“无用之用”相对论
广义相对论是人类有史以来最伟大的科学发现,不错。那么,这个最伟大的理论到底有什么用呢?啥用都没有。它既不能让我们变得年轻漂亮,也不能让我们大吃大喝同时减肥,更不能帮助我们找到又轻松、挣得又多的工作。
世界上真正伟大的东西,通常都没有实际的用处。
广义相对论最大的用处,不过就是告诉了我们宇宙到底是啥样。够不够有用?
看官须知,直到1917年,整个人类最聪明的大脑,包括伟大的牛顿,都认为我们的银河系就是整个宇宙,而且认为这个宇宙永远固定不变。
从有人类以来,我们最大的问题就是:为什么有我们?为什么有这个世界?为什么月球不离开地球,地球也不离开太阳?基督教说,上帝规定月球与地球必须待在一起。牛顿说,是因为万有引力。爱因斯坦说,那是因为空间弯曲。
牛顿说引力是联系宇宙万物的纽带,引力将太阳和地球吊在空间中,并且自转和公转。爱因斯坦说,其实宇宙根本没什么万有引力,那是我们肉眼看不见的空间弯曲造成的假象。
牛顿认为宇宙空间是平直的。爱因斯坦认为宇宙就像一张绷在方框上的床单,质量巨大的星系就像放在床单上的铅球。铅球在床单上压出的坑,竖起来看就相当于哈哈镜,而光线通过这些哈哈镜时会使我们产生宇宙广阔无边的幻觉。
爱因斯坦预言,如果我们站的位置合适,可以看见一个遥远星体的数个幻象。这就是天文学上著名的“引力透镜”,后来被天文学证实,我们才知道空间居然真的是弯曲的!我们这时才发现,牛顿不过看见了自己的鼻尖,而爱因斯坦看见了万里之外的大海——如此开阔而精彩的大海!
空间可以弯曲,我们很难理解,因为我们生活在慢速运动的地球上,感受不到空间是弯曲的。牛顿的万有引力之所以容易理解,就是因为它建立在人类的日常生活经验之上。牛顿不仅认为太阳系是平的,他认为宇宙也是平的,所以他带领我们发现了三维世界,即万物都有长、宽、高。牛顿提出的万有引力是物理学的伟大革命,问题是,一直到这场革命结束他都无法说明引力来自何处。
史上最大科学暴动的发起人牛顿用万有引力否定了上帝,但这个伟大的暴动者最后却不得不回到上帝温暖的身边:牛顿宣布引力源于上帝。西方文明老祖亚里士多德认为世界转动来自“第一推动者”,基督教神学狂批亚里士多德,几百年后意大利出了位神父阿奎那,他宣布亚里士多德所说的“第一推动者”就是上帝(其实亚里士多德本人从未说过这句话),欧洲历史上最为黑暗的政教合一中世纪随这句话降落人世。顺便说一句,这个阿奎那是中世纪天主教最伟大的神学家之一,其著作据说达1500万字。
爱因斯坦根本否认宇宙空间是平的,他认为宇宙就像一张放了无数棉花球和铅球的床单,床单被这些球压出深浅不一的坑。牛顿之所以认为宇宙是平的,是因为他只看到了几乎压不出坑的棉花球——地球。想在宇宙空间中压出明显的坑来,需要巨大的质量(即重量)。太阳这么大的星球也只能压出几个原子大小的坑(即坑深只相当于几个原子的直径),这样的坑,我们用现在最先进的仪器也测不出来。所以,要找到地球人看得见的坑,必须放眼整个宇宙。
相对论的第二个用处是发现黑洞。广义相对论问世后,德国物理学家史瓦西证明,如果把太阳压缩成半径3千米的球体,引力的强烈挤压会使太阳密度无限增大,随后产生灾难性崩塌,使太阳的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃出来!由于无法反射光,崩塌后的太阳与宇宙就分割成两个截然不同的区域,而那个分割的球面就是“黑洞视界”,即我们眼睛能看到的尽头,超过这个尽头,我们就看不见了。也就是说,如果太阳变成黑洞,我们站在地球上就看不到太阳,却能看见太阳前后的其他星球。这就是黑洞!
以他命名的“史瓦西度规”说,当我们接近黑洞达到一定半径之后,时空弯曲会变得无穷大,这时我们不再像是下缓坡,而是突然从悬崖边上掉下去了——走得太远了,已经无法找到回家的路。此即“史瓦西半径”,即黑洞的半径。任何东西包括光线进入史瓦西半径后将无法逃走,最后一定会被黑洞撕碎吞掉。黑洞质量巨大,最大黑洞的质量据说是太阳质量的10亿倍。看官须知,太阳相当于130万个地球!130万乘以10亿,相当于多少,大家可以自己算下。如果黑洞是地球,地球则大概相当于一粒芝麻。
有意思的是,当时所有科学家,包括爱因斯坦本人和证实相对论的爱丁顿,全体断然否认了黑洞的存在。爱因斯坦还宣布他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大。“黑洞”这个名称也是在这50年之后才由美国物理学家惠勒命名的。
严格说来,黑洞并非星球,它只是宇宙中的一块儿地方,这地方跟宇宙互不通连,黑洞视界将它们彻底分隔。黑洞视界以外,光可以任意相互联系,就是说我们可以看见所有的东西,这就是我们的宇宙。黑洞视界以内,光线不能自由传播,而是向中心集聚。
在黑洞内部,物体向黑洞坠落的过程中,潮汐力越来越大,在中心区域,其引力和起潮力都是无限大。因此,在黑洞中心,除了质量、电荷和角动量以外,原子、分子等都将分崩离析,根本不存在我们人类已知的任何“物体”。在黑洞中心,全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点,任何强大的力量都不可能把它们分开。
这就是“奇点”!广义相对论无法说明“奇点”,量子论才能说明,于是令人啼笑皆非的情况出现了:广义相对论发现了黑洞,却在“奇点”上失效,被迫让位给量子论,可广义相对论的发现者爱因斯坦与量子论的发现者玻尔,却水火不相容!
广义相对论的第三个用处是发现宇宙常数。
在爱因斯坦看来,宇宙不是在膨胀就是在收缩。那宇宙如何在膨胀与收缩之间保持平衡呢?创立广义相对论的第二年,爱因斯坦发表了论文《广义相对论的宇宙学应用》,否定了传统物理定论“宇宙无限”。他把宇宙看作是一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区,推论出宇宙在空间上“有限无边”。这是天文学史上最大胆的推测。从此,人类对宇宙的研究摆脱了“闭着眼睛瞎猜”的局限,真正睁开眼进入了现代科学领域。爱因斯坦认为,宇宙在膨胀与收缩之间保持平衡的原因是“宇宙常数”——一个与引力相反,但强度完全一样的斥力,它随着天体之间距离的增大而增强,完全抵消引力,从而让宇宙保持稳定,避免宇宙崩溃。
这是什么意思?意思就是,爱因斯坦认为宇宙是静态的。
可俄裔美籍物理学家亚历山大·弗里德曼在1922年通过数学计算发现宇宙随着时间在不断膨胀。1927年,比利时天文学家、顶级桥牌大师乔治·勒梅特得出同样的计算结果。爱因斯坦拒绝接受动态宇宙的推测,他坚信宇宙是静态的,除了时间变化,其他一切都不变。因此他尖锐地批评弗里德曼和勒梅特。这时,现代天文学之父哈勃闪亮登场。1929年,哈勃观察宇宙深处星云的红移现象后证实,所有星系都在高速离银河系而去,而且,无论我们站在宇宙哪个星系中,看到的情形也都一样:别的星系也在高速逃离我们所在的星系。距离越远的星系,逃离的速度越大。这又是什么意思?意思就是,整个宇宙在不断膨胀,即宇宙是动态的。
哈勃得意扬扬地把观测结果拿给爱因斯坦看,爱因斯坦当场哑口无言,不得不宣布放弃宇宙常数并公开收回对弗里德曼的批评。
按照哈勃定律,如果将宇宙的膨胀反推,就意味着在非常非常遥远的过去,最早的宇宙是半径为零的一个点。1948年,美国物理学家乔治·伽莫夫根据哈勃定律提出“宇宙大爆炸理论”,认为原始宇宙诞生于一次壮观的大爆炸,立刻变成意见领袖。50年后,天文学家发现宇宙不只在膨胀,而且这种膨胀还是加速度的,即所有星系逃离银河系的速度都越来越快。意思就是,一定有某种神秘的力量在暗中以加速膨胀的方式“撕扯”着宇宙的所有星系。科学家将这种力量称之为“暗能量”。近年来,科学家通过观测和计算证实暗能量不仅存在,而且还是宇宙的主流,约占宇宙总量的73%,其中“暗物质”约占23%,而我们人眼能看见的宇宙物质如地球、月亮、星星等,仅占4%!
咱们从小就听说过:天上星,数不清。爱因斯坦告诉我们,数不清的满天星只是宇宙中的“一小撮”,对于宇宙的绝大部分我们知之甚少,或者干脆毫无所知。
够不够惊心动魄?够不够有用?
人类认识的道路永远如此:我们对最重要的东西总是视而不见。我们知道得越多,就越发现自己实际上非常无知。记得苏格拉底那句话吧:我最大的知识即“我知我无知”。
暗能量给宇宙常数平了反,证明起码从思路上它是正确的。宇宙常数以暗能量的面目满血复活,它产生的汹涌澎湃的斥力令整个宇宙为之色变。暗能量和引力之间的战争自宇宙诞生起就从未停止。
科学实验证明,现在暗能量的密度已大于物质的密度,即引力已经战败,宇宙正在以前所未有的速度加速膨胀。科学家预测,再过200亿年宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有行星、恒星、星系一一撕碎,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷和黑暗。记不记得《菜根谭》下篇第十二节那句话:“山河大地已属微尘,而况尘中之尘;血肉之躯且归泡影,而况影外之影。非上上智,无了了心。”
广义相对论还有一个用处就是发现了引力波。爱因斯坦的这篇文章在1916年发表于《普鲁士科学院学报》。引力波理论进一步完善了广义相对论。
广义相对论说,质量巨大的星系在宇宙中压出深坑的同时还会形成“引力波”。任何被外力弯曲的物体在连续时间里都会形成“波”,比如风吹西湖会产生水波。这种星系弯曲过程中形成的“波”,就是引力波。引力波在宇宙中处处存在。
声波和光波无法穿越墙壁,更不用说地球了,而任何物体对引力波而言都是透明的。引力波形成后就携带能量和波源物体的密码在宇宙中游荡,永不消逝。
声波和光波为人类打开了地球的奥秘之门,而引力波为人类打开了一扇了解宇宙的全新窗口。凡是有质量的物体进入加速运动后都会发射引力波。不过,对人类来说,引力波实在太弱了,太阳这么大的星球发出的引力波,我们用现有的仪器也无法测量。要测量引力波,只能把目光投向宇宙中那些质量巨大的恒星。天狼双星产生的引力波功率可达1.1×1015瓦,其能量足以推动太阳那么大的恒星。不过,它们的引力波穿越辽阔的宇宙到达地球时仅剩下1.3×10-24瓦,微弱得只能震动一个原子,根本测不出来。
我们只能想别的办法。
1974年,美国射电天文学家罗素·胡尔斯及约瑟夫·泰勒在宇宙深处发现了射电脉冲星PSR1913+16,它以每秒200圈的自转速度,同时以不到8小时一圈的公转速度绕其伴星旋转,在这场高速的“二人转”舞蹈中,其能量在它们自己激起的时空巨浪中逐渐损耗,结果两者越来越近,转速越来越快,预计在距离剩下500千米时它们就会以亚光速扑向对方,直到碰撞融合,成为黑洞。这个碰撞的惨烈程度是我们无法用人类语言描写的,它相当于宇宙中发生的一场巨型时空海啸。我们津津乐道的“火星撞地球”在它面前连个土鞭炮都不如。根据计算,这场宇宙大冲撞将于3亿年后发生。可它们离地球如此遥远,如果冲撞今天发生,以我们今天的科技,我们甚至听不到它们合二为一时发出的欢叫。
胡尔斯与泰勒的观测证实了引力波存在。
如果我们对引力波的了解达到声波和音波的水平,我们就可以看见地球内部到底有什么,黑洞到底是什么,甚至有可能看见137亿年前宇宙是不是真的发生过大爆炸。
我们都是通过电磁波和声波来寻找外星生命,其实它们连墙壁都无法穿透,它们在宇宙中到底能走多远很值得怀疑。也许外星人早就用引力波跟我们联系过了,只是我们的耳力太不好,从来没听到过而已。
我们仰望夜空,总觉得宇宙无限美丽寂静,其实那是因为宇宙没有空气,声波无法传送,所以宇宙无声。如果我们有引力波喇叭,宇宙将变得万声鼎沸,引力波能让我们听到宇宙所有的故事:耀眼的超新星爆炸的声音像爆米花一样;中子星碰撞和黑洞产生像一场《欢乐颂》大合唱;甚至能听见宇宙炸开、光子还没跑出来之前那阵空前绝后的巨响。光波让我们看见远处的东西,而引力波则能让我们听见过去和现在。
用引力波发射信号,我们将不再需要电视塔和通信卫星,手机将没有盲区而且永不掉线。引力波带给我们的是真正无与伦比的时空穿越。按照这个理论,创造宇宙的不是上帝,而是引力波。宇宙大爆炸后产生了一锅能量与物质完全均匀分布的高温“夸克汤”,根本没有太阳、地球这些东西,正是与大爆炸同时产生的引力波搅动夸克汤,让物质开始碰撞、旋转、冷却、凝聚,依次聚成原子、尘埃、恒星和星系,这才有了地球。然后又过了多少万年,才有了我们人类。之后再经过多少万年,我们人类又将毁灭!
从光速不变的萌芽,到弯曲空间的宇宙,最终到达波动时空这一宇宙本真,爱因斯坦思想的光辉历程不但为人类构建了炫目耀眼的相对论,也为人类发掘出引力波的宏伟宝藏。我们现在还无法描绘引力波所有的神奇用途,但它带给我们的想象与期待实在是无与伦比。为人类展现引力波神话的爱因斯坦,无疑是最伟大的科学家,是为人类盗取天火的现实版的普罗米修斯。引力场预言彻底改变了时空几何学的游戏规则,它证实了时间和空间是不可分割的四维整体,把牛顿力学远远地抛在了身后。
是的,我们的宇宙科学至今仍然不能超越爱因斯坦,也许永远都无法超越。因为,宇宙很可能就是他说的这个样子。
广义相对论甚至赢得了科学的“死敌”基督教的认可。在爱因斯坦之前,基督教基本上是反科学的,可尽管罗马教廷烧死布鲁诺、查禁哥白尼、监禁伽利略,但科学仍然不可阻挡地深入人心,牛顿力学更是一记打在胃部的重拳,疼得基督教直不起腰来,基督教从此只是“部分欧洲人的信仰”,神学家已经不敢跟科学家论战了。
基督教虽然号称要拯救全人类,但处理具体事务时跟普通政党并无二致,也得遵循政治游戏规则,比如“敌人的敌人就是我们的朋友”。牛顿学说被相对论打倒,广义相对论宣布宇宙可能有限,基督教心情大舒服:宇宙有限,那宇宙之外不就是天堂吗?所以,在爱因斯坦访问英国的宴会上,坐在他旁边的坎特伯雷大主教就恭恭敬敬地向爱因斯坦请教:“教授,听说您的理论似乎提供了基督教的某种证据?”正遭德国科学界万众围攻、急需同盟军的爱因斯坦却微笑着拒绝了基督教热情洋溢的大手:“对不起,相对论纯粹是科学问题,与基督教毫不相干。”爱因斯坦拒绝与敌人的敌人联手。他知道,那样他会得到一个强大的盟友,却会就此输掉自己。丘吉尔说,为打败希特勒他可以跟魔鬼结盟。因此,丘吉尔虽然也很伟大,但跟爱因斯坦确实没法儿比,真不是一个级别的。
1917年10月1日,在即将战败的德国,威廉大帝物理学院终于建成,爱因斯坦如约出任首任院长。这是他第二次当院长,薪水还挺高。1918年11月9日,隆冬降临,德意志帝国投降,魏玛共和国成立,第一次世界大战结束。德意志民族举国悲痛战败,而爱因斯坦等一小撮科学家高举双手欢迎。德国战败,证明爱因斯坦当初签署《告欧洲人民书》是正确的。
爱因斯坦会因此获得德国科学界的万众欢呼吗?