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纵横宇宙(一)

爱因斯坦的时空飞跃

2019/05/31   维加斯新闻报
胡昌伟

    古人云：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”空间、时间及其中的万物构成了整个宇宙。
    仰望星空，探究宇宙的结构、演化等等奥妙，是人类永恒的追求。
    爱因斯坦是20世纪人类仰望星空的弄潮儿。他年轻时，牛顿物理学一统天下，有人认为，物理学的大厦已基本完工，物理学家们只需做些收尾工作就可以了。爱因斯坦却在1905年提出了狭义相对论，颠覆了牛顿力学的时空观。牛顿的时空观是三维空间加一维时间。时空是万物存在、变化的大舞台。空间用于描述物体的形状大小和相互间隔，而时间是对万物生存、变化的持续性的表达，二者各自独立又互相协调，而且它们的标准绝对不变。爱因斯坦的时空观，虽然也是三维空间加一维时间，但二者是纠缠在一起的，不再各自独立，空间的变化会引起时间的变化，时间的变化也会造成空间的变化；而且它们的标准会随着运动速度而变化。用可变的时空标准替代绝对的时空标准，这需要非凡的勇气和理由。
    牛顿力学包括引力定律。狭义相对论没有涉及引力问题。1907年，爱因斯坦又开始着手研究不同于牛顿的引力理论。1913年他与大学同学格罗斯曼联名发表了“广义相对论纲要和引力理论”，其中提出了引力的度规场理论。2年后，他进一步作出了广义相对论引力场方程的完整形式，并成功地解释了水星近日点的进动。
    当时，人们普遍认为，引力是联系万物的最基本的相互作用。牛顿发现了万有引力公式后，就用它描述了无限宇宙的图景。爱因斯坦自然以为广义相对论的引力场方程应该能够比牛顿的引力论更好地描述整个宇宙。他顺着这条思路，在1917年，发表了他的第一篇宇宙学论文。
    在日常的三维空间中，二维的球面或椭球面是有限而无界的。爱因斯坦宇宙的四维时空好比是一种高维空间中的的球面，这球面的面积是有限的，但它没有边界。爱因斯坦认为，虽然宇宙中的万物都在不停地运动、变化，但宇宙整体应该是静态的。为此，他还在引力场方程中加了一个宇宙常数项。
    爱因斯坦的宇宙学论文，拉开了以广义相对论为理论基础的20-21世纪的“现代宇宙学”的帷幕。不过，它后来的发展轨迹偏离了静态宇宙的构想，向着宇宙在膨胀、演化的方向持续发展。
    用最简洁的方式表达复杂的规律，是科学家们的一种追求。一个引力场方程竟能够描述整个宇宙，这让爱因斯坦激动了好一阵子。既然引力场方程可以描述整个宇宙，那么，引力相互作用与电磁相互作用应该也能够统一起来。爱因斯坦的下半辈子就全力以赴地投入了统一场论的研究。
    1938年8月上旬的一天，爱因斯坦连续2小时伏案写作统一场论的论文后，尽情地拉起了小提琴。他是一位出色的小提琴家，还能熟练地弹奏钢琴。他曾数次说过，如果他在科学上不成功，他会成为一个音乐家。正当他陶醉在琴声中时，电话铃响了。他拿起话筒一听，竟是美国总统罗斯福打来的。他与总统曾接触过几次，其中一次还在白宫过了一夜。因此，他不至于受宠若惊，但难免有点激动。就说：
“总统先生，很荣幸听到你的声音。”
“爱因斯坦先生近来可好呀，是否可抽点时间协助我们办一件事？”
“什么事？愿意为你效劳。”
“我们想麻烦你给5000年后的人们写一封信。”
“哈哈，总统先生，你真会开玩笑，我能够给他们写些什么呢？” 
“真的不是开玩笑，”罗斯福非常郑重地说，“请你把我们这个时代人们的思想和科学的发展，告诉5000年后的人们，让他们对我们有所了解。”
“这样的信，即使写了也没法寄啊！”爱因斯坦说，“谁能送去呢？”
“这个，我们想好啦。”罗斯福胸有成竹地说，“我们将给他们安装一个长久、安全、固定的信箱，5000年后，他们到那里去取就是了……”

   

 
    图1 阿尔伯特‧爱因斯坦（1879年3月14日—1955年4月18日）

    爱因斯坦听着，听着，感到这件事既新奇，又虚妄，但筹画周密。于是，出于对威严的罗斯福总统的尊敬，同时又掺杂了对他离不开轮椅的些许怜悯，不拘礼节的他，很有礼貌地说：
“总统先生深谋远虑，敝人遵命！”
    5000年，对人类来说，这是个漫长的时期。蒸汽机的应用只有200年，电动机的发明仅仅100年，它们已经极大地改变了人类社会。美国独立还不到200年，人类的文明史也只有几千年。5000年后的人类的思想、文化、科技将会是什么样子，几乎难以想像。对5000年后的人们，怎样描述我们的现状呢？谈思想，人类思想复杂浩繁；讲科技，科学技术五花八门；说生活，古今内外风情各异……唔，想得太复杂啦，就截取当今的几个主要场景吧。于是，他反复进行了构思、推敲，终于在8月10日那天完成了《致后人书》：
“我们这个时代，出现了许多长于创造发明的人，他们的发明极大地方便了人们的生活。我们会使用电能，把人类从繁重的体力劳动中解放出来。我们能乘船横渡大洋；我们可坐飞机穿越长空；甚至，我们能通过电波轻松地把消息传送到世界的每一个角落。
“但是，商品的生产和分配却完全是无组织的，人们不得不为自己的生计焦虑地奔忙。而生活在不同国家的人们，总是过一段时间就要互相杀戮。这让每个想到将来的人，都会充满忧虑和恐惧。
“看来，与那些真正为社会做出贡献的人相比，一般人的智力水准和道德品格显得太低了。
“我相信我们的后人，应当会怀着一种理所当然的优越感，来阅读上面这几行文字吧。”
    当天晚上，爱因斯坦照常早早就上床了。他有一个不大寻常的习惯：每天至少睡10个小时，白天还要打盹。睡眠是人体自我修复保养的阶段。睡眠过程中，按照眼球转动速度的快慢来分，快速眼动睡眠时间占25%，它在学习和记忆中发挥着重要作用；而非快速动眼睡眠时间占75%，这时脑电图上会相继出现纺锤形的锯齿状波，显示大脑也在有节奏地工作。据说这种纺锤波与流动性智力，即解决新问题、在新情况下使用逻辑以及识别模式的能力有关。爱因斯坦确实是个高流动性智力者，这与他的睡眠时间长有一定关系吧。不过，对大多数人来说，每天睡10小时以上是一种病态。
    这晚，爱因斯坦有点反常了，他躺在床上，辗转反侧，难以入睡。虽然他并不认为这封信有多大意义，但它杂糅了多种特殊因素，确实耐人寻味。
    不是吗，电器、电机、电报、轮船、飞机等等，这些是多么伟大的发明啊！但整个社会却显得乱糟糟的，战火此起彼伏。自己是德国人，但希特勒上台后，迫害犹太人，使我有国难归。今年上半年，德国法西斯出兵占领了奥地利，欧洲上空腥风血雨呀。不知科学文明何时能够战胜愚昧野蛮。5000年，多么漫长的时光呀，人类社会将会发展到什么样的程度呢？在他们看来，我们是相当幼稚和滑稽可笑的吧……
    他围绕着《致后人书》，思绪绵绵，最后在不知不觉中飘进了梦乡。
    一觉醒来，天已放亮，爱因斯坦只觉得一身轻松，非常舒服。睁开眼，房间里熟悉的摆设一一映入眼中。
“叭，叭，叭。”三下轻轻的敲门声。
“谁啊？”
“给您送请柬来啦。”
“哎，一早就来送请柬，烦不烦人啊。”爱因斯坦想着，有点不大情愿地起床、穿衣。
    他把门打开，门外是个十分英俊的东方小伙子。他披着一件长外套，敞开的领口，看不出著什么内衣。呵，他没有穿袜子，这让爱因斯坦倍感亲切，因为，不穿袜子是他自己的一个怪癖。他曾经这样解释说：“当我年轻的时候，我发现大脚趾总是在袜子上打个洞。所以我就不再穿袜子了！”
    小伙子恭恭敬敬地递给爱因斯坦一份请柬，这是《宇宙学历史交流会》组委员会发出的。
“尊敬的爱因斯坦先生，欢迎您来到七十世纪三十年代，出席今天的交流会。”小伙子热情地说。
“等等，等等”爱因斯坦不解地说，“我没听错吧，什么七十世纪三十年代？”
“是的，您已来到西元6938年啦！”
“啊？”爱因斯坦楞了一下，举目四望，他熟识的房子已无踪影，左边是森林，右边是草原。草原上有各种各样的动物，哇——其中还有恐龙家族的呢。它们有的在饮水，有的在吃草，有的在嬉戏。而天上有昆虫、鸟儿、翼龙等等在翩翩起舞。突然，他看到有只老虎从森林深处钻出，往他们方向窜过来，他顿时惊恐万状……然而，那老虎竟一阵风似地从他们身旁擦过，向草原奔去。它扑倒了一只梅花鹿，哟——只是玩玩而已，草原上仍是一派祥和的气氛。
“这里的老虎吃素了？”
“不，它们能够很方便地吃到美味的食物，已经改变了几十世纪前的生活习性。”小伙子眨眨眼调皮地说。
“哦，我还没吃早餐哩。”爱因斯坦忽然想起来，咽了一下口水，顿时满口清香，比刚刷好了牙还舒服。接着，他最爱吃的义大利面就溜进了他的嘴巴，咀嚼起来还真的够味——有人曾戏称爱因斯坦产生非凡的头脑是义大利面的功劳。是的，大脑堪称馋鬼，虽然它只占身体重量的2%，但却消耗身体中20%的能量。这确实需要碳水化合物来提供。不过，这也有一个“度”，大脑无法储存任何能量，碳水化合物吃得太多反而会堵塞“聪明窝”。
“神奇，神奇！你们的人类已经进化成神啦！”爱因斯坦由衷赞叹。
“其实，你们时代也有极少数可以不吃不喝地生活的‘食光者’‘吞气人’。不过，他们是艰难执著的修炼者；而我们是随心所欲的享受者。”小伙子解答说，“爱因斯坦先生，我先陪您去参观‘5000年前的时间胶囊’吧。”
“喔，喔。”爱因斯坦点点头。他想：“昨晚我写的《致后人书》就在这个时间胶囊里嘛。”
    这时爱因斯坦发觉，他不需要用力，正随着小伙子快速地移动着，好比成了悬浮体，在地表上腾云驾雾般地赶路。
“我，一个20世纪的幽灵，有原汁原味的身体、意识、智慧和个性，但其实全是70世纪的产物吧。”爱因斯坦理智地思索著。
“哈哈，不愧是大师呀，您的想法对极啦！不过，您所感觉到的，确实是一个20世纪人的真切感受。”小张对爱因斯坦的思想活动一清二楚。
“是的，我作为一个20世纪人类的化身，来到了70世纪，真的是非常荣幸！”爱因斯坦说，“70世纪的社会进化到了这种程度，我们20世纪的人真的连想像也想像不到呀。噢，小伙子，我还不知道你的名字哩，多大啦？”
“我叫张络，叫我小张吧，今年574岁了。”
“我才59岁呀，还不到你的零头，怎么能叫你小什么的呢？”
“哈哈，我是你几百代的后辈呀，您老就不用客气啦。”
“说的也是，我是20世纪人的化身，就卖个老吧。小张，人类社会从20世纪发展到70世纪，一定是波澜壮阔，沧桑变幻吧。”
“呵，这个说来话长啦。”小张说，“人类的命运是与科技密切相关的。你们20世纪，科技、产业迅猛发展，但资源挥霍，社会动荡，环境污染，生态失衡；21世纪，人工智慧发展迅速，在许多方面超越人类，有的地方，人类甚至一度沦为了人工智慧的奴隶；22世纪，人类突破了光障，开始飞出太阳系……”
“嗨嗨，看来我的相对论到22世纪就成了一堆废纸囉。”
“话可不能这样说呵。你的相对论突破了牛顿物理在定量上的局限性，是一种进步，但这不是对牛顿物理的完全否定，牛顿的定律至今我们还可以用。同样，虽然光速不再是一种极限速度，但你的公式在某种范围内仍然是适用的。”
“其实，我对自己的理论，尤其是相对论，一直感到有点不踏实。请问，相对论的不足，其问题的关键是什么？”
“关键在于你回避了乙太。”
“嗯，真空不空嘛，我一直想保留乙太，但又觉得乙太与相对论有些格格不入，就只好用场来取代乙太了。”
“你的相对论是在几条前提性原理的基础上建立起来的，如几何学一样，是种公理体系，难以推究其中的原理和公式之所以能够成立的物理机制，从而产生了许多说不清道不明的佯谬。一位活跃在21世纪的学者月弓，建立了‘可压缩性乙太论’，把相对论的物理机制说透了。”
“哦，可压缩性乙太论的基本观点是什么？”
“你们20世纪的物理学家已经充分了解到真空不空。乙太就是一种真空态的物质，它无处不在。如鱼在透过水看世界一样，人们总是在透过乙太看世界。相对论性效应、量子效应等都是乙太的作用造成的。在低速、宏观、弱引力场的情况下，乙太的作用是微不足道的，牛顿物理的时空就是不考虑乙太作用情况下的真正的、纯粹的时空；在高速、微观和强引力场的情况下，乙太的作用明显了，相对论性效应和量子性效应就是这方面的表现……”
“嗯，嗯，有道理，有道理。”爱因斯坦应和著，同时在想：“是的，我的相对论建立在几个前提性的原理的基础上，因此，光速为什么不变，时间膨胀、长度收缩的物理机制是怎么回事等等，这些问题都让我百思不得其解。可压缩性乙太论能够回答这些问题，真是太好啦。”
“是的，可压缩性乙太论的一个方面，是在绝对时空观的基础上阐明相对论的物理机制，这是对相对论的必要补充。哦，你不久将见到月弓，到时你们可以面对面地进行交流啦。”
“哇，那太好啦，哈哈……”爱因斯坦难得地露出了孩童般的笑容，“嗯，相对论的物理机制要回到绝对时空观来阐述。这是事物发展中的一种螺旋形式的表现吧。”
“是呀，一般说来，事物的发展不是直线形的。”小张说，“拿人类本身来说，从原始社会发展到20世纪，进步巨大，但某些方面退化也巨大。”
“哦，怎么说？”
“不是吗，原始人风餐露宿，缺衣少被，茹毛饮血，啼饥号寒，但免疫力特强，肌肉发达，动作灵活；而20世纪的人们，四季更衣住楼房，炒烤蒸炖花样多，卫生越来越讲究，而环境适应能力、消化能力、免疫功能等等，却与日俱下，一旦离开了机械工具、能源等等简直没法生活。”
“嗨嗨，这些方面确实退化厉害。这是追求文明的代价。”爱因斯坦感叹说。
“你们的文明是一种狭窄的文明，它让人类孤芳自赏，与自然日益对立。实际上，20世纪就有人意识到了这一点，提出要回归大自然，推行绿色生活。不过，真正的文明需要以高度发达的科技为基础，与大自然和谐融合。从30世纪开始，我们人类逐步摆脱了汽车、轮船、飞机等等机械工具，楼堂馆所等等大小建筑也逐步完成了历史任务，它们都成了博物馆里的摆设和影像。”
    是啊，举目四望，一派自然风光，看不见人工的杰作。
“那你们在什么地方工作、休息、睡觉？”
“我们周围的空气等，会根据自然条件或我们的意愿，自动调节冷、热，干、湿，软、硬等等，因此，我们可以地作床，云当被，自由自在，四海为家。不过，我们时代的人类绝不是一盘散沙，我们是一个高度统一的整体，人人都在高高兴兴、自觉自愿地做着他必须或应该做的事情。”
“哇，既自由自在，又高度统一，这个可很不容易。你们的组织和核心人物非常厉害的吧。”
“核心？哈哈，我们现在是完全去中心化的啦，人人都是核心，人人又都不是核心。”
“达到这个程度，意味着你们人人是圣贤，个个成神仙了。”爱因斯坦非常钦羡地说，“你们是怎样做到的呢？”
“这是人类在科技的持续发展中，反复吸取经验教训，不断完善自我的结果吧。现在，我们的大脑具有知识学习机能，道德纠正机能，资讯感应机能等等。我们人类的足迹已造访了相邻的星座，但大家的意识是联网的，能够感知到每个地方人的所在、所为、所需，资讯共用，互助、互补。”
    一路交谈著，他们来到了一个百花园。这里绿茵与花木交相辉映，奇花异草争奇斗艳，珍禽异兽在嬉戏表演。其中有个被灌木围圈起来的地方，有个难得碰见的人工建筑物——半米多高的水泥圆墩子。小张指着它说：
“这个就是你们时代的，建于纽约法拉盛公园内的时间胶囊碑。在它下面约16米处是埋藏了5000年的时间胶囊。”
“嗯，嗯，我来过这里。其实，各种媒体林林总总，你们不打开这个时间胶囊，就早已知道了其中的内容了吧。”爱因斯坦说。
    小张微笑着，频频点头。
“时间胶囊”内装有表达20世纪方方面面的五大类物品。其一日用类，包括闹钟、开罐头刀、眼镜、自来水笔、曲别针、牙刷、扑克牌等35项；其二原材料类，包括棉、麻、丝、羊毛、橡胶、各类金属等75项；其三杂物类，包括种子、钱币、电器插头、光学仪器等等；其四是15分钟的新闻电影纪录片，包括欧文斯在1936年柏林奥运会上打破百米记录、日本空军1938年6月轰炸中国广州、1939年纽约世博会筹建过程等；其五是三封写给未来人类的信件，除了爱因斯坦外，罗伯特‧安德鲁‧密立根和汤玛斯‧曼也各写了一封，它们与22000页印刷品、1000幅图片一起，被拍成缩微胶片放在里面。

    

    图2 纽约法拉盛公园内的时间胶囊碑
   
“你们见到关于时间胶囊里的资料的介绍，一定会有十分原始和幼稚可笑的感觉吧。”
“我小时候第一次看到这方面的介绍，确实有那样的感觉。”小张坦率地说，“但后来意识到，人类总是不断地从幼稚走向成熟。几千年后的人们，也会把我们看成幼稚可笑的。既然您熟识时间胶囊里的内容，就不用进一步参观啦。呵，宇宙学历史交流会就要开场了，我们过去吧。”