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书评丨相对性开启思维创新空间

来源:21世纪经济报道 作者:郑磊 2021-04-17 05:00:00
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量子空间是人类凭肉眼和经验无法了解的另一个世界,是另一种时空,可能比宇宙弯曲时空的结构更复杂。

(原标题:书评丨相对性开启思维创新空间)

文/郑磊

在人类研究自然界物理规律的过程中,认知和理解也是一步步发展和深入的。很多人学习过的物理学知识,其实只是人类肉眼可见物体的物理规律,可以称作牛顿物理学。而在我们不借助精密测量仪器无法看到的极微小的粒子尺度和极宏大的宇宙尺度上,还有另外两大物理学理论体系,分别称作量子物理学和宇宙物理学。这些都是建立在牛顿力学基础上的现代物理理论,有两本书对三大物理学体系的关系做了深入探讨,一本是爱因斯坦和英费尔德的《物理学的进化》,另一本是《量子空间》。前一本书介绍了从机械观到相对论思想的转变过程,后一本则进一步讨论了同属于相对论世界的量子理论和引力理论如何统一。物理学家一直有一个梦想,就是构建物理学“巴别塔”,从最微小的粒子尺寸到人眼可见尺度,再到广阔无际的宇宙的所有物理现象,都能用这个统一的理论解释出来。然而,创造性地提出了狭义相对论和广义相对论的伟大物理学家爱因斯坦终其一生,也未能如愿。一代代物理学家仍在为这个梦想努力奋斗。

量子空间

人们有很多思维定式和惯性,比如爱因斯坦是伟大的物理学家,大家就自然认为他也是杰出的数学家,其实并不是。爱因斯坦的数学并不足够好,在用数学模型构建他的相对论理论时,遇到了很大困难。他的数学老师闵可夫斯基为他提供了数学工具,同时,他也借鉴了黎曼几何的思想。

我们在科技发展史上看到很多类似“学渣长大突然变学霸”的案例,很多诺贝尔获奖者就是如此。按照传统教育标准衡量,他们至少是不够出色甚至“相当差劲”,却创造了通常意义上的“学霸”无法比拟的科学成就。也许其中一个重要原因是真正的兴趣和执着,敢于突破巢穴(也许对这类人才来说,本来就没有这种思维限制)的创新,再加上持之以恒的努力和机遇。

从可见世界的物理规律到微观和宏观不可见世界,创造力其实是建立在想象力基础之上的,采用思想实验的方法。对于肉眼可见的物体,实验室往往能解决问题,通过可见的测量,人们能很快验证一个判断。此时,物体的大小和速度都非常有限。而当要研究的物体尺寸大到星球,小到电子,且速度接近光速时,一切都得依赖对时间和空间的想象力和逻辑推理方法。时空的转换在于有速度这个转换因子存在。我们一般能理解远低于光速的速度,并根据经验,习惯把靠近地面的空间想象成平直的,所以,人类实际置身于一个平直时空,这限制了人们的认知能力,以为一切现象必须符合平直时空的规则。

现代物理学的终极研究对象并不是具体的物质,而是时空结构。时空都是相对的,取决于观测者和被观测物的尺度和运动状态。一般人很难获得足够的理解,因为我们无法看见或看清太大(太小)的东西,也无法形象化描述很多运动状态。我们唯一了解的只是人眼可见的事物和所在的时空结构。人们相信眼见为实,并视之为真相或真理的,只不过是很少的一部分真实。

解放思想的重要性在于让想象力突破眼前和经验的限制。当我们想象物体以光速运动时,就会得出爱因斯坦狭义相对论的结论“时间放缓,空间收缩,质量变小,能量变大”;当我们想象自己远离地球表面,靠近恒星位置时,广义相对论的结论就显而易见了:时空是弯曲的,引力不是牛顿定义的力,引力本身就是一个时空。万有引力公式只是一个近似表达式,在地球表面(人类生活的平直时空)应用时,具备可以接受的精确度。

量子空间是人类凭肉眼和经验无法了解的另一个世界,是另一种时空,可能比宇宙弯曲时空的结构更复杂。能否找到一种统一的理论,同时容纳量子尺度的时空和宇宙弯曲时空,从数学角度讲,在于这两种时空结构能够通过一系列变换进行相互转换。物理学家在构建量子引力理论,但是量子尺度上的引力与宇宙星体之间的引力是否具有同样的性质呢?在不同时空结构里,未必是肯定的答案。好在这种理论创新的探索并非天马行空,物理学之所以被称作科学,就在于其思想成果是可以验证的,比如爱因斯坦通过思想实验提出的质量能量转化和星光弯曲现象,不仅被粒子物理和天文学实验者观察到了,而且在预测的量级上能够精确吻合。人们可能找不到一个囊括宇宙万物的方程式,但是通过发挥创造力,最终能够揭开宇宙的奥秘。

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