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縱橫宇宙(一)

愛因斯坦的時空飛躍

2019/05/31   維加斯新聞報
胡昌偉

    古人雲：“四方上下曰宇，往古來今曰宙。”空間、時間及其中的萬物構成了整個宇宙。
    仰望星空，探究宇宙的結構、演化等等奧妙，是人類永恆的追求。
    愛因斯坦是20世紀人類仰望星空的弄潮兒。他年輕時，牛頓物理學一統天下，有人認為，物理學的大廈已基本完工，物理學家們只需做些收尾工作就可以了。愛因斯坦卻在1905年提出了狹義相對論，顛覆了牛頓力學的時空觀。牛頓的時空觀是三維空間加一維時間。時空是萬物存在、變化的大舞臺。空間用於描述物體的形狀大小和相互間隔，而時間是對萬物生存、變化的持續性的表達，二者各自獨立又互相協調，而且它們的標準絕對不變。愛因斯坦的時空觀，雖然也是三維空間加一維時間，但二者是糾纏在一起的，不再各自獨立，空間的變化會引起時間的變化，時間的變化也會造成空間的變化；而且它們的標準會隨著運動速度而變化。用可變的時空標準替代絕對的時空標準，這需要非凡的勇氣和理由。
    牛頓力學包括引力定律。狹義相對論沒有涉及引力問題。1907年，愛因斯坦又開始著手研究不同於牛頓的引力理論。1913年他與大學同學格羅斯曼聯名發表了“廣義相對論綱要和引力理論”，其中提出了引力的度規場理論。2年後，他進一步作出了廣義相對論引力場方程的完整形式，並成功地解釋了水星近日點的進動。
    當時，人們普遍認為，引力是聯繫萬物的最基本的相互作用。牛頓發現了萬有引力公式後，就用它描述了無限宇宙的圖景。愛因斯坦自然以為廣義相對論的引力場方程應該能夠比牛頓的引力論更好地描述整個宇宙。他順著這條思路，在1917年，發表了他的第一篇宇宙學論文。
    在日常的三維空間中，二維的球面或橢球面是有限而無界的。愛因斯坦宇宙的四維時空好比是一種高維空間中的的球面，這球面的面積是有限的，但它沒有邊界。愛因斯坦認為，雖然宇宙中的萬物都在不停地運動、變化，但宇宙整體應該是靜態的。為此，他還在引力場方程中加了一個宇宙常數項。
    愛因斯坦的宇宙學論文，拉開了以廣義相對論為理論基礎的20-21世紀的“現代宇宙學”的帷幕。不過，它後來的發展軌跡偏離了靜態宇宙的構想，向著宇宙在膨脹、演化的方向持續發展。
    用最簡潔的方式表達複雜的規律，是科學家們的一種追求。一個引力場方程竟能夠描述整個宇宙，這讓愛因斯坦激動了好一陣子。既然引力場方程可以描述整個宇宙，那麼，引力相互作用與電磁相互作用應該也能夠統一起來。愛因斯坦的下半輩子就全力以赴地投入了統一場論的研究。
    1938年8月上旬的一天，愛因斯坦連續2小時伏案寫作統一場論的論文後，盡情地拉起了小提琴。他是一位出色的小提琴家，還能熟練地彈奏鋼琴。他曾數次說過，如果他在科學上不成功，他會成為一個音樂家。正當他陶醉在琴聲中時，電話鈴響了。他拿起話筒一聽，竟是美國總統羅斯福打來的。他與總統曾接觸過幾次，其中一次還在白宮過了一夜。因此，他不至於受寵若驚，但難免有點激動。就說：
“總統先生，很榮幸聽到你的聲音。”
“愛因斯坦先生近來可好呀，是否可抽點時間協助我們辦一件事？”
“什麼事？願意為你效勞。”
“我們想麻煩你給5000年後的人們寫一封信。”
“哈哈，總統先生，你真會開玩笑，我能夠給他們寫些什麼呢？” 
“真的不是開玩笑，”羅斯福非常鄭重地說，“請你把我們這個時代人們的思想和科學的發展，告訴5000年後的人們，讓他們對我們有所瞭解。”
“這樣的信，即使寫了也沒法寄啊！”愛因斯坦說，“誰能送去呢？”
“這個，我們想好啦。”羅斯福胸有成竹地說，“我們將給他們安裝一個長久、安全、固定的信箱，5000年後，他們到那裡去取就是了……”

   

 
    圖1 阿爾伯特‧愛因斯坦（1879年3月14日—1955年4月18日）

    愛因斯坦聽著，聽著，感到這件事既新奇，又虛妄，但籌畫周密。於是，出於對威嚴的羅斯福總統的尊敬，同時又摻雜了對他離不開輪椅的些許憐憫，不拘禮節的他，很有禮貌地說：
“總統先生深謀遠慮，敝人遵命！”
    5000年，對人類來說，這是個漫長的時期。蒸汽機的應用只有200年，電動機的發明僅僅100年，它們已經極大地改變了人類社會。美國獨立還不到200年，人類的文明史也只有幾千年。5000年後的人類的思想、文化、科技將會是什麼樣子，幾乎難以想像。對5000年後的人們，怎樣描述我們的現狀呢？談思想，人類思想複雜浩繁；講科技，科學技術五花八門；說生活，古今內外風情各異……唔，想得太複雜啦，就截取當今的幾個主要場景吧。於是，他反復進行了構思、推敲，終於在8月10日那天完成了《致後人書》：
“我們這個時代，出現了許多長於創造發明的人，他們的發明極大地方便了人們的生活。我們會使用電能，把人類從繁重的體力勞動中解放出來。我們能乘船橫渡大洋；我們可坐飛機穿越長空；甚至，我們能通過電波輕鬆地把消息傳送到世界的每一個角落。
“但是，商品的生產和分配卻完全是無組織的，人們不得不為自己的生計焦慮地奔忙。而生活在不同國家的人們，總是過一段時間就要互相殺戮。這讓每個想到將來的人，都會充滿憂慮和恐懼。
“看來，與那些真正為社會做出貢獻的人相比，一般人的智力水準和道德品格顯得太低了。
“我相信我們的後人，應當會懷著一種理所當然的優越感，來閱讀上面這幾行文字吧。”
    當天晚上，愛因斯坦照常早早就上床了。他有一個不大尋常的習慣：每天至少睡10個小時，白天還要打盹。睡眠是人體自我修復保養的階段。睡眠過程中，按照眼球轉動速度的快慢來分，快速眼動睡眠時間占25%，它在學習和記憶中發揮著重要作用；而非快速動眼睡眠時間占75%，這時腦電圖上會相繼出現紡錘形的鋸齒狀波，顯示大腦也在有節奏地工作。據說這種紡錘波與流動性智力，即解決新問題、在新情況下使用邏輯以及識別模式的能力有關。愛因斯坦確實是個高流動性智力者，這與他的睡眠時間長有一定關係吧。不過，對大多數人來說，每天睡10小時以上是一種病態。
    這晚，愛因斯坦有點反常了，他躺在床上，輾轉反側，難以入睡。雖然他並不認為這封信有多大意義，但它雜糅了多種特殊因素，確實耐人尋味。
    不是嗎，電器、電機、電報、輪船、飛機等等，這些是多麼偉大的發明啊！但整個社會卻顯得亂糟糟的，戰火此起彼伏。自己是德國人，但希特勒上臺後，迫害猶太人，使我有國難歸。今年上半年，德國法西斯出兵佔領了奧地利，歐洲上空腥風血雨呀。不知科學文明何時能夠戰勝愚昧野蠻。5000年，多麼漫長的時光呀，人類社會將會發展到什麼樣的程度呢？在他們看來，我們是相當幼稚和滑稽可笑的吧……
    他圍繞著《致後人書》，思緒綿綿，最後在不知不覺中飄進了夢鄉。
    一覺醒來，天已放亮，愛因斯坦只覺得一身輕鬆，非常舒服。睜開眼，房間裡熟悉的擺設一一映入眼中。
“叭，叭，叭。”三下輕輕的敲門聲。
“誰啊？”
“給您送請柬來啦。”
“哎，一早就來送請柬，煩不煩人啊。”愛因斯坦想著，有點不大情願地起床、穿衣。
    他把門打開，門外是個十分英俊的東方小夥子。他披著一件長外套，敞開的領口，看不出著什麼內衣。呵，他沒有穿襪子，這讓愛因斯坦倍感親切，因為，不穿襪子是他自己的一個怪癖。他曾經這樣解釋說：“當我年輕的時候，我發現大腳趾總是在襪子上打個洞。所以我就不再穿襪子了！”
    小夥子恭恭敬敬地遞給愛因斯坦一份請柬，這是《宇宙學歷史交流會》組委員會發出的。
“尊敬的愛因斯坦先生，歡迎您來到七十世紀三十年代，出席今天的交流會。”小夥子熱情地說。
“等等，等等”愛因斯坦不解地說，“我沒聽錯吧，什麼七十世紀三十年代？”
“是的，您已來到西元6938年啦！”
“啊？”愛因斯坦楞了一下，舉目四望，他熟識的房子已無蹤影，左邊是森林，右邊是草原。草原上有各種各樣的動物，哇——其中還有恐龍家族的呢。它們有的在飲水，有的在吃草，有的在嬉戲。而天上有昆蟲、鳥兒、翼龍等等在翩翩起舞。突然，他看到有只老虎從森林深處鑽出，往他們方向竄過來，他頓時驚恐萬狀……然而，那老虎竟一陣風似地從他們身旁擦過，向草原奔去。它撲倒了一隻梅花鹿，喲——只是玩玩而已，草原上仍是一派祥和的氣氛。
“這裡的老虎吃素了？”
“不，它們能夠很方便地吃到美味的食物，已經改變了幾十世紀前的生活習性。”小夥子眨眨眼調皮地說。
“哦，我還沒吃早餐哩。”愛因斯坦忽然想起來，咽了一下口水，頓時滿口清香，比剛刷好了牙還舒服。接著，他最愛吃的義大利面就溜進了他的嘴巴，咀嚼起來還真的夠味——有人曾戲稱愛因斯坦產生非凡的頭腦是義大利面的功勞。是的，大腦堪稱饞鬼，雖然它只占身體重量的2%，但卻消耗身體中20%的能量。這確實需要碳水化合物來提供。不過，這也有一個“度”，大腦無法儲存任何能量，碳水化合物吃得太多反而會堵塞“聰明窩”。
“神奇，神奇！你們的人類已經進化成神啦！”愛因斯坦由衷讚歎。
“其實，你們時代也有極少數可以不吃不喝地生活的‘食光者’‘吞氣人’。不過，他們是艱難執著的修煉者；而我們是隨心所欲的享受者。”小夥子解答說，“愛因斯坦先生，我先陪您去參觀‘5000年前的時間膠囊’吧。”
“喔，喔。”愛因斯坦點點頭。他想：“昨晚我寫的《致後人書》就在這個時間膠囊裡嘛。”
    這時愛因斯坦發覺，他不需要用力，正隨著小夥子快速地移動著，好比成了懸浮體，在地表上騰雲駕霧般地趕路。
“我，一個20世紀的幽靈，有原汁原味的身體、意識、智慧和個性，但其實全是70世紀的產物吧。”愛因斯坦理智地思索著。
“哈哈，不愧是大師呀，您的想法對極啦！不過，您所感覺到的，確實是一個20世紀人的真切感受。”小張對愛因斯坦的思想活動一清二楚。
“是的，我作為一個20世紀人類的化身，來到了70世紀，真的是非常榮幸！”愛因斯坦說，“70世紀的社會進化到了這種程度，我們20世紀的人真的連想像也想像不到呀。噢，小夥子，我還不知道你的名字哩，多大啦？”
“我叫張絡，叫我小張吧，今年574歲了。”
“我才59歲呀，還不到你的零頭，怎麼能叫你小什麼的呢？”
“哈哈，我是你幾百代的後輩呀，您老就不用客氣啦。”
“說的也是，我是20世紀人的化身，就賣個老吧。小張，人類社會從20世紀發展到70世紀，一定是波瀾壯闊，滄桑變幻吧。”
“呵，這個說來話長啦。”小張說，“人類的命運是與科技密切相關的。你們20世紀，科技、產業迅猛發展，但資源揮霍，社會動盪，環境污染，生態失衡；21世紀，人工智慧發展迅速，在許多方面超越人類，有的地方，人類甚至一度淪為了人工智慧的奴隸；22世紀，人類突破了光障，開始飛出太陽系……”
“嗨嗨，看來我的相對論到22世紀就成了一堆廢紙囉。”
“話可不能這樣說呵。你的相對論突破了牛頓物理在定量上的局限性，是一種進步，但這不是對牛頓物理的完全否定，牛頓的定律至今我們還可以用。同樣，雖然光速不再是一種極限速度，但你的公式在某種範圍內仍然是適用的。”
“其實，我對自己的理論，尤其是相對論，一直感到有點不踏實。請問，相對論的不足，其問題的關鍵是什麼？”
“關鍵在於你回避了乙太。”
“嗯，真空不空嘛，我一直想保留乙太，但又覺得乙太與相對論有些格格不入，就只好用場來取代乙太了。”
“你的相對論是在幾條前提性原理的基礎上建立起來的，如幾何學一樣，是種公理體系，難以推究其中的原理和公式之所以能夠成立的物理機制，從而產生了許多說不清道不明的佯謬。一位活躍在21世紀的學者月弓，建立了‘可壓縮性乙太論’，把相對論的物理機制說透了。”
“哦，可壓縮性乙太論的基本觀點是什麼？”
“你們20世紀的物理學家已經充分瞭解到真空不空。乙太就是一種真空態的物質，它無處不在。如魚在透過水看世界一樣，人們總是在透過乙太看世界。相對論性效應、量子效應等都是乙太的作用造成的。在低速、宏觀、弱引力場的情況下，乙太的作用是微不足道的，牛頓物理的時空就是不考慮乙太作用情況下的真正的、純粹的時空；在高速、微觀和強引力場的情況下，乙太的作用明顯了，相對論性效應和量子性效應就是這方面的表現……”
“嗯，嗯，有道理，有道理。”愛因斯坦應和著，同時在想：“是的，我的相對論建立在幾個前提性的原理的基礎上，因此，光速為什麼不變，時間膨脹、長度收縮的物理機制是怎麼回事等等，這些問題都讓我百思不得其解。可壓縮性乙太論能夠回答這些問題，真是太好啦。”
“是的，可壓縮性乙太論的一個方面，是在絕對時空觀的基礎上闡明相對論的物理機制，這是對相對論的必要補充。哦，你不久將見到月弓，到時你們可以面對面地進行交流啦。”
“哇，那太好啦，哈哈……”愛因斯坦難得地露出了孩童般的笑容，“嗯，相對論的物理機制要回到絕對時空觀來闡述。這是事物發展中的一種螺旋形式的表現吧。”
“是呀，一般說來，事物的發展不是直線形的。”小張說，“拿人類本身來說，從原始社會發展到20世紀，進步巨大，但某些方面退化也巨大。”
“哦，怎麼說？”
“不是嗎，原始人風餐露宿，缺衣少被，茹毛飲血，啼饑號寒，但免疫力特強，肌肉發達，動作靈活；而20世紀的人們，四季更衣住樓房，炒烤蒸燉花樣多，衛生越來越講究，而環境適應能力、消化能力、免疫功能等等，卻與日俱下，一旦離開了機械工具、能源等等簡直沒法生活。”
“嗨嗨，這些方面確實退化厲害。這是追求文明的代價。”愛因斯坦感歎說。
“你們的文明是一種狹窄的文明，它讓人類孤芳自賞，與自然日益對立。實際上，20世紀就有人意識到了這一點，提出要回歸大自然，推行綠色生活。不過，真正的文明需要以高度發達的科技為基礎，與大自然和諧融合。從30世紀開始，我們人類逐步擺脫了汽車、輪船、飛機等等機械工具，樓堂館所等等大小建築也逐步完成了歷史任務，它們都成了博物館裡的擺設和影像。”
    是啊，舉目四望，一派自然風光，看不見人工的傑作。
“那你們在什麼地方工作、休息、睡覺？”
“我們周圍的空氣等，會根據自然條件或我們的意願，自動調節冷、熱，幹、濕，軟、硬等等，因此，我們可以地作床，雲當被，自由自在，四海為家。不過，我們時代的人類絕不是一盤散沙，我們是一個高度統一的整體，人人都在高高興興、自覺自願地做著他必須或應該做的事情。”
“哇，既自由自在，又高度統一，這個可很不容易。你們的組織和核心人物非常厲害的吧。”
“核心？哈哈，我們現在是完全去中心化的啦，人人都是核心，人人又都不是核心。”
“達到這個程度，意味著你們人人是聖賢，個個成神仙了。”愛因斯坦非常欽羨地說，“你們是怎樣做到的呢？”
“這是人類在科技的持續發展中，反復吸取經驗教訓，不斷完善自我的結果吧。現在，我們的大腦具有知識學習機能，道德糾正機能，資訊感應機能等等。我們人類的足跡已造訪了相鄰的星座，但大家的意識是聯網的，能夠感知到每個地方人的所在、所為、所需，資訊共用，互助、互補。”
    一路交談著，他們來到了一個百花園。這裡綠茵與花木交相輝映，奇花異草爭奇鬥豔，珍禽異獸在嬉戲表演。其中有個被灌木圍圈起來的地方，有個難得碰見的人工建築物——半米多高的水泥圓墩子。小張指著它說：
“這個就是你們時代的，建于紐約法拉盛公園內的時間膠囊碑。在它下面約16米處是埋藏了5000年的時間膠囊。”
“嗯，嗯，我來過這裡。其實，各種媒體林林總總，你們不打開這個時間膠囊，就早已知道了其中的內容了吧。”愛因斯坦說。
    小張微笑著，頻頻點頭。
“時間膠囊”內裝有表達20世紀方方面面的五大類物品。其一日用類，包括鬧鐘、開罐頭刀、眼鏡、自來水筆、曲別針、牙刷、撲克牌等35項；其二原材料類，包括棉、麻、絲、羊毛、橡膠、各類金屬等75項；其三雜物類，包括種子、錢幣、電器插頭、光學儀器等等；其四是15分鐘的新聞電影紀錄片，包括歐文斯在1936年柏林奧運會上打破百米記錄、日本空軍1938年6月轟炸中國廣州、1939年紐約世博會籌建過程等；其五是三封寫給未來人類的信件，除了愛因斯坦外，羅伯特‧安德魯‧密立根和湯瑪斯‧曼也各寫了一封，它們與22000頁印刷品、1000幅圖片一起，被拍成縮微膠片放在裡面。

    

    圖2 紐約法拉盛公園內的時間膠囊碑
   
“你們見到關於時間膠囊裡的資料的介紹，一定會有十分原始和幼稚可笑的感覺吧。”
“我小時候第一次看到這方面的介紹，確實有那樣的感覺。”小張坦率地說，“但後來意識到，人類總是不斷地從幼稚走向成熟。幾千年後的人們，也會把我們看成幼稚可笑的。既然您熟識時間膠囊裡的內容，就不用進一步參觀啦。呵，宇宙學歷史交流會就要開場了，我們過去吧。”