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爱因斯坦、相对论与科学研究——“吴有训科学魅力与江西人才高地构建”纪念活动上的发言
凌 意 引力与相对论天体物理中心，南昌大学理学院（2005年4月26日） 各位代表： 我很荣幸有这样一个机会与大家聚在一起，来瞻仰吴有训先生的科学风范。而作为后辈，我更希望通过这样的活动，能激励自己积极进取，真正在物理学的研究上做出更好的成绩。我想，这也同样是对吴先生等科学先驱的最好纪念。 同时，今年是世界物理年，以纪念爱因斯坦狭义相对论论文发表100周年。由于我的主要研究工作，就是引力与相对论的研究，所以今天的报告，我想结合自己的研究情况，来对相对论的研究，做一个简单的回顾与展望。我的报告分为三个部分，第一部分，简单回顾并介绍一下爱因斯坦及其创立相对论的过程。第二部分，也是我发言的主体部分，介绍今天相对论研究的主要问题和进展。第三部分，我相结合一下自己的经历，来谈一下我对如何开展基础研究的一些想法。 爱因斯坦于1879年3月15日诞生于德国乌尔姆的一个犹太人家庭，1955年4月18日在美国普林斯顿逝世。其间他的工作经历可以主要分成三个阶段，1901年到1914年的瑞士时期，1914到1933年的柏林时期，和1933到1955年的普林斯顿时期。在爱因斯坦的一生当中，他对物理学做出了不朽的贡献。除了相对论，他还在量子理论、布朗运动、光电效应、统计理论、宇宙学和统一理论等领域做出了开创性的贡献。当然人们今天缅怀和纪念爱因斯坦，同时也是因为其高尚的人格和对科学、对真理的执著追求。 爱因斯坦的相对论，常被人分为狭义和广义相对论两个部分。其中狭义相对论的建立，是以1905年他所发表的论文《论运动物体的电动力学》为标志的，同年他还发表了关于布朗运动、质能关系和光电效应的论文，可以说每一篇都是可以获得诺贝尔奖的工作（而关于质能关系也就是E=mc^2的那篇论文,才短短的三页纸！），当然众所周知他也确实因为光电效应而获得了诺贝尔物理学奖。而广义相对论的建立，则是以1915年爱因斯坦将引力纳入到相对性原理当中并提出爱因斯坦场方程为标志的。狭义相对论改变了自牛顿以来的绝对时空观，而认为时间、空间的测量，都与我们的运动状态有关系，其中两个典型的例子，就是运动时钟的延缓和运动尺子的收缩。狭义相对论中，同时性也是相对的。而广义相对论则更进一步，将物质的分布状态与时间、空间的性质联系了起来，从而在物理上定量地体现了时空并不能脱离物质而独立存在的这一哲学思想。无论是狭义相对论还是广义相对论的建立，在物理学的发展史上，都是革命性的。 如果我们简单回顾一下一百年前相对论诞生的前前后后，有许多值得我们深思的地方。首先，爱因斯坦创立这两个理论，都不是一朝一夕的事情。狭义相对论的建立过程，大约是从1898到1905年，经历了7年漫长时间的思考与探索，而且是在洛伦兹和彭加勒等人的一些前期工作上进行的。而爱因斯坦首次发表有关引力（即与广义相对论有关）的讨论，是在1907年，前后经历了大约8年的时间。这样的一个工作，可以说主要是爱因斯坦一人的神来之笔，是一个跳跃性与原创性的工作。乃至今天，即使拥有并公布了大量的爱因斯坦的历史资料与笔记，似乎还没有一个清楚的线索表明爱因斯坦是如何找到这样一个最终保持了广义协变性的理论，我们对其思想过程依然缺少深入的了解。在此之前，他和好友Grossmann 一起研究并探索了多年，但不得不于1912年左右宣布了努力的失败。其次，我们再来看一下1905年在爱因斯坦狭义相对论的论文发表了之后的科学界的一些反映，是一个有趣的事情。爱因斯坦的这篇论文投稿是1905年6月30号收到的，同年9月26日在德文的《物理学杂志》上正式发表，当时只是伯尔尼专利局一个小职员的他，在等待外界的反映与评论的过程中，其实是焦虑并不安的，而且发表论文后的下一期也没人对其进行评论，令他很失望。但还是很快，第一个对爱因斯坦的这个工作非常注意的大家，是普朗克，他的关注与兴趣给了当时的爱因斯坦莫大的鼓励与安慰。而且很快，普朗克于当年秋天就在柏林大学对爱因斯坦的论文举行了讨论，这样的速度，即使是在今天的网络时代看来，也是非常及时而且具有很强时效性的。事实也证明这样的一种研究作风是非常必要而且基本的，因为就在这一时段，他们也在爱因斯坦的工作基础上做出了一些重要的工作。接下来有更令人吃惊的速度，虽然狭义相对论出来后引起的讨论与争议不断，索末菲在1908年就开了一门关于相对论的课！这可能是最早的一门关于相对论的课程。这当然说明了顶尖物理学家的眼光与魄力，也确实是值得乃至今天的我们科研工作者深思并借鉴的事情。直到1909年的萨尔茨堡会议，爱因斯坦作为重要物理学家的地位才得以承认，虽然1910年普朗克就把爱因斯坦的这个相对性原理的革命性与哥白尼的世界体系相提并论了，但爱因斯坦在公众中的显赫地位直到1919年他创立了广义相对论之后，才达到高峰。 科学，永远是朝前发展并不断被完善的。相对论建立了一百年以后的今天，是一个怎样的发展状况与前景呢？ 到今天，众所周知狭义相对论与量子理论一起已经成为了现代物理学的两大基石；而广义相对论，也为我们定量地研究星体、星系乃至宇宙的起源与演化开辟了道路，从而成为天体物理学与现代宇宙学的基础理论。在这样的一个过程中，它们都已经被所有已知的实验所验证，但这样的实验检测依然只是在一定的范围内证明了相对论的正确性，正如同我们在经典力学范围内证明了牛顿力学的有效性一样，对于其它的范围相对论是否依然严格成立呢？这只有实验才能回答。所以现在的试验，正在向能量更高、距离更远、测量更精确的层次上发展，它也将是检验我们理论适用范围的唯一标准。 在要经受更多这样考验的同时，物理学家也面临着一些重要而且基本的理论问题需要回答。下面我从研究的前沿，列举几个我认为最为重要的问题。 首先，爱因斯坦提出的广义相对论理论，是一个经典的理论，而不是一个量子理论，怎样构建一个能够将广义相对论与量子理论协调起来的理论，一直是几十年来困扰理论物理学家的一个主要困难。在此之前，狭义相对论已经很好地与量子理论结合起来，并发展成为一门重要的基础学科--量子场论。 在这样一种理论中看上去连续的物质场如电磁波，在微观的领域里它都是量子化了的，也就是说由具有粒子性的光子所组成。那我们所感受到的引力场，是不是也具有这样的一个微观性质呢？现在的物理学家还没有一个很好的答案，这也正是量子引力需要解答的问题。现在从事这个课题研究的物理学家的普遍信念是，量子引力理论是将广义相对论与量子力学协调起来的主要出路，但找到这样一个理论的途径，不能再遵循我们通常的量子场论方法，而必须对时间空间的本性有更为深刻的理解与认识。所以这样一个理论如果能够最终得以建立的话，它必然是物理学的又一次革命与飞跃。 其次，近年的天文观测极大地推动了宇宙学的发展。而观测结果也对我们现有的理论，提出了巨大的挑战。这其中与广义相对论紧密相关的一个问题，就是宇宙常数问题。近年的天文观测表明，我们的宇宙不仅在膨胀，而且是加速膨胀。这在通常的牛顿理论框架中当然无法理解，因为引力都是使物体彼此间相互吸引的。在爱因斯坦的相对论场方程中，倒是可以通过添加一被称作宇宙常数的项来得以实现。而这项所对应的物质形态，我们也通常统称为暗能量。观测表明，它在现今的宇宙物质组成中，约占了百分之七十的组份。暗能量给我们理论上带来的困惑主要表现在以下两个方面。第一，暗能量的实际观测值与理论期望值相差巨大到一种令物理学家非常尴尬的程度，大约只有理论值十的一百二十次方分之一，这在理论物理研究上也是没有先例的；第二，由于暗能量和通常物质形态的物态方程不一样，理论表明，他们在宇宙中的所占比重恰好只是在今天这样一个很短的时期内处在同一个量级上，在宇宙的其它年龄段，他们所占的比重都根本就不在同一个量级上，其中的一种往往可以忽略，那我们人类为什么偏偏出现在宇宙演化长河中这样一个极为特殊的阶段？这通常被称为宇宙常数的巧合问题。这些都是宇宙学中有待解决的基本问题，也是相对论研究所面临的主要问题。 以上的两个问题，都是涉及到广义相对论的主要问题，那是否可以说狭义相对论就已经是绝对正确，没有任何困难了呢？也不是这样。这几年关于狭义相对论中的洛仑兹对称性在什么一个范围内才适用，或者说在宇宙大尺度上是否存在一个优越的参考系，依然是一个研究热点。这样的一个问题主要来自两个方面，一是极高能宇宙射线阈值异常的问题，另一个是关于宇宙微波背景辐射能否可能作为一种新的“以太”形式回归的问题。第一个问题主要关心的是狭义相对论中的能量-动量关系是否始终成立。因为根据狭义相对论与粒子反应的基本理论，来自遥远星系的宇宙粒子在能量达到一定高度后，就会要与微波背景辐射中的光子发生作用，而产生新粒子并损失能量，从而使得我们所能接受到的粒子有一个能量上限，理论上得出的这一个上限约为十的二十次方电子伏特，但近年我们在地球上却接受到了比这样一个能量更高的粒子，达到了十的二十一次方电子伏特，这对狭义相对论在极高能领域是否适用提出了挑战。第二个问题则与宇宙微波背景的测量有关，狭义相对论要求一切惯性系都是平权的，没有一个最优越的参考系，但是作为整个宇宙背景的微波辐射似乎可以作为这样一种特殊的“以太”，它通过自身大尺度上的各向均匀同性，选择了现实宇宙中一个特殊的时间坐标，从而可以定义出一个优越的参考系。但不管怎样，这样的一个现象完全不意味着原来意义上的“以太”的回归，但它要求我们对狭义相对论做更深入的理解与探讨。 最后。我想简单地介绍一下我们国内在这方面开展研究的状况，并提出自己的一些想法和建议。在相对论的研究方面，我们一直跟国外有着相当大的差距，许多是由于近代历史造成的，但也有许多是由于文化差异造成的。基础科学研究的一个根本目的，是对真理的追求，在这一点上它与文学艺术对美的追求几乎一样，科学家和艺术家有着内心一种相同的热情与渴望，所以从这一点上说，我坚信与其它偏向于应用的技术与工程相比，基础科学与艺术更为相似，联系也更为紧密。所以从这个角度来看，与其说基础科学研究需要更多的规划与目标，不如说它需要更多自由创作的空间与交流的氛围。有了真正能欣赏科学魅力的土壤与文化，那么在这样一种追求与探索的过程中取得出色的成绩，方是一件非常自然而且可能的事情。科学研究是我们的工作，但同时我主张把它看作我们的一种生活，特别是现在的网络时代，交流与互动已成为了基础研究当中最为重要的一个环节，所以我们也一直在寻求这样的一种能形成研究团队的机会与可能。现在我们已开始在南昌大学组建一个引力与相对论中心，目的就是要形成一个有凝聚力与合作热情的研究小组。同时希望能跟所有对科学感兴趣的同行，开展广泛的交流与渗透。基础研究的成果是自己长年累月思考的结果，但同时多数是在交流中通过思想的交流而迸发出灵感的火花。我提议我们在与外界同行展开交流的同时，本地的研究人员同样可以通过多种方式来进行交流与合作，我前面回顾了爱因斯坦发表相对论后学术界的一些反映，比较起来我觉得我们整个的学术生活还是很少。所以我觉得是否能通过各种方式，比如午餐报告、喝茶时间、暑期学校、高等讨论班等，来形成一种较浓郁的能从中体验到科学的魅力并获得快乐的研究氛围与文化。今天借这样一个机会说出我的这点想法。 爱因斯坦在他那篇著名的散文《我的世界观》中引用了叔本华的一句名言，"A man can do what he wants, but not want what he wants, "我将其翻译成为“一个人能尽其所能，但不能穷其所愿。”这句话的确无论是在我生活还是工作上遇到困难时，都给予了内心一种莫大的安慰。今天我也想用这样一句话来作为我今天发言的结束，谢谢大家。 凌意简历 湖南株洲人。现为南昌大学理学院教授，硕士生导师。2001年12月毕业于美国宾夕法尼亚州立大学引力物理与几何中心，博士学位。先后在英国帝国理工学院(Imperial College)、加拿大Perimeter 理论物理研究所、日本KEK研究所和台湾中研院物理研究所等处做中长期访问。2002年10月至2004年9月在中科院理论物理研究所做博士后。2004年10月来南昌大学工作。已在国外权威刊物上发表十多篇学术论文，全部被SCI收录，也已被国内外许多同行多次引用（网上SPIRES查询已逾百次）。回国后先后获得中科院王宽诚博士后奖励基金、中国博士后基金和国家教委的留学人员回国启动基金。现承担参与了两项国家自然科学基金的研究工作，其中一项作为项目负责人，主要从事量子引力现象学与极早期宇宙的研究。现同时兼任中国引力与相对论天体物理理事会理事、南昌大学理学院引力与相对论天体物理中心主任等职务，为《中国物理快报》特约评审。 研究方向 研究专业是理论物理，研究的主要方向是量子引力、黑洞物理、宇宙学和理论高能物理。其中一个主要的研究课题，是寻求一个能将现今看似不同的研究途径结合起来的量子引力理论，这主要涉及圈量子引力、超弦和超引力、黑洞热力学和拓扑场论等诸多方面。量子引力是一门研究怎样成功地将引力场量子化的理论。由于现在描述经典引力场的理论中，最令人满意的依然是爱因斯坦八十多年前所创立的广义相对论。那么这样的一个课题核心，便是怎样将广义相对论与量子力学协调起来。建立量子引力理论，并在此基础上建立一个能够描述自然界所有相互作用的统一理论，可以说一直是爱因斯坦后半生想要实现的梦想，乃至现在它依然是理论物理学家所追求的一个主要目标。 ※※※※※※ 否定狭义相对论的天文发现http://bbs1.xilu.com/cgi-bin/bbs/view?forum=newphysics&message=8953 《论证绝对静止参照系存在的必要性》http://bbs2.xilu.com/cgi-bin/bbs/view?forum=hongbin&message=76918 |