| 爱因斯坦与相对论 爱因斯坦是德国出生的著名美籍理论物理学家，他生前就被认为是人类历史中最具才智的人物之一。他在1879年3月14日于德国的乌尔姆镇出生，少年时期在慕尼黑受教育，非常喜欢音乐。后来进入瑞士的苏黎世理工学院就读，并在1900年伯林的专利局任审查员。 1905年他发表＜分子尺度的新测定＞论文，使他取得苏黎世大学的哲学博士学位。后来又发表＜论动体的的电动力学＞，此篇就是爱因斯坦花十年功夫才探索完成的狭义相对论。其论文内容主要是认为如果对于所有参照系的光速都是定值，且自然定律均相同，则时间和运动对观察者而言都是相对的。＜物理惯量和能量的关系＞，此文是让狭义相对论做为数学上的脚注，它确立了质能的关系即E＝mc^2。1916年他任职于柏林的普鲁士科学院时，发表了一篇＜广义相对论基础＞，此文的中心思想，认为引力是因质量的存在而引起的时-空连续场的弯曲，后来受到证实，因而赢得巨大的国际声誉。爱因斯坦在大陆的上海收到电报通知，肯定他在光学和理论物理的成就，在1921年拿到诺贝尔物理学奖，但因相对论仍备受争议，故没在授奖提议中被提及。以后他耗尽毕生精力于研究引力场和电力场之关系，企图建立统一场论，但终究未获成果。1930年，他担任牛津大学的短期教授期间，他花在为和平主义活动的时间较讨论科学多。他曾和泰戈尔讨论过真理的问题，泰戈尔认为真理须靠人实践，而爱因斯坦则认为科学的真理本身便具有超乎一般人的客观性。1933年在希特勒掌权后，他便放弃了德国的国籍，而接受美国普林斯顿大学之邀转赴美国且取得美籍。1939年因他得知德国人发现核分裂可制核武，他便写信请罗福斯总统注意，促使美国开始制造原子弹。爱因斯坦的一生贡献于人类对宇宙的认识上是无所匹敌的，被确认为人类历史上的科学巨人。他于1955年4月18日在普林斯顿逝。 因相对论而引出的问题很多，例如 中央大学天文研究所教授阙志鸿这样说: 「宇宙的起源是一场大爆炸，它炸开了空间，也创造了时间；星系、星球、地球、空气、水和生命就在这个时空里渐渐形成。」这是连爱因斯坦都相信的理论。但这个学说在最近一、两个星期内开始受到严厉的挑战和质疑。如果大霹爆理论是正确的，那么这个空间里所有的物质应该生于大爆炸之后，这是个因果关系。虽然爱因斯坦的相对论原则上不需有绝对的时间和空间，但是如果宇宙有一个起源，它就有一个绝对时间的原点，破坏了时间的相对性，所以这个因果律便是一个绝对的定律。最近美国的哈伯太空望远镜观测到一些现象，显示这个绝对的因果律出了问题。也就是说宇宙可能没有起源，就像相对性的空间一样，时间也是没有原点，时间也不是绝对的。 哈伯太空望远镜的观测显示，如果宇宙真是由大爆炸所造成的，那么爆炸距现在的时间是小于很多老星球的年龄。最老星球的年龄可达一百六十亿年，但观测显示爆炸的时间顶多是一百二十亿年前而已。这个发现上星期在英国的``自然''杂志发表，引起天文物理界莫大的震撼。 从二十世纪初以降，包括爱因斯坦在内的大部分天文物理学家都相信，宇宙是由大爆炸所产生；由于质能互换原理，爆炸的能量最后转为物质。这个学说建立于三个重要的基石上。第一个，由数学上证明广义相对论只容许唯一的解，这个数学解就是在时间的原点，整个宇宙的大小是一个点，大爆炸炸开了一个三度空间。由于空间以一定的速率不断的膨胀，因此整个空间瞬间的大小也给了时间一个指标和定义。这就像武侠小说中``半柱香的时刻''，以一柱香的长短来测量时间是一样的。第二个基石是，美国天文学家哈伯在爱因斯坦发明了相对论的二十年后，发现了宇宙是在膨胀，并且越远的星系膨胀的速度越快。这个发现大致吻合相对论的数学解。第三个基石最具关键性，在七十年代，美国的天文学家发现了宇宙的背景辐射。由于宇宙的膨胀，大爆炸时的热能目前应已降到绝对温度数度左右，符合观测结果绝对温度2.7度。从此，天文物理学家发展了一套标准模型，来解释这个膨胀的空间里一切物质的起源。但是宇宙到底确实膨胀多快，哈伯便无法确定。这个缺憾预留了一些空间让以后的天文物理学家去发展另一套不同于爱因斯坦相对论的学说。但是这些学说都是非主流的。美国哈伯太空望远镜的主要任务也就是要弥补当年哈伯观测的缺憾，要决定目前宇宙在单位距离内膨胀的速度。星球在膨胀空间里的分布就像一些分布在正在膨胀的气球表面的点一样。点与点之间的距离会因膨胀而变大，分离的速度不但和气球膨胀的速度成正比，也和点与点之间的距离成正比。距离越大的两点，它们之间分离的速度越大。所以若不知任意两点之间的距离，只光知道两点分离的速度是无法知道整个气球膨胀的速度。同样的，若欲决定宇宙膨胀的速度，我们不但要知道星球之间分离的速度，也要同时知道星球之间的距离。天文学家可用所谓的都卜勒效应来测量任一星球远离地球的速度。但是，星球与地球之间的距离便不容易决定。因此哈伯常数（单位距离内的膨胀速率）相当难决定出来。 上个星期发表在``自然''杂志上的发现，为室女星系团内的上千颗造父变星。变星是光度有周期性变化的恒星，愈大的变星，周期愈慢，可是愈大的星愈亮。所以变星的周期和绝对亮度有一定的关系，而造父变星的周期和绝对亮度之间的关系可以很准确的决定出来。但是，星球距地球越远看起来越暗，因此观测到的亮度并不是星球本身的绝对亮度。若是有办法知道星球的绝对亮度，再加上观测到的量测亮度，星球的距离便可知道。在天文学上，远距离是无法被直接测量的，造父变星提供了一个绝佳的机会来测量距离。天文学家可以量遥远变星的周期，大致上是几十天之谱，从而决定变星本身的绝对亮度，再和观测到的亮度相比，变星和地球之间的距离即可决定。 室女星系团距地球相当远，为几千万光年之遥，因此膨胀的速度可以相当快，且可以利用都卜勒效应准确的测量出来。要是它的距离亦可被准确测量出来的话，哈伯常数便可准确地决定，大爆炸距现在的时间上限便也能决定。上星期发表的造父变星让天文学家准确地决定哈伯常数。宇宙在单位距离内膨胀的速率为每一百万光年27公里。它也代表大爆炸至早发生在一百二十亿年前。但是，天文学家又知道，银河系中的一些古老的星球年龄为一百六十亿年。这代表星球需要生于大爆炸之前。这个结果不符合因果律，因此大爆炸标准模型受到质疑。这个发现也让非主流学说有一个发展的空间。 其实，在逻辑的结构上，非主流派中的主流理论是可以和爱因斯坦的相对论相比美。如上所述，相对论的宇宙观是空间是相对的，没有原点，但时间是绝对的，有一个原点。相对论的宇宙观并且认为，宇宙的总能量守恒，没有凭白无故冒出多余的能量，也不能损耗总能量。但是另一个学说却认为时间和空间是相对的，两者都没有原点，所以宇宙是在一个时空的平稳状态中存在。在这种理论架构下，时间和空间有完整的对称性。为了要解释宇宙膨胀，这个学说必须放弃能量守恒的想法。它认为能量是可以无中生有，并且越来越多，物质也可以无中生有，愈来愈多。这就好像宇宙中蕴藏着无数的涌泉，随时随地冒出物质来。这些涌出的物质必须往外流，因此宇宙膨胀。因为物质随时涌出，所以不需要一个时间的绝对原点；物质随地涌出，所以空间也没有绝对原点。这个学说不需要大爆炸便可以解释宇宙的膨胀，并且也可以解决宇宙年龄的问题。可是，这个学说必须面对一个挑战，那就是如何解释宇宙背景辐射的温度。在1970年代，这个大爆炸理论的第三个基石是此学说的致命伤。在不久的将来，此学说会不会因上星期的发现而败部复活？我们可以拭目以待。 相对论宇宙模型或上述非主流的平稳态宇宙模型，对有创意的天文物理学家而言，绝非是个二选一的答案。其实，一般相对论的教科书上都不会提到广义相对论本身是有些缺陷的。从时空的完美对称性来看，它有上述需要时间原点的问题。除了时间、空间的问题之外，从物理学的相对性原则而言，它也有另一个问题，所谓的惯性坐标问题。十九世纪末，一位澳洲科学家马克提出一个宇宙学的问题。我们举目观星，如果连续看一、两个钟头，就会发现群星绕着北极星转。马克问道：「到底这是因为地球自转造成的，还是群星真的绕着地球旋转？」这个问题乍看之下相当不智，因为这像是十六世纪哥白尼时代的问题：「到底是地球绕着太阳转，或是太阳绕着地球转？」标准答案当然是地球自转所造成的。但是马克又道：「如果一切物理现象都是相对的，地球自转和群星绕地球转就必须是一体的两面。」举例来讲，要是你绕着原地自己旋转，你会感觉头晕，但是如果你站着不动，而周遭所有的物体都绕着你转的话，你也将会感到头晕。马克认为一个理想的宇宙模型应该能具有这个特性，一切都是相对的，转动也是相对的。这便是所谓的马克原则。爱因斯坦自己也承认，他是受到马克原则的启发才发明广义相对论。但是，不幸的是相对论无法做到马克原则的要求。相对论的宇宙必须很清楚地标示到底宇宙本身转不转。现存的标准宇宙模型是采取宇宙不转。所以我们对群星绕天的标准解释才会是地球自转。附带说明一点，至今还没有任何一个宇宙模型可以完全符合马克原则，上述的平稳态宇宙模型也不例外。 虽然，最近的发现，开始让天文物理学家对现存的标准理论提出质疑，但我们还需要一连串进一步的观测证据，才能宣判标准模型的对否。在未来的几年，国际的天文学界必然有一番激烈的竞争，看那一个国家或那一个研究群能抢先掌握这个问题的答案。同时，在宇宙学的理论模型方面，亦会有百家争鸣的机会。 另外，相对论发表至今，已渐被物理学家了解与接受，但对绝大多数人而言，仍然只是一个模糊的概念。事实上，相对论所叙述的内容，不单是科学上、物理上的，更是生命上、心灵上的，我们岂可轻易错失这个开启智慧的机会。 首先，爱因斯坦说物质是能量的一种体现，两者之间可相互转换，原子弹与核子弹即利用此原理发展而来。其次，相对论告诉我们，物体速度增大后，其时间会膨胀、空间会缩小，且时间与空间并不是单独存在的两件事，而是共同形成宇宙架构的「时空连体」。地球会绕日而行，并非受到万有引力之影响，而是在「时空连体」中依其最好走的路径运行。 爱因斯坦的数学老师闵可夫斯基，也因着相对论的发表，经由严格数学推论获得令人惊奇的结论：在「时空连体」中，对每一个体而言，所有过去与未来的一切，都在一个点上相会，而且永远相会，这个点就是「现在」。此外，每一个体的「现在」都有一定的地方，在他处寻觅不着，那地方就是「这里」。 现在，让我们由生命与心灵的角度，来分享爱因斯坦的智慧。因为物质均由电子、质子、中子等基本粒子组成，但此等粒子则是由能量以不同形式转化组合而成。所以，构成宇宙的最基本材料根本不存在，如果勉强说有的话，只能说那基本材料是「能量」。正如金刚经所言。「凡有所相，皆是虚妄」。我们所说之「力」亦不存在，大至星体运行，小至光子运动，甚至我们的喜怒哀乐、思考与判断，都在「时空连体」之中依其最好走的路自然运行，丝毫不牵强。也就是说，凡事都在圆满之中，我们从未片刻脱离圆满。你今天会看到本文，那是因为你在「时空连体」中圆满的走你最好走的路；无论你若有所获或是更加迷惑，亦均是在圆满之中。 闵可夫斯基的论证则告诉我们一项修行悟道的首要关键「当下」。许多修行者致力追寻生命的意义，钻研各种法门详加归纳比较，但最后仍然必须回归「当下」。因为只有「现在」与「这里」才是我们能掌握的、才能展现出生命的意义。舍近求远，徒增虚妄，亦如金刚经所云：「一切有为法，如梦幻泡影，如露亦如电，应作如是观」。 文章来源http://www.xinkexue.freewebsites.com/ |