爱因斯坦之后的物理学
2016/2/20 哲学园
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选自《爱因斯坦：相对论一百年》
第七章爱因斯坦之后的物理学
[英]安德鲁?罗宾逊 编著
张卜天 译
第二版的《爱因斯坦：相对论一百年》，是为了纪念爱因斯坦广义相对论创立100周年(1915-2015)，由众多伟大人物写就的文章的汇编。是对爱因斯坦的科学成就以及思想历程的一次深度的回顾和阐述。尤其珍贵的是，书中有大量的图片，其中很多是彩色图片，使得这部书，真正地具有了“看”头。
“科学不是也永远不会是一本写完了的书，每一个重大的进展都带来了新问题，每一次发展总要揭示出新的更深的困难。”
——爱因斯坦，《物理学的进化》，1938年
一般认为，相对论和量子理论是“自伽利略和牛顿以来物理学的两次最伟大的革命”，菲利普?安德森在本书收录的关于爱因斯坦的科学遗产的文章中这样说道。爱因斯坦对这两种理论的发展都做出了贡献，所以从某种意义上讲，他的工作几乎影响了他去世后半个世纪的物理学的方方面面——从宇宙的结构和起源到原子核裂变，从亚原子粒子的高能加速到光电效应，从黑洞到微型芯片，无一不得益于爱因斯坦。假如我们还记得，相对论统一了时间、空间、引力和光速这样的基本概念，量子理论统一了物质构成和辐射能量的传播，那么这样说也许并不让人吃惊。仍然没有物理学家能够同爱因斯坦相匹敌。
即使是具体的影响，爱因斯坦的贡献也是惠及后世的。对于这一点，我们只要想想他在诸多完全不同的领域表现得是多么超前就够了。1905年，爱因斯坦根据狭义相对论的基本原理导出了质能方程E = mc2，从而在核裂变被发现(1938年)33年之前，他就意识到并且预言了核能。1916年，他根据广义相对论预言了引力红移，直到近半个世纪之后才得到证实(六十年代初)。1917年，他在关于光的受激辐射的论文中设想了一种可能的现象，37年后才得到证实，这导致了激光的发明(1958年)。1925年，他在两篇关于玻色-爱因斯坦统计的论文中，设想了一种新的物质态，这就是玻色-爱因斯坦凝聚，直到七十年后它才第一次被观察到(1995年)。今天，它有望作为一种“原子干涉仪”来测量引力的强度和方向的细微变化，将来也许会像激光一样获得广泛应用。1935年，他在与波多尔斯基和罗森合写的“EPR”论文中，引入了后来被称为“量子纠缠”的概念，引起了很大争议，三十年后人们才开始对它进行实验研究，它对量子计算、量子密码学甚至(据有人说)远距传物都有潜在的应用价值。
这还不算爱因斯坦1918年对引力波的预言。虽然苦苦寻觅了数十年，人们仍然没有探测到引力波。问题似乎不出在理论上，而在于引力能量的涟漪过于微小，很难探测得到。陆基激光干涉引力波观测台(LIGO)在物理上与迈克尔逊-莫雷在十九世纪进行的实验相似，只不过在这里普通的光束被激光取代了，其灵敏性依赖于激光束的长度。因此，成功地探测到引力波有赖于一个激光束远远长于LIGO的星基系统。目前的计划是建造一个激光太空干涉天线(LISA)，它的激光臂成一个边长大约为三百万英里的等边三角形，在大约与地球相同的高度绕太阳运行。如果LISA按预定计划在2010年前后发射，那么在爱因斯坦作出预言的百周年纪念以前，人类就有可能清楚地观测到“引力的踪迹”。
最近一项富有成果的引力实验例证了爱因斯坦的想法。2002年，射电天文学家弗马龙特和理论物理学家科佩金根据爱因斯坦的理论对引力的速度进行了测量(测量引力速度并不是爱因斯坦最先提议的)。牛顿当然认为引力是瞬时传递的，也就是说速度是无限大，而爱因斯坦却认为它以光速传播。科佩金认识到，通过对爱因斯坦的广义相对论方程进行改写，“有可能得到引力与电磁辐射类似这一结论。” 科佩金认为，对于光，我们可以通过测量它的电场和磁场而得到它的速度；同样，引力的速度也应该可以得到，只要我们能够精确地测量出一个大质量运动物体的引力场。
1936年，爱因斯坦在《科学》杂志上发表了一篇很短的论文《光在引力场的偏折所引起的恒星的透镜作用》，其中包含了使这两位科学家感兴趣的想法。早在1915年，爱因斯坦在思考广义相对论时曾提出，恒星发出的光可以被太阳的引力场弯曲(1919年发生的著名日食使之得到了证实)。他1936年也提出了类似的思想：如果恒星、大质量物体和地球上的观测者精确地排成一条直线，那么大质量物体(这次不是太阳)的引力就可以像透镜一样作用于遥远的星光，通过望远镜应当可以看到遥远恒星的两个像：一个对应着正常位置，一个对应着偏折位置。爱因斯坦怀疑，这种足够精确的排成一线是否会实际发生，从而使我们有机会观测到偏折现象，大多数天文学家在三十年代也都持这种怀疑态度。但是到了六十年代，类星体被发现了。这是宇宙深处的一种“类-恒星”物体，能够发射出强烈的射电波(有人认为其动力来自超大质量的黑洞)。1979年以后，天文学家识别出了几个类星体，它们都产生了两个完全相同的像，显然，这些都是“引力透镜”造成的结果。遥远的类星体发出的射电波被较近的星系和星系团弯曲，当电波穿越太空朝着地球传播的时候，它们就像透镜一样作用于这些电磁辐射。
弗马龙特和科佩金开始等待测量引力透镜效应的机会。他们打算使一个发射强烈射电波的明亮的类星体、最大的行星木星和地球最强大的射电望远镜洲际观测系统排成一线，希望探测到木星的引力场使类星体的射电波发生的偏折。他们知道，选择木星做“宇宙透镜”来精确地测量引力是很合适的，因为先锋号、旅行者号和伽利略号宇宙飞船都飞越过木星，我们对它的质量和轨道速度非常了解。
2000年，通过把木星未来30年的轨道与类星体的目录进行比较，科佩金发现，一个编号为J0842+1835的类星体会在格林尼治时间2002年9月8日16点30分与木星和地球排成一线。后来，当这一时刻到来的时候，虽然美国维尔京群岛的一台射电望远镜出现了故障，天气不好也使15%的数据丢失了，但预言的引力透镜效应的确观察到了。当把其余的数据代入科佩金改写的广义相对论方程中后，他们得出的结果是：引力的速度是光速的1.06倍。由于测量误差大约是0.21，弗马龙特和科佩金认为，引力可能的确是以光速传播的。它显然不可能瞬时传播，否则，这颗类星体的双像就会有微小的差别，而他们并没有观察到这种差别。
虽然广义相对论现在是宇宙学的一个主要部分，狭义相对论在物理学的许多领域，特别是高能粒子物理领域，都起着至关重要的作用，但仍然有不少人反对相对论。正如爱因斯坦乐于承认的，他在科学中犯过不少错误，物理学家都知道这一点，这也许给了相对论的批评者以信心。斯蒂芬?霍金经常收到一些信，说爱因斯坦错了，正如他在本书中所提到的那样。1978至1988年间，物理学家约翰?利登曾在《美国物理学杂志》作编辑，他收到过“许多攻击相对论作者的稿件，他们声称发现了爱因斯坦所犯的各种错误。”发信人的动机各不相同：
许多稿件既受感情的驱使，也有理智的考虑。一些人觉得狭义相对论的结果过于抽象，与常识太不相符；一些人接受理论，但不承认它的内涵；另一些人只接受实验事实，而不接受一种本质上是纯思想的产物；还有一些人根本就不打算抛弃以太。不同的国家地域，不同的文化背景，反应也各不相同。
目前看来，绝大多数对相对论的批评都是错误的。但是正如物理学家乔奥?马古悠在本书中提醒我们的，“只要有一条好的理由，我们就应当随时准备放弃任何科学原理，无论它看起来有多么神圣。”马古悠等少数人认为，要想把引力量子化，要想解释宇宙的大尺度特征如何起源于大爆炸，就必须允许光速变化，至少是在极早期宇宙。爱因斯坦发表过不止一篇论文提到了变化的光速，这一事实激励了马古悠。虽然爱因斯坦不久就意识到他的论证是错误的，但这些论文表明，他并没有把光速的恒定性当作教条。
到目前为止，爱因斯坦最著名的错误是(他特意引起了公众对它的注意)，1917年，他在1915年的广义相对论方程中添加了一个宇宙学常数。他之所以要加入这个常数，只是为了使他所提出的宇宙模型是静态的和永恒的，他认为宇宙应当是这样。由于宇宙学常数“只是对于一种准静态的物质分布才是必需的”，他自然认为这一项破坏了他原始方程的优雅。后来到了二十年代，哈勃望远镜对星系的观测表明，宇宙是不断膨胀的而不是静态的。1931年，在访问加利福尼亚威尔逊山天文台时，爱因斯坦看到了哈勃和助手赫马森所拍的星系照片，这个证据使他确信宇宙的确在膨胀。他立刻告诉记者，他将放弃宇宙的静态模型而倾向于宇宙的膨胀模型。宇宙学常数也许可以寿终正寝了。虽然爱因斯坦对当初加入这一项非常后悔，但他还是对场方程简单性的增加感到高兴。
“然而，宇宙学常数不甘心就这么退出历史舞台，”史蒂文?温伯格1993年写道，
爱因斯坦1915年假设，场方程应当选择得尽可能简单。过去75年的经验告诉我们，不要相信这样的假设；我们往往会发现，我们理论中的复杂性的确发生了，它们并没有被某种对称或其他一些基本原理所禁止。因此，说宇宙学常数是一种不必要的复杂，这是不够的。简单性，就像任何其他东西一样，必须得到解释。
事实证明，温伯格的谨慎是有道理的。最近的观测表明，正如他和霍金在本书中所提到的，宇宙学常数不等于零。这似乎与宇宙正在加速膨胀有关。
爱因斯坦既然倾向于一个膨胀的宇宙，这就必然暗示宇宙有一个开端。但对于把广义相对论应用于宇宙学，他并没有多大兴趣。正如霍金所说，爱因斯坦似乎并没有认真看待宇宙的“大爆炸”起源(五十年代初为人所知)，也不喜欢时间起点的概念。也许更让人奇怪的是，他对黑洞持拒斥态度，而在彭罗斯、霍金以及其他一些物理学家的工作中，黑洞正是广义相对论一展身手的理想舞台。弗里曼?戴森在本书前言中表达了一个困惑，爱因斯坦对奥本海默和斯奈德(1939年)所作的支持黑洞存在的相对论计算完全不感兴趣：“他怎么可能对他自己理论的一项如此伟大的胜利视而不见呢？”当然，爱因斯坦没有受到七十年代以来令人瞩目的天文学观测的恩惠，这些观测强烈暗示宇宙中存在着大量黑洞。然而，如果爱因斯坦倾心于一个理论，观测证据的缺乏不可能对他构成阻碍。理论物理学家基普?索恩提供了另一种可能的回答：“显然，任何落入黑洞的东西都出不来，无论是光还是其他东西，这就足以使爱因斯坦和当时大多数物理学家[包括爱丁顿]信服，黑洞是一种过于怪异的东西，它当然不应存在于实际的宇宙中。不知何故，物理学定律必须保护宇宙不受这样的怪物的侵袭。”
关于爱因斯坦对宇宙学的贡献，我们已经说得够多了。现在让我们转回地球。从这位以前的专利技术员的理论观念中，人们发展出了许多重要的技术。(他本人的专利倒没有产生那么大影响，只不过他二十年代设计的罗盘曾被德国和其他国家的海军使用，他和西拉德在二十年代合作设计的防漏磁泵冰箱虽然没有投产，后来却被用于快中子增殖反应堆的制冷系统。)仅仅是爱因斯坦1905年发表的第一篇论文所解释的光电效应，现在就可用于研制太阳能电池、天文探测所使用的极为灵敏的光电倍增管，还可用于在黄昏时分接通路灯，控制复印机的色粉浓度，正确地曝光照相底片，在呼吸酒精检测仪中检测酒精和一种测试气体反应后出现的颜色变化等等。“一百年以后，技术专家仍然能够找到新的方式从爱因斯坦的理论中收获新发明，”《科学美国人》的一期爱因斯坦专号这样说。
他1905年的两篇关于分子大小和运动的论文也找到了实际应用。第一篇，也就是那篇关于微粒悬浮液的流变性质——它如何流动和变形——的博士论文(《分子大小的新测定法》)，已经在建筑业和乳品加工业的相关研究中得到了广泛引用，比如沙粒在水泥砂浆中的运动，或者酪蛋白胶粒在牛奶中的运动；他的第二篇论文讨论的是布朗运动，它用数学说明了微粒在液体中的随机运动。这篇论文比那篇博士论文重要得多，因为它证明了原子和分子的存在。虽然这篇论文的实际影响没有那么大，但它最近促进了对包含污染物——如煤烟、病毒、细胞碎片和大的DNA残片——的液体进行过滤和分类的方法改进，这显然对血液和水的净化至关重要。所谓的“布朗棘轮”已经设计出来了，其基本原理是：就像爱因斯坦计算的那样，较之大微粒，布朗运动使小微粒发生的位移更大。当液体通过包含障碍物的微通道时，微粒因布朗运动而撞到障碍物上，于是便分开了；障碍物就像棘轮的棘齿一样只能沿一个方向运动。
1905年，爱因斯坦用光量子假说成功解释了光电效应，这一假说是激光的基础。然而，除了精巧的技术设计，激光的发明还需要两个理论概念：1917年提出的受激辐射以及辐射光的相干性，爱因斯坦虽然提出了前一概念，却没有提出后者。他预言，一个光子会激发一个高能态的原子发出两个同样能量的光子，但却没有指出它们是同样的拷贝。它们不仅有同样的频率(因为能量是相同的)，而且振动步调一致，也就是说波峰和波谷的间隔相同，有固定的相位关系。相干光束由同相位的波组成，而不相干的光束——即实际的光(太阳光、灯光等等)——的波峰和波谷则以不同的方式排列。激光的力量正是来自于受激辐射中光的相干性和单一频率。爱因斯坦没有考虑相干性，这也许是他没有提出激光原理的原因。五十年代激光的发明者之一汤斯认为，从技术上讲，激光本应在二十年代问世。有趣的是，当激光最终被发明时，人们认为它不具有潜在价值。四十年后，激光在实验室外得到了广泛应用，比如眼科手术、切削工具、光纤、DVD播放器等等。
人类实现的第一次玻色-爱因斯坦凝聚也需要激光的参与。在这以前，科学家们从液氦的超流性推测出了玻色-爱因斯坦凝聚的奇异特性。在绝对零度以上大约2度时，液氦的粘性几乎完全消失。如果在一只空烧杯内注入液氦，液氦就可以“爬”上了杯壁，从杯外流下来，用一层薄薄的液膜覆盖杯的整个内外表面，并在杯底形成液滴。1938年，弗里茨?伦敦提出，这种奇特的现象也许可以通过玻色-爱因斯坦凝聚来解释。然而，真正的玻色-爱因斯坦凝聚需要一个更低的温度，而且单个原子(这次是铷原子而不是氦原子)必须用激光冷却。如物理学家托尼?海伊和帕特里克?沃尔特斯所解释的，这种技术的基础是这样的：
假设气体中的一个原子以合适的速度运动，它恰好可以从激光束中吸收一个光子。当原子吸收光子时，它将由于碰撞而速度减慢。当然，光子最终将被重新射出，不过是沿着随机的方向。由于激光束包含有许多光子，整个过程可以重复多次。其整体效应就像是原子进入了枪林弹雨之中，净效应则是使原子沿激光束方向的运动速度减慢，同时增加了沿其他方向的小的随机运动。
使用六束激光以及磁场[见图]，可以使原子的运动慢下来，最后被囚禁在一个微小的空间里。原子运动越慢，其温度就越低。最终，在绝对零度以上0.02度时，大约2000个铷原子出现了玻色-爱因斯坦凝聚，它们会像单个原子或“超原子”那样“统一行动”，这是1995年得到的成果。1997年和2001年，两个诺贝尔奖分别被授予六位物理学家，以表彰他们发明了激光冷却与囚禁技术，并且用这些技术第一次实现了玻色-爱因斯坦凝聚。
如果爱因斯坦活到今天，他自然会对自己1925年所作的预言得到实现而感到欣慰，但他更有可能为另一些实验结果所困扰。1935年，他曾与波多尔斯基和罗森共同提出了一个思想实验，正是对这个思想实验的实验检验对他不利。这篇论文(EPR)题为《能认为量子力学描述对物理实在的描述是完备的吗？》，这是爱因斯坦为了说明量子力学不能令人满意而做的又一次尝试。
1933年，他在给物理学家罗森菲尔德(他曾经在1930年爱因斯坦提出光子箱实验时描述过玻尔的不安)提出的一个问题中，概括了EPR的基本思想。爱因斯坦问罗森菲尔德：
你对下述情况怎么看？假定两个粒子[比如电子或光子]以相等的非常大的动量相向运动，当它们经过已知位置时发生了很短时间的相互作用。现在，一个距离相互作用区域很远的观察者得到了其中一个粒子，并且测量它的动量，那么根据实验条件，他显然能够推论出另一个粒子的动量；而如果他测量了第一个粒子的位置，他就能够推论出第二个粒子的位置。根据量子力学原理，这是一种完全正确的直接推理。然而，这难道不是悖论吗？第二个粒子的终态怎么可能由于对第一个粒子进行测量而受到影响呢？毕竟，它们之间的物理相互作用已经停止了。
爱因斯坦的意思是说，根据海森堡的测不准原理(粒子动量不确定性和位置不确定性的乘积必定超过一个已知常数)，如果一个人通过精确测量一个粒子的动量来确定另一个粒子的精确动量，那么第二个粒子位置的不确定性就必定会增加。相反地，如果精确测量第一个粒子的位置，那么第二个粒子动量的不确定性就会增加。所以这些变化只能瞬时发生，通过某种速度比光还快的信号来传递。
而玻尔在对EPR论文的回应中，恰恰认为这是正确的。玻尔相信非定域实在性：两个粒子的确是因物理实在的本性而不得不以共谋的方式进行“合作”。不久，薛定谔把这一新的概念称为“纠缠”。
这对于爱因斯坦来说是完全不可接受的，他相信定域实在性。1949年，当他过70岁生日时，他给玻尔复信说：“在我看来，我们应当绝对坚信：系统S2真正的实际位置必定独立于与它在空间上相分离的系统S1所发生的事情。”他还在一封写给玻恩的私人信件中说，他根本不相信“幽灵般的超距作用”的存在。
在这之后的许多年，这个问题仍然处于思辨领域。1955年，爱因斯坦去世，玻尔也失去了主要对手，玻尔对量子理论的看法后来被称为“哥本哈根诠释”。到了1966年，物理学家约翰?贝尔证明了一个定理，提出可以用双光子实验来检验纠缠是否存在。随着激光和光子探测技术的发展，现在已经能够在一个光源产生的两个光子高速飞离的过程中，监控光子的相关程度。这个实验始于七十年代，许多实验室都为此做过努力，其中以阿斯派克特领导的小组的工作最为突出。到了九十年代，纠缠已经成为一种真实的现象。量子理论和哥本哈根诠释又一次获得了胜利，纠缠也成了物理学的一个蓬勃发展的领域。虽然事实表明，爱因斯坦1935年的思想实验对于促成后来实际所做的实验是非常重要的，但这个实验并没有使他得到他所预期的答案。
然而，量子理论为我们提供的物理实在图像的确很难理解，它充满了神秘，从波粒二象性开始就不可避免地把观察者卷入了被测量的波或粒子。在量子理论中，物理实在依赖于观察者，从而依赖于人的意识。我们大多数人都会本能地感觉，只有爱因斯坦毕生坚持的与人无关的物理实在才是真实的。从古希腊到现在，从这种实在观中已经产生了许多科学成果。也许正因为此，普朗克才会在1900年把量子引入物理学时感到极不情愿，并且在1905年以后抵制它越来越大的影响。这是因为，与爱因斯坦不同(从爱因斯坦晚年探索一种终极理论可以看出来)，普朗克已经接受了这样一个事实，正如他本人所说：“科学不可能揭示大自然的最终奥秘，因为归根结底，我们自己就是我们正在试图揭示的奥秘的一部分。”
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