書評丨相對性開啟思維創新空間

文/鄭磊

在人類研究自然界物理規律的過程中，認知和理解也是一步步發展和深入的。很多人學習過的物理學知識，其實只是人類肉眼可見物體的物理規律，可以稱作牛頓物理學。而在我們不借助精密測量儀器無法看到的極微小的粒子尺度和極宏大的宇宙尺度上，還有另外兩大物理學理論體系，分別稱作量子物理學和宇宙物理學。這些都是建立在牛頓力學基礎上的現代物理理論，有兩本書對三大物理學體系的關系做了深入探討，一本是愛因斯坦和英費爾德的《物理學的進化》，另一本是《量子空間》。前一本書介紹了從機械觀到相對論思想的轉變過程，后一本則進一步討論了同屬于相對論世界的量子理論和引力理論如何統一。物理學家一直有一個夢想，就是構建物理學“巴別塔”，從最微小的粒子尺寸到人眼可見尺度，再到廣闊無際的宇宙的所有物理現象，都能用這個統一的理論解釋出來。然而，創造性地提出了狹義相對論和廣義相對論的偉大物理學家愛因斯坦終其一生，也未能如愿。一代代物理學家仍在為這個夢想努力奮斗。

量子空間

人們有很多思維定式和慣性，比如愛因斯坦是偉大的物理學家，大家就自然認為他也是杰出的數學家，其實并不是。愛因斯坦的數學并不足夠好，在用數學模型構建他的相對論理論時，遇到了很大困難。他的數學老師閔可夫斯基為他提供了數學工具，同時，他也借鑒了黎曼幾何的思想。

我們在科技發展史上看到很多類似“學渣長大突然變學霸”的案例，很多諾貝爾獲獎者就是如此。按照傳統教育標準衡量，他們至少是不夠出色甚至“相當差勁”，卻創造了通常意義上的“學霸”無法比擬的科學成就。也許其中一個重要原因是真正的興趣和執著，敢于突破巢穴（也許對這類人才來說，本來就沒有這種思維限制）的創新，再加上持之以恒的努力和機遇。

從可見世界的物理規律到微觀和宏觀不可見世界，創造力其實是建立在想象力基礎之上的，采用思想實驗的方法。對于肉眼可見的物體，實驗室往往能解決問題，通過可見的測量，人們能很快驗證一個判斷。此時，物體的大小和速度都非常有限。而當要研究的物體尺寸大到星球，小到電子，且速度接近光速時，一切都得依賴對時間和空間的想象力和邏輯推理方法。時空的轉換在于有速度這個轉換因子存在。我們一般能理解遠低于光速的速度，并根據經驗，習慣把靠近地面的空間想象成平直的，所以，人類實際置身于一個平直時空，這限制了人們的認知能力，以為一切現象必須符合平直時空的規則。

現代物理學的終極研究對象并不是具體的物質，而是時空結構。時空都是相對的，取決于觀測者和被觀測物的尺度和運動狀態。一般人很難獲得足夠的理解，因為我們無法看見或看清太大（太小）的東西，也無法形象化描述很多運動狀態。我們唯一了解的只是人眼可見的事物和所在的時空結構。人們相信眼見為實，并視之為真相或真理的，只不過是很少的一部分真實。

解放思想的重要性在于讓想象力突破眼前和經驗的限制。當我們想象物體以光速運動時，就會得出愛因斯坦狹義相對論的結論“時間放緩，空間收縮，質量變小，能量變大”；當我們想象自己遠離地球表面，靠近恒星位置時，廣義相對論的結論就顯而易見了：時空是彎曲的，引力不是牛頓定義的力，引力本身就是一個時空。萬有引力公式只是一個近似表達式，在地球表面（人類生活的平直時空）應用時，具備可以接受的精確度。

量子空間是人類憑肉眼和經驗無法了解的另一個世界，是另一種時空，可能比宇宙彎曲時空的結構更復雜。能否找到一種統一的理論，同時容納量子尺度的時空和宇宙彎曲時空，從數學角度講，在于這兩種時空結構能夠通過一系列變換進行相互轉換。物理學家在構建量子引力理論，但是量子尺度上的引力與宇宙星體之間的引力是否具有同樣的性質呢？在不同時空結構里，未必是肯定的答案。好在這種理論創新的探索并非天馬行空，物理學之所以被稱作科學，就在于其思想成果是可以驗證的，比如愛因斯坦通過思想實驗提出的質量能量轉化和星光彎曲現象，不僅被粒子物理和天文學實驗者觀察到了，而且在預測的量級上能夠精確吻合。人們可能找不到一個囊括宇宙萬物的方程式，但是通過發揮創造力，最終能夠揭開宇宙的奧秘。