第一推动丛书·物理系列:爱因斯坦的骰子和薛定谔的猫
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第2章
对引力论的考验

一位卢顿的爱国志士,拉琴谱曲才智双全,

谱一首葬礼进行曲,伴着弱音器表演;

如其所言,是纪念一位瑞士籍的德国犹太人,

牛顿的《数学原理》,一不小心被推翻。

——《笨拙》杂志发表的打油诗,1919年[1]

牛顿的引力论因为简洁易懂而大放异彩,但是爱因斯坦却认为这理论从根上就站不住脚。牛顿认为引力是两个相距甚远的巨大物体之间,产生的某种瞬时、无形的联系。这种无形的引力以某种方式支配着天体在太空运转。可是马赫却认为自然界应该是可度量、可观测的,爱因斯坦也深以为然,于是他给引力找了一种更深层的解释——广义相对论。

除此之外,狭义相对论还给符合因果率的物质传播设了个极限速度:光速。但是,牛顿的引力论却与此种假设不符。因为在牛顿引力论中,太阳一旦消失,地球将会立即在太空中沿直线运转——即使是太阳的最后一束光线还未到达地球。在太阳消失的消息传来之前,地球是如何知道这么去做的呢?爱因斯坦认识到,是时候用相对论来重新描述引力了。

爱因斯坦十分欣赏麦克斯韦关于场的概念,于是他也想用相似的方式来构建一个引力的场理论。场是对力在空间中各个点产生特定数值的潜在影响的描述。知道场中任意一处的强度后,我们就可以确定此处的粒子受到了多大的作用力。比如,电场决定了场中任意一处的电子、质子或者其他带电体能够受到多大的电力。磁场对于磁力来说也是同样道理。

再比如,想一下,可以用场来表示整个海洋中的波浪的强度和方向。置身于这个场的力量特别大的点的水手可能观察到船只摇摇欲坠、偏离航线而束手无策。就算水手不知道力的源头在哪儿——可能是诸如海底地震的原因引起的——他也能直接地感受到惊涛骇浪的冲击。因此,尽管产生扰动的源头可能在千里之外,但是场起到了传导的作用,其影响则是涉及各个局部。

观察到电磁力和引力之间是如此惊人的相似(比如引力的大小与物体距离的平方成反比)之后,爱因斯坦在20世纪10年代早期就着手寻找引力场方程了。方程得出的结果就是他的巅峰之作:广义相对论。爱因斯坦通过对力进行类比,准备好了未来的研究目标,即把这些力都统一起来。

在广义相对论研究到一半的时候,爱因斯坦来到维也纳,作了一场报告,提到了研究进展。年轻的薛定谔从这场激动人心的会议中得到了启发,自此,二十出头的薛定谔开始从实用性课题(比如光和放射线的可测性质)转向了更为基础性的思考(比如围绕引力产生的谜团和宇宙本身的性质问题)。爱因斯坦在电磁力和引力之间架起的这座桥,为日后薛定谔试图将各个自然力统一起来播下了兴趣的种子。事后证明,1913年维也纳的会议是他职业生涯的转折点。薛定谔将爱因斯坦视为楷模,世间万物似乎没有东西是他那绝顶聪明的大脑想不明白的。