更加深入、更加统一的观点来理解自然界中的这些力。他们于20世纪70年代已经在这个领域取得了一些成果，把电磁力和弱核力统一成所谓的电弱力。尚未完成的大统一理论（Grand Unified Theory）或许能够把强核力也统一进来，但是，要想把宇宙中所有的力都统一起来，搞出一个最终包括了引力量子理论的关于自然界的基本理论，那就还有很长的路要走。这样的理论探索虽然有很重要的哲学意义，但从实用角度看，却几乎毫无用处。