延展的现在

延展的现在

牛顿与麦克斯韦的理论看起来以一种微妙的方式相互矛盾。麦克斯韦方程组给定了一个速度：光速。但牛顿力学与存在恒定速度不相容，因为牛顿方程里包含的是加速度，而非速度。在牛顿物理学中，速度只能是一个物体相对于另一物体而言的。伽利略强调说，地球相对于太阳是在运动的，即便我们感知不到这个运动，因为我们通常所说的“速度”是物体“相对于地球”的速度。我们说速度是个相对性的概念，意思是说，谈论一个物体本身的速度是没有意义的，唯一存在的速度是一个物体相对于另一物体的速度。这就是19世纪和今天的学生学到的物理学。但若果真如此，麦克斯韦方程组里给定的光速是相对于哪个物体而言的呢？

一种可能是，存在一种统一的实体，光速是光相对于这种实体的速度。但麦克斯韦的理论预言似乎与这种实体没有任何关系。20世纪末，试图测量地球相对于这种假想实体的速度的实验都宣告失败。

爱因斯坦曾说，任何实验都没有真正对他有所帮助，只有通过思考麦克斯韦方程组与牛顿力学之间的显著矛盾，他才找到了正确的方向。他问自己，能否找到一种方式，让牛顿和伽利略的核心发现与麦克斯韦的理论相一致。

爱因斯坦由此达到了一个惊人的发现。为了理解他的发现，请将所有过去、现在与未来的事件（相对于你正在阅读的这一时刻），想象为如图3.1那样排列。

爱因斯坦的发现是说，这个图表是错误的。实际上，事实应该按照图3.2那样的方式来描绘。

在一个事件的过去与未来之间（例如，你正在阅读的此时此刻与你的过去与未来之间），存在一个“中间区域”，一个“延展的现在”，一个既非过去亦非未来的区域。这就是狭义相对论的发现。

图3.1　爱因斯坦之前的空间和时间

图3.2“时空”的结构。对每个观察者而言，“延展的现在”都是过去与未来的中间区域。

这个既不在过去也不在未来的中间区域[12]时间非常短，取决于相对你而言事件发生的位置，就像图3.2中画的那样。事件离你的距离越远，延展的现在持续的时间就越长。亲爱的读者，在离你鼻子几米远的地方，于你而言既非过去也非未来的中间区域持续的时间只有几纳秒，约等于零（几纳秒之于一秒相当于几秒之于三十年）。这比我们能够觉察到的时间要短得多。在大海的另一端，这个中间区域的持续时间是千分之一秒，仍然远低于我们可以感知到的时间的临界值——我们通过感官能感知的最短时间大约是十分之一秒。但到了月亮上，延展的现在的持续时间会达到几秒钟，到了火星会有一刻钟。这表明我们可以说，在此刻的火星上，有已经发生的事件和尚未发生的事件，也有那么一刻钟的时间，这段时间的事情既不发生在过去也不发生在未来。

这些事件在他处。我们从未意识到这个他处，因为在我们周围这个他处太短暂了，我们无法察觉到它，但它真实存在。

这就是在地球和火星之间无法进行流畅通话的原因。比如我在火星而你在地球，我问了你一个问题，你一听到就立刻回话，但你的回复要在我提出问题一刻钟后才传到我这儿。这一刻钟的时间相对于你回答我的时刻而言既不在过去也不在未来。爱因斯坦领悟到的关于自然的重要事实就是，这一刻钟是无法避免的：我们无法把它消除。它被编织在时空事件的纹理中。我们无法缩短它，就如我们无法给过去寄一封信一样。

这很奇怪，但世界就是这个样子。就像悉尼的人是上下颠倒的一样奇怪；奇怪，但确实如此。人一旦习惯于事实，事实就会变得稀松平常与合乎情理。是时间与空间的结构使其如此。

这表明说火星上某一事件“正在”发生没有意义，因为“现在”并不存在（图3.3）。[13]从专业术语来讲，我们说爱因斯坦领悟到“绝对的同时性”并不存在：宇宙中并不存在“现在”发生的事件。宇宙中发生的事件不能用一系列的、一个接一个的“现在”来描述；它有着如图3.2中的更复杂的结构。这幅图描绘了物理学中的时空：一组过去与未来的事件，以及既不是过去也不是未来的事件；这些事件并不在一瞬间形成，它们本身要持续一段时间。

图3.3　同时的相对性

在仙女座，这个延展的现在的持续时间（相对于我们）是两百万年。这两百万年间发生的任何事情于我们来说既不在过去也不在未来。如果某个先进而且友善的仙女座文明决定派一个宇宙飞船舰队来拜访我们，去问舰队“现在”出发了与否并没有意义。唯一有意义的是当我们接收到来自舰队的第一个信号时，从那一刻起——而非提前——因为舰队出发于我们的过去。

年轻的爱因斯坦在1905年发现的时空结构带来了实际的成果。如图3.2所示的时间与空间联系紧密这一事实，意味着对牛顿力学的巧妙重建由爱因斯坦在1905年和1906年迅速完成。这个重建的第一个成果就是，正如空间与时间融合成了统一的时空概念，电场与磁场也以同样的方式融合，合并为一种单一的实体，我们今天称之为电磁场。用这种新的语言来表述的话，麦克斯韦描述这两种场的复杂方程组就变得十分简单了。

这个理论还有另一个含义，会产生重大的影响。在新的力学中，“能量”与“质量”合二为一，如同时间与空间合二为一，电场与磁场合二为一。在1905年以前，有两个看似确定无疑的普遍定律：质量守恒定律与能量守恒定律。第一个定律已经被化学家广泛证实了：质量在化学反应中不发生改变。第二个——能量守恒定律——直接由牛顿方程推导出来，被认为是最没有争议的定律之一。但爱因斯坦意识到能量与质量是同一实体的两面，就如电场和磁场是同一种场的两个面向，空间和时间是同一事物即时空的两个面向。这表明，质量本身并不守恒；能量——按照当时理解的那样——也不守恒。一种可以转化为另一种，只存在一个守恒定律，而非两个。守恒的是质量与能量的总和，而非其中任意一个。一定存在某个过程，可以把能量转化为质量，或把质量转化为能量。

爱因斯坦快速计算出了通过转化一克物质可以得到多少能量，结果就是著名的公式E=mc2。由于光速c是个非常大的数，c2是个更大的数，因此转化一克物质得到的能量十分巨大，有数百万颗炸弹同时爆炸那么大的能量——足以照亮一座城市或给一个国家的工厂供电数月，或是反过来，可以用一秒钟摧毁像广岛这样的城市中的几十万人。

年轻的爱因斯坦的理论推导把人类带入了新纪元：核纪元，一个充满新的可能与新的危险的纪元。今天，多亏了这个不墨守成规的叛逆年轻人的智慧，我们才有了给未来一百亿地球家庭带来光明的工具，能够太空旅行到其他星球，抑或是相互伤害，破坏地球。这取决于我们的选择，取决于我们相信什么样的领袖。

如今，爱因斯坦提出的时空结构已经被充分理解，在实验室中经过了反复检验，确认成立。对时间和空间的理解与自牛顿时代以来的方式不再相同。空间并不独立于时间存在。在图3.2的扩展空间中，并不存在一个可以被称为“现在的空间”的特殊部分。我们对现在的直观理解——所有事件“现在”都在宇宙中发生——是我们由于无知而做出的判断，因为我们无法感知到短暂的时间间隔。从我们狭隘的经验来看，这是个不合逻辑的推断。

就如同地球是平的是个幻觉一样，我们把地球想象为平的，是由于感官的局限，因为我们目光短浅。如果我们像小王子那样生活在一个直径几千米的小行星上，就会很容易发现我们是住在一个球面上。如果我们的大脑和感官可以更加精密，如果我们可以轻易地感知一纳秒的时间，就不会产生普适的“现在”的概念，我们会很容易意识到在过去与未来之间存在着中间区域。我们会意识到说“此时此地”是有意义的，但是把“此时”当作全宇宙共同的“此时”是没有意义的。正如问我们的星系是在仙女座的“上面还是下面”是一个没有意义的问题一样，因为“上”与“下”只在地球表面有意义，而非在宇宙里。宇宙中不存在“上”或“下”。同样，宇宙中的两个事件也不存在“之前”或“之后”。图3.2与3.3描绘的时间与空间交织在一起的结构，就是物理学家口中的“时空”（图3.4）。

《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的文章，所有问题一下全都明了了，这给物理世界带来的冲击是巨大的。麦克斯韦方程组与牛顿物理学的明显冲突广为人知，但没人知道该怎样解决。爱因斯坦的方法极其简洁，震惊了所有人。有个故事说，克拉科夫大学昏暗的教学楼里，一位严肃的教授从研究室走出来，挥舞着爱因斯坦的文章，高喊着：“新的阿基米德诞生了！”

图3.4　世界由什么构成？

尽管爱因斯坦在1905年迈出的步伐已经引起了惊叹，我们却还没有谈到他真正的杰作。爱因斯坦最大的成就是第二种相对论，十年以后在他三十五岁时发表的广义相对论。

广义相对论是物理学家创造的最美的理论，也是量子引力的第一大支柱，是本书的核心。20世纪物理学的真正神奇之处由此展开。