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爱因斯坦未能理解自己的革命

他认为黑洞和量子力学太诡异,不可能是真的。

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阿尔伯特·爱因斯坦——相对论的创造者,量子物理学的教父,时空的弯曲者——在他的整个职业生涯中都面临着一个挥之不去的问题:缺乏远见。

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这似乎是对现代最伟大的科学远见者的一种不寻常的指控,但即使是爱因斯坦也有他的局限性。尽管他做出了非凡的直觉飞跃,但他常常发现自己无法看到自己基本见解之外的东西。因此,许多与相对论相关的最令人惊叹的想法并非由爱因斯坦本人提出,而是由其他科学家在解释他的工作时发展出来的。在量子物理学领域,爱因斯坦也提出了基本概念,但起初未能认识到它们将导向何方。在他最后的、最宏大的统一所有物理学理论的探索中,他根本没有从他学生时代学到的数学和科学中走得更远。

更令人惊讶的是,爱因斯坦甚至在他被指出其工作中的全部含义后,仍然抵制它们。他一再试图削弱他许多同事的解释,或者试图将它们解释掉,因为它们似乎太荒谬以至于不可能真实。这些拒绝让人想起杰出的英国物理学家、爱因斯坦最不知疲倦的支持者之一亚瑟·爱丁顿的话:“宇宙不仅比我们想象的更奇怪,而且比我们能想象到的更奇怪。”。历史上一位最广阔的思维也无法与大自然的无限奇特性相抗衡。

几乎就在爱因斯坦完成了他1905年引入狭义相对论的论文后,他发现自己的想法有了自己的生命。那篇论文阐述了观察者的空间运动如何影响其时间运动(对于以接近光速旅行的人来说,时间会减慢),但它并没有将时间视为时空连续体的第四个维度。这个概念,今天的学生们学习它时将其视为爱因斯坦的标志性贡献,实际上是德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基的工作。爱因斯坦起初对闵可夫斯基的理论阐述感到不知所措,并将其斥为“多余的博学”。直到多年后,他才认识到时空对于狭义相对论以及随后的广义相对论是不可或缺的。

在爱因斯坦于1916年发表广义相对论的最终版本后,他再次发现他的理论充满了意想不到和无法接受的奇怪之处。仅仅几个月后,一位在第一次世界大战期间在德军服役的42岁物理学家卡尔·施瓦西尔德(Karl Schwarz­schild)成功地将爱因斯坦抽象的时空方程应用于现实的物理问题,模拟了恒星周围空间的几何形状。他的解决方案给爱因斯坦留下了深刻印象。然而,爱因斯坦表达了一个深刻的担忧:施瓦西尔德的计算表明,如果恒星的质量被压缩到足够小的体积,爱因斯坦的方程就会失灵。时间停止;空间变得无限。物理学家称之为奇点,一个自然法则失效的地方。施瓦西尔德偶然发现了黑洞可能存在的第一个线索。

多年来,没有人过多关注施瓦西尔德的发现,但在1939年,爱因斯坦试图反驳那个恼人的奇点。他认为,恒星在施瓦西尔德描述的条件下不可能存在,因为其中的物质必须达到等于光速的轨道速度。但爱因斯坦假设恒星必须保持稳定,而宇宙中充满了会爆炸或剧烈坍缩的物体。同年,罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer)——后来将执导曼哈顿计划的物理学家——和他的一个学生表明,高度大质量的恒星会在自身引力下内爆,变得越来越密集和极端,直到它们的引力甚至能够捕获光。这正是天文学家现在认为大多数黑洞形成的方式。

在施瓦西尔德发现之后不久,广义相对论又带来了一个更令人不安的预测。和当时大多数科学家一样,爱因斯坦确信宇宙(包括恒星)是静态和永恒的。因此,当1922年一位鲜为人知的俄罗斯物理学家兼气象学家亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)表明爱因斯坦的杰作理论描述了一个应该坍缩或散开的宇宙时,这对他来说是一个震惊。爱因斯坦起初拒绝弗里德曼的分析,认为它“可疑”,然后重新考虑并判断结果在数学上可能是正确的,但在物理学上是无关紧要的。为了修正广义相对论中看似存在的缺陷,爱因斯坦调整了他的方程,增加了一个他称为宇宙学常数(cosmological constant)的项——一种反引力——这样方程就能得出不变的宇宙。

直到近十年后,爱因斯坦才承认他的错误。1929年,美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现所有星系似乎都在以极快的速度相互远离。宇宙并非静态;它正在膨胀,正如广义相对论所暗示的那样。两年后,爱因斯坦公开谴责了他的宇宙学常数。如果他在1922年信任弗里德曼——如果他信任他自己的理论——他本可以预测宇宙正在膨胀,并且不必在哈勃的发现后仓促调整他的理论。

法国马赛地中海大学的物理学家卡洛·罗维利(Carlo Rovelli)说:“爱因斯坦对自己非常愤怒。他本可以说,‘我的理论说的是这个,因此我预测宇宙正在膨胀。’但他没有勇气这么说。”

出人意料的是,爱因斯坦也未能认识到他所放弃的宇宙学常数的重要性。后来的研究人员发现,即使在非静态的宇宙中,它也可能存在。1998年,天文学家发现宇宙的膨胀速率正在增加,这是一种未知的排斥力在驱动。物理学家将这种力称为暗能量,它似乎与宇宙学常数具有相同的行为。因此,爱因斯坦被丢弃的数学调整可能对于理解宇宙的命运至关重要。

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爱因斯坦在相对论方面的问题与他热情地拒绝其在量子物理学中思想遗产的程度相比,简直不值一提。在20世纪初,当大多数物理学家仍然将光视为波时,爱因斯坦是少数相信光粒子(即光子)的人之一,他试图想象光如何同时具有波和粒子的性质。在1909年于奥地利萨尔茨堡的一次讲座中,他说:“我或多或少地将每一个这样的[光]奇异点想象成被一个场包围,该场具有平面波的基本特征。”1921年,他获得了他唯一的诺贝尔奖,以表彰他对光电效应的解释,其中光粒子会从物质表面弹出电子。这是今天太阳能电池所利用的原理。

尽管他早期倡导现实的量子性质,但到了20世纪20年代,爱因斯坦开始对该理论表示严重怀疑。他反对量子力学看似的随机性,并以“上帝不掷骰子”来形容宇宙。现在,亚原子层面的现实的统计性质已经确立。爱因斯坦错了。

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爱因斯坦不信任量子物理学的一个根本原因在于一个他比任何人都早认识到的惊人特性:它允许两个物体之间发生瞬时相互作用,无论它们相距多远。在这种情况下,他的见解是正确的,但他的理解却偏离了目标。

在1935年题为《物理实在的量子力学描述能否被认为完备?》的论文中,爱因斯坦和他的两位同事内森·罗森(Nathan Rosen)和鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)提出了他们认为对量子理论主流解释致命一击的观点。他们认为,原则上可以仔细地制备两个量子粒子——例如两个电子——以一种方式,使得这两个电子的性质被链接在一起,或者“纠缠”在一起。根据量子理论,一个粒子可以同时占据许多不同的状态,只有在被观测时才会稳定到一个单一状态。爱因斯坦及其同事认为,对于两个纠缠的粒子,量子力学预测,观测一个电子的性质将瞬时决定另一个电子的性质,即使这两个电子位于宇宙的两端。换句话说,量子力学允许瞬时相互作用,这违反了狭义相对论的定律,更不用说常识了。

爱因斯坦坚信,他称之为“幽灵般的超距作用”(spooky action at a distance)是由某些尚未发现的自然定律造成的,一个更好的理论可以在不诉诸超光速物理学的情况下解释这个谜团。但自爱因斯坦于1955年去世以来,他所谴责的幽灵般的瞬时相互作用已被一再证明是真实的。它们甚至可能为一种形式的传送打开大门(参见米契奥·加古(Michio Kaku)的《传送?完全可能。接下来:时间旅行》)。一个更根本的理论是否会取代量子力学仍然是一个悬而未决的问题,但今天的共识是,任何此类理论都将保留爱因斯坦认为如此令人反感的奇怪的相互关联性。

在量子力学和宇宙学领域,爱因斯坦都被其他研究人员从他的理论中得出的想法所困扰,以至于他试图找到出路。伦敦帝国理工学院的物理学家安东尼·瓦伦蒂尼(Antony Valentini)说:“他认为,这里的东西可以瞬时地影响月球另一边或银河系另一边的事物,这对他来说就像是心灵感应,而不是物理学。”“他看到了,如果你相信量子理论是一个最终理论,那么它就会把你带到那里。所以他想,‘忘掉量子理论吧;让我们来开发一个更好的理论。’”

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爱因斯坦将他生命的最后三十年中的大部分时间都花在了寻找量子力学的替代方案上。他从未成功过。“所以,20世纪的大部分时间里,人们认为爱因斯坦晚年的努力是愚蠢的——他到底在做什么,放弃量子理论的研究?”瓦伦蒂尼说。“但他们没有看到他所看到的东西。不是因为别人更勇敢地接受量子力学;他们只是没有看到即将发生的事情。”

我们现在知道,爱因斯坦寻找一个包罗万象的“统一场”理论的努力注定失败,因为他对原子核内的两种基本力一无所知,这两种力在他去世后才被理解。然而,统一所有物理学的理论的探索仍然困扰着世界各地的数千名研究人员。爱因斯坦寻找统一场理论的精神,如果不是他的风格,仍然活着。

尽管如此,爱因斯坦错失的联系仍然是对当今物理学家的警告。他们是否也对自己的视野局限性视而不见,对自然的某个基本方面缺乏完整的理解?罗维利说:“是的,这完全有可能。”“如果你看看物理学的历史,几乎每个时代都有一种感觉,‘我们现在什么都知道了。’我认为我们不知道的东西可能非常巨大。我们离了解所有成分还有很长的路要走。”

也许如果爱因斯坦活得更长,他可能会接受量子力学,与他最不受欢迎的科学后代和平相处。“很难说,因为爱因斯坦在很多问题上都改变了自己的想法,”罗维利说。“这是伟大科学家的标志。一个伟大的科学家不是那个相信自己想法的人;而是那个不相信自己想法的人。他愿意改变主意。爱因斯坦所做的,是将科学带回其真正的灵魂,那就是改变我们对世界的看法,而不仅仅是解释事物。爱因斯坦提醒我们,我们不知道的远远多于我们知道的。”

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