一個沒有愛因斯坦的平行宇宙：相對論還會被發現嗎？

如果你隨便問一個普通人 在整個人類歷史中 說出一位科學家的名字 你最有可能聽到的答案之一 幾乎一定是 阿爾伯特·愛因斯坦 這位標誌性的物理學家 在20世紀 帶來了數量驚人的科學突破 甚至可以說 他幾乎憑一己之力 推翻了統治科學思想 長達200多年的 牛頓物理學體系 他最著名的公式 哪怕很多人 並不真正理解他的含義 我能脫口而出 他因爲對量子物理的貢獻 獲得了諾貝爾獎 而他最成功 也最深遠的思想 廣義相對論 也就是我們今天 對引力的理論描述 自從一百多年前提出至今 在所有實驗和觀測檢驗中 從未被擊敗 但問題來了 如果愛因斯坦從未存在過 會發生什麼 是否還會有其他人 最終做出完全相同的發現 這些突破是會很快出現 還是會因爲缺少關鍵人物 而被延遲幾十年 甚至到今天都還沒有發生 是否真的需要 一個同等天才級別的人 才能完成這些偉大的成就 又或者 我們其實嚴重高估了 愛因斯坦的獨特性 只是因爲 他恰好在正確的時間 正確的地點 擁有了正確的 知識結構和能力 才爲我們在歷史中不斷神話 這是一個極其迷人 也值得深入探討的問題 讓我們從這裏開始 愛因斯坦在1905年 迎來了他著名的奇蹟之年 在這一年裏 他發表的一系列論文 幾乎徹底改變了 多個物理學分支的走向 但在那之前 其實已經有大量新的發現 開始動搖人們 對宇宙的長期認知 在長達200多年的時間裏 埃塞克、牛頓 在力學領域 幾乎無人能敵 無論是地面上的運動 還是天體的運行 它的萬有引力定律 既適用於太陽系中的行星 也同樣適用於 山坡上滾落的球 或者從大炮中射出的炮彈 在一個典型的 牛頓式物理學家眼中 宇宙是完全確定性的 如果你知道宇宙中 每一個物體的位置 動量和質量 你就可以計算出 它們在任何時刻的狀態 精確到願意程度 同時空間和時間 被認爲是絕對的 引力的作用是順時的 傳播速度是無限快的 整個19世紀 電磁學也迅速發展 人們逐漸揭示了 電荷、電流、電場、磁場 甚至光本身之間 精妙而統一的關係 在牛頓、麥克斯韋等人的 巨大成功之後 物理學在當時 甚至給人一種錯覺 也許這門學科 已經快要被研究完了 直到事實證明並非如此 一系列令人不安的謎題 開始從不同方向浮現 放射性的發現已經出現 人們意識到 在某些原子衰變過程中 質量真的會消失 更奇怪的是 衰變產物的動量 似乎並不等於母粒子的動量 這暗示着 要麼某些物理量並未守恆 要麼存在着 尚未被發現的東西 與此同時 人們也確認 原子並不是最基本的結構 而是由帶正電的原子核 和離散分佈的負電子組成 但在所有這些挑戰中 有兩個問題 對牛頓體系的衝擊 似乎遠遠超過其他所有現象 第一個就是水星軌道的異常 其他行星的運動 都在觀測精度允許的範圍內 完美符合牛頓理論 但水星卻不是 即便考慮了碎差 以及其他行星的引力擾動 水星的軌道仍然存在一個極小 卻真實存在的偏差 這個每世紀43角秒的額外勁動 曾讓許多科學家猜測 也許在水星內側 存在一顆尚未發現的行星 祝融星 但無論如何尋找 它都始終不存在 第二個問題可能更加令人困惑 當物體的速度接近光速時 它們不再遵循牛頓的運動定律 如果你坐在一列 以每小時100英里行駛的火車上 把一個棒球向前扔出去 速度也是每小時100英里 那麼在地面觀察者看來 球的速度就是200英里每小時 這完全符合直覺 也符合日常實驗 但如果你在同一列火車上 向前向後或者任意方向 發出一束光 光速卻始終不變 不論火車如何運動 也不論觀察者本身的速度如何 更奇怪的是 如果火車本身以60%光速前進 而你再把球以60%光速向前拋出 結果並不會得到120%光速 實際速度只有大約88%光速 我們能夠用數學描述這種現象 卻無法真正解釋它爲什麼會這樣 而正是在這個關鍵時刻 愛因斯坦登上了歷史舞臺 儘管愛因斯坦一生的成就 幾乎不可能被壓縮進 哪怕一整篇文章裏 但如果要挑出其中最具決定性 影響最深人的發現 大致可以歸結爲下面這幾項 首先是幾乎無人不知的公式 E等於mc平方 當原子發生衰變時 我們發現它們會失去一部分質量 問題是如果質量守恆 那這些消失的質量到底去了哪裏 愛因斯坦給出了答案 它並沒有消失 而是轉化成了能量 而且不僅如此 他還精確地告訴了我們 轉化成的能量正好等於 E等於mc平方所描述的數量 這條關係是雙向的 後來人類也成功地根據這條公式 從純能量中創造出質量 以物質反物質對的形式出現 在他被提出之後的所有實驗與極端條件下 E等於mc平方從未失敗過 接下來是狹義相對論 當物體的速度逐漸接近光速時 它們的行爲會變得極其反直覺 但所有這些現象都可以被狹義相對論完整描述 愛因斯坦指出 宇宙中存在一個終極速度上限 真空中的光速 所有在真空中傳播且沒有質量的東西 都會以這個速度前進 而任何擁有質量的物體 永遠無法真正達到光速 只能無限接近它 狹義相對論精確規定了 高速運動的物體該如何加速 速度該如何相加與相減 以及在接近光速時 時間如何變慢 長度如何收縮 然後是爲它贏得諾貝爾獎的發現 光電效應 當你把太陽光照射到一塊導電金屬上時 金屬中束縛最弱的電子 可能會被直接打出來 如果你提高光的強度 被打出的電子會更多 降低強度 電子數量就會減少 但真正奇怪的地方在這裏 愛因斯坦發現 這個過程並不取決於光的總強度 而是取決於光是否超過某個能量閾值 只有紫外光才能引發電子溢出 無論可見光還是紅外光 即便強度再大也無法做到這一點 愛因斯坦由此指出 光的能量不是連續的 而是被量子化的 光是由一個個光子組成的 能夠激出電子的 只有那些能量足夠高的電離光子 電子被打出多少 完全取決於這些光子的數量 與其他因素無關 而所有這些成就中 規模最大 難度最高 也最具革命性的 毫無疑問是廣義相對論 這是一套全新的引力理論 徹底改變了我們對宇宙的理解 在這套理論中 空間和時間不再是絕對的背景 而是共同構成了一張時空之布 所有物體 包括一切形式的物質和能量 都會在這張時空中運動 而物質和能量的存在 又會反過來彎曲並塑造時空本身 正是這種彎曲的時空 告訴物質和能量該如何運動 當理論接受檢驗時 結果令人震撼 廣義相對論 不僅成功解釋了 牛頓無法解釋的水星軌道異常 還準確預言了 恆星光線在日食期間 會被太陽引力偏折 自從提出至今 廣義相對論 從未在任何實驗或觀測中被推翻 除此之外 愛因斯坦本人還直接推動 或奠定了大量其他重要成果 他解釋了布朗運動 共同提出了波瑟子 所遵循的統計規律 通過著名的EPR洋謬 深刻影響了量子力學的基礎討論 甚至可以說 他通過愛因斯坦、博森橋 最早引入了今天 我們所說的蟲洞概念 綜合來看 愛因斯坦一生的科學貢獻 幾乎可以用一個詞來形容 那麼問題來了 如果沒有愛因斯坦 物理學真的還能發展到今天這個程度嗎 儘管愛因斯坦的職業生涯 堪稱空前絕後 但實際上 有非常多的理由讓我們相信 即便沒有他 幾乎所有由他完成的關鍵突破 也會在不久之後 由其他人完成 當然 我們不可能真正知道 歷史會如何展開 但儘管我們不斷歌頌愛因斯坦的天才 把他視爲一個憑一己之力 改變人類宇宙觀的孤立 而他確實做到了這一點 從結果來看 幾乎所有因愛因斯坦而發生的事情 即便沒有他 也極有可能仍然會發生 在愛因斯坦之前 早在19世紀80年代 發現電子的物理學家J.J.湯姆森 就已經開始思考一個問題 一個正在運動帶電的粒子 它周圍的電場和磁場 是否也攜帶能量 他嘗試對這種能量進行定量計算 雖然過程極其複雜 但在一系列簡化假設下 奧利弗·黑維塞德給出了一個結果 他發現 一個帶電粒子所攜帶的有效質量 與其電場能量e除以光速c的平方成正比 黑維塞德在1889年的計算中 比例係數是三分之四 而非真正的e 後來 弗裏茨.帕澤諾爾在1904和1905年的工作中 也得到了類似但並不完全正確的結果 與此同時 龐加萊早在1900年 就已經獨立寫出了 e等於mc平方這個關係式 只是他並沒有真正理解 它所蘊含的物理含義 也就是說 在愛因斯坦登場之前 物理學界其實已經無限接近 他最著名的公式了 如果愛因斯坦沒有出現 很難想象 人類不會在很短的時間內 走完這最後一步 狹義相對論也是同樣的情況 邁克爾遜·莫雷實驗 已經明確表明 光速在任何參考系中都保持不變 從而徹底否定了 當時最流行的以太模型 洛倫茲已經推導出了 描述速度如何相加 時間如何膨脹的變換公式 他和這次傑拉德也獨立發現了 物體會在運動方向上 發生長度收縮 從某種意義上說 狹義相對論所需的所有零件 都已經齊備了 真正缺少的 只是一個 把這些結果統一起來的整體視角 而這一步恰恰是愛因斯坦完成的 但同樣也很難想象 像洛倫茲 龐加萊這樣 長期在電子學與光速問題前沿工作的科學家 不會在不久之後得出類似的結論 即便沒有愛因斯坦 我們其實已經非常接近狹義相對論了 至於光電效應 普朗克關於光量子化的工作 早已爲他鋪平了道路 無論有沒有愛因斯坦 這一發現幾乎註定會出現 在粒子統計方面 費米和狄拉克 推導出了費米子的統計規律 而薩特延德拉 獻色 則完成了波瑟子的統計理論 愛因斯坦只是收到了他的來信 並將其推廣 甚至可以說量子力學本身 即便沒有愛因斯坦 也依然會順利發展 真正的分水嶺 在掌握狹義相對論之後 愛因斯坦開始嘗試將引力納入其中 關鍵在於他的等效原理 也就是引力造成的加速度 與任何其他形式的加速度 對觀察者來說 是完全不可區分的 愛因斯坦後來稱 這是他一生中最幸福的想法 甚至讓他三天三夜無法入睡 但即便如此 其他人也已經在朝着相同方向思考 龐加萊將狹義相對論 應用到水星軌道問題上 成功解釋了 大約20%的額外勁動 愛因斯坦曾經的老師 閩可夫斯基提出了時空的概念 將空間與時間 編製成一個不可分割的整體 紐康和阿薩夫 霍爾修改了牛頓引力定律 試圖解釋水星勁動 暗示着需要一套全新的引力理論 而最令人震撼的是 數學家大衛·希爾伯特 也在研究非歐極力得極和 並幾乎與愛因斯坦同時 寫下了描述引力的作用量原理 他最終導向了我們今天所熟知的 愛因斯坦敞方程 儘管希爾伯特對物理含義的理解 並不完全正確 但這個理論框架 至今仍被稱爲愛因斯坦·希爾伯特作用量 在愛因斯坦所有成就中 廣義相對論確實是他領先同行最遠的一項 但即便如此 考慮到其他人已經如此接近相同的思路 這仍然讓我們相信 即使愛因斯坦從未存在 廣義相對論最終也會進入人類知識體系 或許會晚一些 甚至晚上幾十年 但幾乎不可避免 我們通常喜歡用一種浪漫化的敘事 來理解科學史 某個孤獨的天才 憑藉一次靈光一現 看到了所有人都忽略的關鍵一步 如果沒有這個人 人類將永遠失去那項偉大的知識 但當我們仔細回看歷史 會發現事實往往並非如此 在許多重大突破出現之前 早已有許多人在同一條道路上並肩前行 很多時候差別只在於 誰先跨過了終點線 斯坦·羅賓斯基在古斯提出暴脹理論之前 就已經拼出了許多關鍵拼圖 厄美特和羅伯遜在哈勃之前 就構建了膨脹宇宙的理論框架 而朝永振一郎 在費曼和施溫格之前 就已經完成了量子電動力學的核心計算 愛因斯坦 確實在多個非凡的科學前沿中 率先抵達終點 但如果他沒有出現 身後也早已有無數人緊隨其後 也許他確實擁有 我們所賦予他的全部耀眼天賦 但有一件事幾乎可以確定 天才並不像我們想象的那樣稀有和不可替代 只要有足夠的訓練 長期的積累 再加上一點點運氣 幾乎任何一位合格的科學家 都可能在恰當的時間 踩中那個恰當的思想突破點 從而掀起一場真正的科學革命