延展的現在

牛頓與麥克斯韋的理論看起來以一種微妙的方式相互矛盾。麥克斯韋方程組給定了一個速度：光速。但牛頓力學與存在恒定速度不相容，因為牛頓方程里包含的是加速度，而非速度。在牛頓物理學中，速度只能是一個物體相對于另一物體而言的。伽利略強調說，地球相對于太陽是在運動的，即便我們感知不到這個運動，因為我們通常所說的“速度”是物體“相對于地球”的速度。我們說速度是個相對性的概念，意思是說，談論一個物體本身的速度是沒有意義的，唯一存在的速度是一個物體相對于另一物體的速度。這就是19世紀和今天的學生學到的物理學。但若果真如此，麥克斯韋方程組里給定的光速是相對于哪個物體而言的呢？

一種可能是，存在一種統(tǒng)一的實體，光速是光相對于這種實體的速度。但麥克斯韋的理論預言似乎與這種實體沒有任何關系。20世紀末，試圖測量地球相對于這種假想實體的速度的實驗都宣告失敗。

愛因斯坦曾說，任何實驗都沒有真正對他有所幫助，只有通過思考麥克斯韋方程組與牛頓力學之間的顯著矛盾，他才找到了正確的方向。他問自己，能否找到一種方式，讓牛頓和伽利略的核心發(fā)現與麥克斯韋的理論相一致。

愛因斯坦由此達到了一個驚人的發(fā)現。為了理解他的發(fā)現，請將所有過去、現在與未來的事件（相對于你正在閱讀的這一時刻），想象為如圖3.1那樣排列。

愛因斯坦的發(fā)現是說，這個圖表是錯誤的。實際上，事實應該按照圖3.2那樣的方式來描繪。

在一個事件的過去與未來之間（例如，你正在閱讀的此時此刻與你的過去與未來之間），存在一個“中間區(qū)域”，一個“延展的現在”，一個既非過去亦非未來的區(qū)域。這就是狹義相對論的發(fā)現。

圖3.1　愛因斯坦之前的空間和時間

圖3.2“時空”的結構。對每個觀察者而言，“延展的現在”都是過去與未來的中間區(qū)域。

這個既不在過去也不在未來的中間區(qū)域[12]時間非常短，取決于相對你而言事件發(fā)生的位置，就像圖3.2中畫的那樣。事件離你的距離越遠，延展的現在持續(xù)的時間就越長。親愛的讀者，在離你鼻子幾米遠的地方，于你而言既非過去也非未來的中間區(qū)域持續(xù)的時間只有幾納秒，約等于零（幾納秒之于一秒相當于幾秒之于三十年）。這比我們能夠覺察到的時間要短得多。在大海的另一端，這個中間區(qū)域的持續(xù)時間是千分之一秒，仍然遠低于我們可以感知到的時間的臨界值——我們通過感官能感知的最短時間大約是十分之一秒。但到了月亮上，延展的現在的持續(xù)時間會達到幾秒鐘，到了火星會有一刻鐘。這表明我們可以說，在此刻的火星上，有已經發(fā)生的事件和尚未發(fā)生的事件，也有那么一刻鐘的時間，這段時間的事情既不發(fā)生在過去也不發(fā)生在未來。

這些事件在他處。我們從未意識到這個他處，因為在我們周圍這個他處太短暫了，我們無法察覺到它，但它真實存在。

這就是在地球和火星之間無法進行流暢通話的原因。比如我在火星而你在地球，我問了你一個問題，你一聽到就立刻回話，但你的回復要在我提出問題一刻鐘后才傳到我這兒。這一刻鐘的時間相對于你回答我的時刻而言既不在過去也不在未來。愛因斯坦領悟到的關于自然的重要事實就是，這一刻鐘是無法避免的：我們無法把它消除。它被編織在時空事件的紋理中。我們無法縮短它，就如我們無法給過去寄一封信一樣。

這很奇怪，但世界就是這個樣子。就像悉尼的人是上下顛倒的一樣奇怪；奇怪，但確實如此。人一旦習慣于事實，事實就會變得稀松平常與合乎情理。是時間與空間的結構使其如此。

這表明說火星上某一事件“正在”發(fā)生沒有意義，因為“現在”并不存在（圖3.3）。[13]從專業(yè)術語來講，我們說愛因斯坦領悟到“絕對的同時性”并不存在：宇宙中并不存在“現在”發(fā)生的事件。宇宙中發(fā)生的事件不能用一系列的、一個接一個的“現在”來描述；它有著如圖3.2中的更復雜的結構。這幅圖描繪了物理學中的時空：一組過去與未來的事件，以及既不是過去也不是未來的事件；這些事件并不在一瞬間形成，它們本身要持續(xù)一段時間。

圖3.3　同時的相對性

在仙女座，這個延展的現在的持續(xù)時間（相對于我們）是兩百萬年。這兩百萬年間發(fā)生的任何事情于我們來說既不在過去也不在未來。如果某個先進而且友善的仙女座文明決定派一個宇宙飛船艦隊來拜訪我們，去問艦隊“現在”出發(fā)了與否并沒有意義。唯一有意義的是當我們接收到來自艦隊的第一個信號時，從那一刻起——而非提前——因為艦隊出發(fā)于我們的過去。

年輕的愛因斯坦在1905年發(fā)現的時空結構帶來了實際的成果。如圖3.2所示的時間與空間聯系緊密這一事實，意味著對牛頓力學的巧妙重建由愛因斯坦在1905年和1906年迅速完成。這個重建的第一個成果就是，正如空間與時間融合成了統(tǒng)一的時空概念，電場與磁場也以同樣的方式融合，合并為一種單一的實體，我們今天稱之為電磁場。用這種新的語言來表述的話，麥克斯韋描述這兩種場的復雜方程組就變得十分簡單了。

這個理論還有另一個含義，會產生重大的影響。在新的力學中，“能量”與“質量”合二為一，如同時間與空間合二為一，電場與磁場合二為一。在1905年以前，有兩個看似確定無疑的普遍定律：質量守恒定律與能量守恒定律。第一個定律已經被化學家廣泛證實了：質量在化學反應中不發(fā)生改變。第二個——能量守恒定律——直接由牛頓方程推導出來，被認為是最沒有爭議的定律之一。但愛因斯坦意識到能量與質量是同一實體的兩面，就如電場和磁場是同一種場的兩個面向，空間和時間是同一事物即時空的兩個面向。這表明，質量本身并不守恒；能量——按照當時理解的那樣——也不守恒。一種可以轉化為另一種，只存在一個守恒定律，而非兩個。守恒的是質量與能量的總和，而非其中任意一個。一定存在某個過程，可以把能量轉化為質量，或把質量轉化為能量。

愛因斯坦快速計算出了通過轉化一克物質可以得到多少能量，結果就是著名的公式E=mc2。由于光速c是個非常大的數，c2是個更大的數，因此轉化一克物質得到的能量十分巨大，有數百萬顆炸彈同時爆炸那么大的能量——足以照亮一座城市或給一個國家的工廠供電數月，或是反過來，可以用一秒鐘摧毀像廣島這樣的城市中的幾十萬人。

年輕的愛因斯坦的理論推導把人類帶入了新紀元：核紀元，一個充滿新的可能與新的危險的紀元。今天，多虧了這個不墨守成規(guī)的叛逆年輕人的智慧，我們才有了給未來一百億地球家庭帶來光明的工具，能夠太空旅行到其他星球，抑或是相互傷害，破壞地球。這取決于我們的選擇，取決于我們相信什么樣的領袖。

如今，愛因斯坦提出的時空結構已經被充分理解，在實驗室中經過了反復檢驗，確認成立。對時間和空間的理解與自牛頓時代以來的方式不再相同?？臻g并不獨立于時間存在。在圖3.2的擴展空間中，并不存在一個可以被稱為“現在的空間”的特殊部分。我們對現在的直觀理解——所有事件“現在”都在宇宙中發(fā)生——是我們由于無知而做出的判斷，因為我們無法感知到短暫的時間間隔。從我們狹隘的經驗來看，這是個不合邏輯的推斷。

就如同地球是平的是個幻覺一樣，我們把地球想象為平的，是由于感官的局限，因為我們目光短淺。如果我們像小王子那樣生活在一個直徑幾千米的小行星上，就會很容易發(fā)現我們是住在一個球面上。如果我們的大腦和感官可以更加精密，如果我們可以輕易地感知一納秒的時間，就不會產生普適的“現在”的概念，我們會很容易意識到在過去與未來之間存在著中間區(qū)域。我們會意識到說“此時此地”是有意義的，但是把“此時”當作全宇宙共同的“此時”是沒有意義的。正如問我們的星系是在仙女座的“上面還是下面”是一個沒有意義的問題一樣，因為“上”與“下”只在地球表面有意義，而非在宇宙里。宇宙中不存在“上”或“下”。同樣，宇宙中的兩個事件也不存在“之前”或“之后”。圖3.2與3.3描繪的時間與空間交織在一起的結構，就是物理學家口中的“時空”（圖3.4）。

《物理學年鑒》發(fā)表了愛因斯坦的文章，所有問題一下全都明了了，這給物理世界帶來的沖擊是巨大的。麥克斯韋方程組與牛頓物理學的明顯沖突廣為人知，但沒人知道該怎樣解決。愛因斯坦的方法極其簡潔，震驚了所有人。有個故事說，克拉科夫大學昏暗的教學樓里，一位嚴肅的教授從研究室走出來，揮舞著愛因斯坦的文章，高喊著：“新的阿基米德誕生了！”

圖3.4　世界由什么構成？

盡管愛因斯坦在1905年邁出的步伐已經引起了驚嘆，我們卻還沒有談到他真正的杰作。愛因斯坦最大的成就是第二種相對論，十年以后在他三十五歲時發(fā)表的廣義相對論。

廣義相對論是物理學家創(chuàng)造的最美的理論，也是量子引力的第一大支柱，是本書的核心。20世紀物理學的真正神奇之處由此展開。