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郭汉英教授并不否定相对论,而是要完善和发展相对论
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空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革 2008-07-09 09:51
（南开大学物理科学学院“今日物理”小组）
2005年是世界物理年，是年11月份，南开大学物理学院“今日物理”邀请中科院理论物理研究所资深研究员郭汉英老师作了题为《空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革——大船、水桶、升降机、橡皮膜和暗物质》的讲座。讲座之后，“今日物理”活动组的徐光明、苗荣欣等同学对郭老师进行了专访，几经讨论，内容已经超出原来的讲座。现与郭老师一起整理成文，供大家参考。
徐：您所说“空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革”，是因为宇宙观测到的新现象，比如暗物质、暗能量，以及宇宙加速膨胀的事实么？
郭：主要是这个原因。1998年以来，有关暗物质，特别是暗能量和宇宙常数的观测结果，使得以相对论和量子力学为基础的物理学的整个理论框架面临挑战。观测数据分析表明，宇宙是暗的，通常物质仅占百分之几，我们的宇宙正在加速膨胀。按照通常的看法，作为“暗能量”的宇宙常数，应看成量子真空能。然而，这样得到的宇宙常数值比观测值大了120多个数量级。这是物理学史上前所未有的不一致。这些都表明，一些传统的观念，甚至现在的一些基本理论需要变革。其实，这个问题还有另一层含义。观测数据分析的基础是广义相对论和宇宙学原理。分析的结果却对“基础”提出质疑。这暗示着，理论基础很可能还存在某些不协调。从这个角度来看，变革也是可能和必然的。
徐：100多年前物理学天空乌云朵朵，看来时至今日，虽然量子力学和相对论已经取得了巨大成功，物理学依然不是晴空万里。
郭：从来都不是。温伯格早就指出：“物理学并不是一个已经完成的逻辑体系，相反，它每时每刻都存在着一些概念上的巨大混乱。”，这也正是物理学生命力之所在。温伯格把这一段作为他的名著《引力和宇宙学》的开篇，并不是偶然的，值得我们注意。我们不妨一起来回顾时空理论的发展历程，这对我们理解整个问题是有帮助的。诸多问题、不协调、混乱之处，其实早就存在。 徐：您讲座的副标题正是沿着时空理论发展的顺序。您能简单讲解一下么？
郭：首先来看伽利略的大船。你们都知道伽利略的著名《对话》吧？
徐：知道。伽利略描述了在平静水面上静止或平稳航行的大船，无论在船舱内做什么样的物理观测和实验，都没有办法区分大船是静止还是匀速航行。
郭：是的。这就是所谓的“舟行人不觉”。其实，早在汉代，就有这类表述。对于这一点以及有关的问题，你们可以参见我最近将要发表的两篇文章《惯性原理及其宇宙起源》、《“舟行人不觉”和暗宇宙——惯性运动、相对性原理及其宇宙起源》……尽管伽利略并不是最先认识到惯性运动及其相对性的，但他已经相当接近了。伽利略还是现代实验科学的开创者，所以后人把牛顿力学的相对性原理称为伽利略相对性原理。惯性运动和惯性参考系对于牛顿体系非常重要。
徐：牛顿第一定律就是在表述惯性运动。
郭：是的。在牛顿体系中，惯性定律和相对性原理即惯性原理，是定义力学量，引进其他力学规律的基准。伽利略大船可近似看作是惯性系。不过，这里要注意，伽利略有个要求：“你和你的朋友把自己关在一条大船甲板下的主舱里。”这是什么意思？
徐：很简单——不能向外看。如果向外观测或与外界联系，那就很容易区分大船的运动状态。
郭：是的。不过，也可以代之以一个简单的规定：可以向外看，但是不能以此来确定大船的运动状态。其实，也必须参照向外看的结果，知道大船的运动状态有所不同，才能断定船舱内的实验不能区分大船的运动状态。
徐：是这样。
郭：可是，在物理上要实现这一点，却不那么简单。牛顿体系和相对论体系都难以做到。
徐：是吗？
郭：不仅如此，以惯性原理为基准，必然涉及到如何确定惯性系的问题。爱因斯坦认为“惯性原理的弱点在于它含有循环论证：如果一个质量离开其他物体足够遥远，它就作没有加速度的运动；而我们却又只能根据它运动时没有加速度的事实才知道它离其他物体足够遥远。”
徐：这的确是个问题。据说，设法克服这一“循环论证”，是爱因斯坦放弃狭义相对性原理，提出广义相对性原理的主要动机之一。
郭：可惜并没有真正实现。这个问题以后还会谈到。 郭：牛顿为了解决惯性运动起源问题，也是建立体系的需要，引进绝对空间和绝对时间的概念，并提出了著名的水桶实验来论证存在绝对空间。
徐：嗯。按照牛顿的观点，水面的下凹本身就表明绝对空间的存在。后来马赫对这个假想实验提出系统的批判。马赫认为牛顿忽略了水桶壁和星体的存在，他不认为存在什么绝对空间。在他看来，惯性运动只能是相对于整个宇宙其他质量的中心。
郭：是的。不过，从马赫的看法可以引伸出这样的观点：应该存在这样的理论，不仅满足相对性原理，也可以建立自恰的宇宙图景；而且宇宙图景应当与相对性原理之间存在着内在联系。显然，牛顿体系不是这样的体系。
徐：哦。是指夜黑和引力佯谬吧。这也说明牛顿体系并没有完成。
郭：对。惯性运动的起源问题并没有真正解决。绝对空间和无限大的欧氏绝对空间和天体均匀分布的宇宙模型，无法解释夜空为什么黑，同时也无法建立一个在引力作用下稳定的宇宙图像。尽管牛顿并不清楚这一点。 郭：如果把伽利略大船当作惯性系，那么，一旦用于天体，就不能向外看，否则，就会直接或间接地涉及宇宙的描述。然而，伽利略惯性系在时间和空间上都是欧氏几何的无限长和无限大，什么是无限大意义上的内和外？
徐：呵。这也是为什么说牛顿体系无法解决在伽利略船舱中能否向外看这个问题的原因。不过，如果存在“以太漂移”，那么，即使不能“向外看”，也应该可以判断伽利略惯性系的运动状态。
郭：是的。然而，恰恰所有“以太漂移”实验的结果都是否定的。麦克斯韦电磁理论不满足伽利略相对性原理。怎么办？
徐：是失去定义物理量和进一步引进物理规律的基准了么？
郭：是的。正是19世纪末的物理学面临的危机，激励着相对论体系发展起来。庞加莱首先提出把相对性原理作为自然界的基本原理，把伽利略变换推广为洛伦兹变换。这样，力学与电磁学的基准又重新确立起来。爱因斯坦进而以这个原理和光速不变原理出发，建立了狭义相对论。这个理论在惯性系之间的庞加莱变换下不变，既包括洛伦兹变换，也包含空时平移。这一理论是20世纪最重要的科学发现之一。
徐：是的。质能关系、钟慢尺缩、双生子佯谬等等，这些我们都很熟悉了。
郭：我相信你们都很熟悉。不过，有几个问题不妨探讨一下。你提到的双生子佯谬，一定涉及加速运动。有人问我，爱因斯坦认为惯性力与引力等效。于是，一有加速运动，就有惯性力，后者就等效于引力。那么，狭义相对论能不能描述加速运动？
徐：是啊！还能用狭义相对论吗？
郭：答案由你们自己去思考……你还提到质能关系。一般以为，这个关系表明质量与能量等价，物体的“相对论性质量”或者“运动质量”会随运动速度增加而增加。不少教科书也这样讲。然而，最近著名物理学家奥昆再次指出，除了在静止系中，这种理解是不恰当的，认为质量会随速度而增加则是误解。他的文章的题目就是“The Concept of Mass in the Einstein Year”。非常具有针对性。
徐：是吗？可是霍金不就是这样讲的吗？他在《时间简史》一书中，只用了一个公式，正是这个公式。
郭：不错。不仅仅是霍金。建议你们上网找出这篇文章，看看奥昆为什么这样讲。
徐：好的。看来对于狭义相对论的理解，竟也是如此混乱，温伯格所说真是有些道理了。
郭：是的。需要我们仔细思考。不过，奥昆的解释并不够。建议你们看看，是否同意奥昆的观点？如果同意，还有什么不足。
徐：好的。 郭：其实，作为时空理论，狭义相对论所建立的是4维闵氏时空，当光速C近似为无限大时，闵氏空时回到牛顿空间和时间。如果忽略引力和宇宙学效应，所有经典实验和观测都与狭义相对论一致！
徐：这正是狭义相对论成为现代物理学基础之一的原因。
郭：然而，这并不代表理论已经完全被实验所证实。仍然存在需要检验的假定和问题。
徐：还有哪些假定和问题？
郭：爱因斯坦沿用了牛顿力学关于刚尺服从欧氏几何的假定，但几何源于测量，非欧刚尺也是可能的。另一个，就是单程光速不变包含着假定。除了这些，还有如今量子纠缠所带来的挑战，等等。
徐：几何源于测量。这是大家公认的。为什么说单程光速不变包含了假设？光速不变不是为大量的实验所证实了吗？
郭：不妨想一想，如何测量单程光速？
徐：单程光速的测量？起点和终点的钟要事先对好。那么，怎么对钟？
郭：是呀。对钟又需要光讯号！
徐：这岂不是陷入了逻辑循环？
郭：爱因斯坦非常清楚这一点。他认为，这是一种“约定”。
徐：“约定”？不可以“证伪”吗？
郭：问的很好。建议你们进一步思考这个问题。 郭：其实，对于一些基本概念还存在着混乱。即使在理论物理学界也是如此。
徐：是吗？难以想象。比如说……您刚才提及的两个问题？
郭：不仅如此，狭义相对性原理和宇宙学也是不那么协调。相对性原理认为，惯性系没有优越的速度。然而，河外星系红移的发现表明，宇观尺度上，实验室中的观测者会发现实验室具有优越速度；满足相对性原理的物理规律没有时间方向，然而，宇宙演化本身却明确给出时间方向。微波背景辐射发现之后，这个问题更加突出。爱因斯坦在他100年前发表的文章中，专门提到“多普勒原理和光行差”。试想，如果那个时候就发现了星系红移，在观测光行差时，也观测红移。那么，还会有相对性原理吗？
徐：是呀！尽管相对论能够描述宇宙，但是由于相对性原理与宇宙学的不协调，爱因斯坦相对论体系也不能解决惯性和惯性运动的起源问题。
郭：是的。相对论体系也不能解决伽利略大船能否向外看这样简单的问题。不过，一旦提及光行差，就已经向外看了。这就隐含着问题。 郭：在理论上，爱因斯坦突破狭义相对论，发展广义相对论，开创了现代宇宙学。然而，理论上隐含的问题却更加突出了。
徐：谈到广义相对论，我们都听说，惯性力和引力等效；太阳近邻的空时弯曲了，等等。这就是爱因斯坦的“升降机”思想和“橡皮膜”的比喻吧。据说“升降机”是爱因斯坦“一生中最令自己兴奋的思想”。
郭：是的。广义相对论最重要的原理就是等效原理。然而，惯性力与引力并不等效。我们在讨论，大家都在做非惯性运动，为什么引力场等效于我们之间的惯性力？对于等效原理，现在通行的表述是：在宇宙中任何时刻、任何地点都存在局域洛伦兹空时，在这类局域洛伦兹空时中，除了引力之外的一切物理规律的形式与狭义相对论中的一样。其实，这个原理的实质，应该是狭义相对论的局域化。
徐：狭义相对论的局域化？
郭：是的。只有这样，在引力场中我们才有局域惯性原理作为定义物理量和描述物理规律的基准。其实，这也是爱因斯坦有关引力场中存在“伽利略区域”的思想的合理内核。
徐：也就是说，在忽略引力的“伽利略区域”内，狭义相对论成立。
郭：是的。然而，广义相对论的等效原理却没有要求把庞加莱对称性全部局域化。在广义相对论中，只有局域齐次洛伦兹对称性，而没有局域空时对称性。于是质量和自旋无法精确定义！前面提到的奥昆的文章，也没有提及这一点；或许是为了简单。在广义相对论中，只能把有关物理定律中出现的物理量类比于，或“等效”于狭义相对论中相应的物理量。同样，也是在这个意义上，我们说，广义相对论并没有真正突破惯性原理的“循环论证”，反而丢失了局域惯性原理的基准。 徐：不过，我们所了解的一些实验检验，比如引力红移、水星近日点进动、光线偏折等等，都说明广义相对论是合理的啊。
郭：不错。广义相对论突破了牛顿引力，在科学史上，对于有关空时、引力和宇宙的认识，带来了巨大变革，堪称一座丰碑。按照牛顿理论，绝对空间和绝对时间是“刚性的”，不受在其中的物质及其运动的影响。按照广义相对论，空时好像“橡皮膜”，会受到物质及其运动的影响。太阳周围的空时“橡皮膜”被太阳压弯了。不过，这些检验都是对于弱引力场、是在太阳系尺度下的检验；因而不能完全说明问题。奇性的不可避免和暗宇宙的挑战，会涉及极强引力场或宇观大尺度。
徐：哦，确实如此呢。
郭：有人指出，爱因斯坦的场方程在理论上还存在一个打不开的戈尔迪结。现代宇宙学的基础是这个方程和宇宙学原理，这个方程的潜在问题以及相对性原理与宇宙学之间的不协调暗示，相对论需要变革。
徐：嗯，空时、宇宙理论经历了这么多伟大的变革，今天还在面临新的挑战。那么您觉得最有希望的变革应该沿着那个方向呢？
郭：这是需要我们大家一起来探讨的问题；特别是你们年轻人。 郭：我们宇宙是一个演化的系统。暗宇宙的渐进行为提示我们，应该深入考察狭义相对论关于静止钟和尺的假定。既然在大尺度上这个假定并没有观测基础，不如放宽这个假定。一旦放宽这个假定，就会导致我国著名学者陆启铿所倡导的，德西特和反德西特空时上的相对论。其实，在闵氏、德西特和反德西特空时三种常曲率空时中，应该存在着三种相对论，以及相应的运动学和动力学。到底服从哪种几何，应该由大尺度观测，即暗宇宙的渐进行为来确定。
徐：嗯。那么观测结果对这个问题有大概的判断了么？
郭：暗宇宙和宇宙常数为正的观测表明，暗宇宙一定不是渐近平坦的，而很可能渐近于“空的”德西特空时，那么，这就暗示着应该认真考虑德西特空时中的德西特相对论及其宇宙学意义。这类相对论的相对性原理可以表述为：在德西特或反德西特空时中存在惯性系，非引力的物理规律，在任何惯性系中的形式一样。不变普适常数原理要求：在任何惯性系中，存在光速C和曲率半径R这两个不变和普适常数。如果考虑退化形式：当R→∞时，德西特和反德西特空时退化为闵氏空时。因而洛伦兹-庞加莱理论或者爱因斯坦相对论的重要内容，应该包含在德西特不变相对论中，作为R→∞的退化情形。你们可以看看我的另一篇文章《德西特不变的相对论及其宇宙学意义》，也可以自己查相关的文献，这个就需要你们去学习和钻研了。
徐：好的。
郭：你们可以看到，通过德西特相对论或者常曲率空时的相对性原理的宇宙学意义，观测宇宙及其渐进行为以一种方式解决了惯性运动和惯性系统的起源和如何确定的问题。在我前面提到的两篇文章中，你们可以找到比较详细的叙述。于是，对于德西特的惯性原理，不再存在爱因斯坦所担心的“循环论证”。这方面的工作仅仅是开始，有大量问题需要研究。总之，狭义相对论百年之际，空时、引力与宇宙理论和观念面临着变革。暗宇宙启发我们，应该放弃爱因斯坦在狭义相对论中的欧氏假定，建立具有德西特不变性的相对论，以及具有局域德西特性质的引力理论和宇宙论，深入考察、认真分析试验与观测的检验。
徐：谢谢您的精彩讲解，“今日物理”再次感谢您对我们的支持，谢谢您！欢迎您再次来我院作客。
郭：我们纪念爱因斯坦，就是要发扬他的不畏权威、大胆怀疑、尊重实际、周密思索的科学精神。100多年前，物理学正面临危机。年轻的爱因斯坦在危机之中做出奇迹。现在，物理学又面临新的全面挑战。你们生逢其时，又比当年的爱因斯坦还要年轻。相信你们一定能够做出开创性的工作
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