在牛顿时空观的下 ,时间是绝对恒定流动的物质 。然而时间是真实存在的还是幻觉?爱因斯坦的看法可能与佛陀不谋而合。佛陀认为时间是“假象”,只有跳出时间的束缚才能看到事物有相背后的无相,融入当下的世界达到圆满。这个境界或许只有人的经历达到一定的程度才能领悟到 。
爱因斯坦是在1955年对他一生的挚友格罗斯曼的去世后写信给格罗斯曼的儿子,信的结尾写道“或许对于我们信仰物理学的人而言,时间只是一个顽固的观念幻觉”。
这位格罗斯曼是爱因斯坦的大学同学,是个数学学霸,经常拿满分顺便帮逃课惯犯爱因斯坦抄笔记。大学时的爱因斯坦学习天赋表现一般,他对教授的讲课方式不满经常逃课或是在实验课上搞出幺蛾子。因此大学时期的爱因斯坦差不多是学渣,只有他的好友格罗斯曼认为他一定会有惊人的成就。爱因斯坦大学生涯最后以倒数的成绩勉强毕业告终,因为得不到教授的推荐他也无法到大学任教,而格罗斯曼则顺利当上了数学系主任 。老爸甚至还为他写了一封著名的“爱因斯坦求职信”,可惜没起作用。最后是他的朋友格罗斯曼打电话给他问他要不要去瑞士专利局工作 ,待遇还算丰厚,只是要等他的父亲的通知才能上岗。于是爱因斯坦又等了令人焦虑的三个月才成功就职了。
在那里每天的工作比较宽松,他还可以抽空拿出草稿纸来演算物理题,只要在上司来到前快速藏好稿纸就可以 。当然他的工作也是尽职尽责的,他发现很多申请的专利都和时间同步有关,比如如何让两个地点的火车站的时间一致,时常有人因为时间误差赶不上车,甚至还有火车因此相撞。于是爱因斯坦时常就思考着时间是什么东西。
有一天他下班路过常见的那个钟楼,他突然想到如果他以光速远离钟楼,看到的表盘就静止的。毕竟表盘的视野是每秒光速一帧传到他眼睛里的 ,而他的手表的时间却是正常显示的。光速不变性已经被洛伦兹将麦克斯韦方程经过伽利略变换推导出来 。于是爱因斯坦进一步设想:光速不变是因为时间在变 ,当一个物体在空间上移动其时间就会改变 。于是爱因斯坦提出了狭义相对论统一了时空 。他把麦克斯韦方程经过洛伦兹变换载带入经典物理学公式就得出了那个著名的质能方程 。他认为我们的三维空间其实就是在时空的维度运动,如果两个物体相对静止那么彼此的时间同步,如果对方向你走来 ,相当于他的时空相对你是正的,他的时间相对于你就是正数也就相当于时间相对于你拉长变慢了一点点,相反方向则会使他的时间相对变快一些。如果把这段距离的尺度拉到十亿光年,假设有一个外星人此时正在骑车,在这个尺度上相对的时间变化就会达到600年左右,也就是说按照这个推论,他朝着地球方向运动能看到地球过去600年的历史,背着地球的方向能看到未来地球600年发生的事。这样的推论就成为违反常识的“宿命论”了 。
接下来爱因斯坦把相对论推广到了非惯性体系中,也就是利用广义相对论在时空的基础上又统一了引力。这次的反常识推论过程源于对牛顿万有引力的思考。牛顿认为引力是瞬时发生作用的,也就是说如果太阳突然消失了,地球就会瞬间受到作用飞出太阳系。而爱因斯坦已经得出结论不可能有超过光速的速度,假设他是正确的那么太阳到地球这段光到达都要8分钟,就是说引力要瞬时作用就会比光在地球上消失的还快,于是他再次大胆的推论牛顿万有引力是错的。
接着他展开了精彩的想象推理,还是用光来切入。光在引力场会产生弯曲这凭借经验早就想到了 ,比如电梯一面墙上往对面墙上水平发射光束,此时电梯加速上升,那么楼对面的人看来光速的轨迹就是弯的。在此基础上 ,他大胆假设所谓的引力其实是一种时空弯曲的表现,正如地球公转太阳的椭圆形轨道的椭圆其实就是一种时空被太阳扭曲产生的几何表现形式。
接下来他花了几年的时间推导出方程去证明他的观点 ,他又构思出了实验验证他的观点 。这个实验的原理很有趣,假如有一个大质量的物体扭曲了时空 ,这个时空的生物如何知道这点 。如果是在二维空间的生物是无法直接观察到这点的 ,但有一个简单的方法就是画一个三角形测量内角和 ,不等于180度就说明时空被扭曲了 。那么我们三围时空的生物也可以利用这个原理 ,就是用绳子拉一个三角形依法炮制 。这个大质量的物体爱因斯坦就选择了太阳 。
按照他的思路 ,一位英国物理学家艾丁顿带着队员于1919年赶赴南非趁着三年一遇的日全食测量光线的偏折角度 。当太阳处在三颗恒星之间时测量一次光线夹脚当太阳离开时再测一次,如果夹角变化说明时空弯曲了 。为了对照也运用了牛顿万有引力公式和广义相对论公式分别计算偏折的角度 。艾丁顿得出结果证明爱因斯坦结论正确 。祖国的牛顿这次输了 。后来艾丁顿也被安葬在了牛顿墓的旁边 ,作为伟大的物理学家被铭记 。
对了,如果太阳突然消失会对地球产生什么影响爱因斯坦也推论了一番 。他假设太阳这个大质量天体的消失会产生一种波,它应该和光速是一样快的。也就是说太阳消失八分钟后地球才会感受到影响 。这个波也就是著名的引力波 ,后来霍金的朋友诺兰的科学顾问基普索恩于2018年因为引力波的理论发展贡献得了诺奖 。
曾经霍金于上世纪八十年代曾乐观的预言未来20年有望实现统一场论 ,因为杨振宁和学生杨尼尔斯推导出了方程组统一了电磁力和弱核力和强核力,大大推进了物理进程,只差引力统一了。据说近年来得到诺奖的物理学家不少是因为发现杨尼尔斯方程预言的粒子,可见杨振宁的伟大 。然而统一剩下四分之一引力也很难 。也就是要统一相对论和量子力学 。可能未来还需要20年 。目前最接近的理论就是“M理论” 。曾经有一位科学家找到统一相对论和电磁力的方法就是放到更高的维度 。在M理论就提升到了十一个维度理论上可以实现统一 ,但要达到这个目的需要超越爱因斯坦的思维才能做到 。霍金打趣如果存在造物主 ,那么他上天堂后要问问他关于如此复杂的弦理论怎么想 。
结尾笔者想到一句格言“伟大的成功者是小偷 ,他们的发明其实是发现另一个世界早就存在的东西 ”。盗窃工具当然就是想象力 ,因此爱因斯坦才会在瑞士专利局工作时居住的那个小地下室的墙上写道“一切科学发现都不是逻辑思维的结果”吧 。peace
文章参考来源:《相对论》 《爱因斯坦传》
《霍金沉思录》
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《从一到无穷大》