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讀書隨筆:像物理學(xué)家一樣思考(下)

 書蟲小記 2023-05-24 發(fā)布于北京

關(guān)于時(shí)間會(huì)膨脹,狹義相對(duì)論也否定了我們的一個(gè)常識(shí)性定律——因果律。我們說因和果,主要依賴于時(shí)間序列,即A發(fā)生于B之前,每次有B之前總有A,所以會(huì)把A假定為B的原因。

因果律有一個(gè)底層假設(shè)——時(shí)間是絕對(duì)的,以恒定速度流逝的,對(duì)于任何參照系都是一樣的。

狹義相對(duì)論已經(jīng)否定了這種時(shí)間觀。所以,愛因斯坦用一個(gè)很簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)否定了因果關(guān)系的普適性——想象一個(gè)相對(duì)我們快速運(yùn)動(dòng)的飛船,里面也有人,飛船內(nèi)部中間一盞燈,打開燈,觀測(cè)燈光照射飛船前后壁。

對(duì)于飛船內(nèi)部的人而言,毫無疑問,燈光是同時(shí)抵達(dá)飛船前后壁的。但是對(duì)于在地面觀測(cè)的人而言就不是,因?yàn)轱w船運(yùn)動(dòng)速度很快,接近光速的話,地面觀測(cè)的人能夠很顯著地看到飛船內(nèi)部的燈光是先到達(dá)后壁,再到達(dá)前壁。

所以,對(duì)于飛船內(nèi)部的人而言,兩件事是同時(shí)發(fā)生的,但地面觀測(cè)者則看到了兩件事一前一后發(fā)生。

因此,不同參照系的人,不能適用同樣的因果律。

時(shí)間會(huì)膨脹的另一個(gè)重要立論,就是時(shí)空連續(xù)體。之前的經(jīng)典力學(xué)或者常識(shí),認(rèn)為空間是空間,時(shí)間是時(shí)間,都是固定不變的,尤其是時(shí)間。狹義相對(duì)論則認(rèn)為,時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系在一起的,伴隨著空間扭曲形變的,也一定有時(shí)間的膨脹和收縮。

再就是經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為空間里的事物,是按照統(tǒng)一的時(shí)間順序,接連發(fā)生變化或接連產(chǎn)生的。但在狹義相對(duì)論看來,時(shí)空連續(xù)體——四維空間來看,所有事情其實(shí)一直都存在,一切都擺在那里,是我們?cè)诮?jīng)過它們!

不論你怎么想這些怎么詭異,反正實(shí)驗(yàn)證明愛因斯坦是對(duì)的。

接著就是質(zhì)量的變化,這也是狹義相對(duì)論比較讓人惱火但又毫無辦法的一點(diǎn)——質(zhì)量和能量是隨時(shí)隨地在相互轉(zhuǎn)換的,要么在微觀粒子領(lǐng)域,要么就是在速度極高的狀態(tài)下。

狹義相對(duì)論考慮的是勻速運(yùn)動(dòng)情況,把變速運(yùn)動(dòng)考慮進(jìn)來,再增加一個(gè)參照系,就成了廣義相對(duì)論。

在廣義相對(duì)論里,等效性原理居于核心地位——如果沒有差異,那么兩個(gè)好像不同的事,那就是一回事

典型的就是廣義相對(duì)論對(duì)引力的解釋——如果在加速運(yùn)動(dòng)參照系下,重力現(xiàn)象,與加速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象沒有差異——比如一個(gè)人在與重力加速度一致的飛船中,感覺不到重力和加速度的差異,那么,重力和加速運(yùn)動(dòng)就是一回事

所以,愛因斯坦再次大膽地提出,沒有所謂的引力之說,引力不過是加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象,看起來像引力,其實(shí)不過是事物在加速運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)為引力

想象一下,一個(gè)封閉的巨大的飛船,這個(gè)飛船能有中國從東到西那么寬,這個(gè)飛船如果對(duì)地球做自由落體運(yùn)動(dòng),我們都呆在飛船里,在飛船東西兩端放下兩個(gè)球,在我們看來,這兩個(gè)球沒有下落,而是漂浮在空中。但是,由于實(shí)際上它們都對(duì)地心做垂直自由落體運(yùn)動(dòng),相互之間隔的距離又遠(yuǎn),那么它們都在向地心下落,兩個(gè)球下落的路徑呈現(xiàn)出對(duì)地心的銳角

而在飛船中的我們看來,球就是漂浮著相互靠近——就好像兩者之間有引力靠近一樣。實(shí)際上呢,兩個(gè)球之間并沒有相互吸引,它們不過是按照各自路徑垂直下落而已。

在愛因斯坦看來,時(shí)空連續(xù)體就是這樣,不同的物質(zhì),如地球,行星,恒星,連同它們周圍的時(shí)間和空間都是一個(gè)個(gè)的連續(xù)體,因?yàn)楦髯再|(zhì)量不同,這些時(shí)空連續(xù)體呈現(xiàn)出大大小小的團(tuán)塊。把這些團(tuán)塊羅列起來,就好像一個(gè)模仿復(fù)雜地形的沙盤一樣,有丘陵有高山。

我們俯瞰下去,看不到這些沙盤上點(diǎn)和點(diǎn)之間的高度差,以及地形的復(fù)雜,只看到平面上的A點(diǎn)和B點(diǎn)。

當(dāng)?shù)孛嫔系娜嘶蛘哕囕v從B點(diǎn)向A點(diǎn)移動(dòng)的時(shí)候,他們其實(shí)是在按照最短路徑,最節(jié)省力氣和時(shí)間的路徑在行進(jìn),只不過因?yàn)橥局杏猩焦?、丘陵、高山,需要繞道——面對(duì)一座高山,最省的路徑當(dāng)然不是直直地越過高山,而是繞過去。

可是在俯瞰角度來看,從B點(diǎn)到A點(diǎn),應(yīng)該直線最短,但實(shí)際看到行人和車輛卻都在彎彎繞繞地走。

同樣的道理,宇宙中的星體也是在遵循最短路徑——最小作用量的方式在運(yùn)動(dòng),比如說直線運(yùn)動(dòng),但由于物質(zhì)質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空連續(xù)體,有著不同的“形狀”,使得這些最小路徑變成了我們熟知的橢圓軌道,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)!

一句話,時(shí)空連續(xù)體造成了我們的錯(cuò)覺。所謂的引力,不過是時(shí)空連續(xù)體造成的扭曲,造成什么的扭曲?事物運(yùn)動(dòng)軌跡的扭曲。

就像我們看蘋果是垂直落地,而月球是繞地球旋轉(zhuǎn)一樣,看似兩種完全不同的運(yùn)動(dòng)軌跡,其實(shí)蘋果和月亮都在做同樣的運(yùn)動(dòng),只不過蘋果質(zhì)量小,月球質(zhì)量大,因而對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)軌跡不一樣而已。

那么,愛因斯坦對(duì)宇宙的終極想法有嗎?有的,只不過他還沒有來得及證明這一點(diǎn)。愛因斯坦想說的是,宇宙中沒有引力,沒有能量,沒有質(zhì)量,有的只有兩樣?xùn)|西,一是時(shí)空連續(xù)體,二是運(yùn)動(dòng)。所謂能量,其實(shí)就是質(zhì)量,而質(zhì)量,就是時(shí)空連續(xù)體的曲線

質(zhì)量只是曲線。

什么叫牛大發(fā)了的想象力。——突然想起了近期在復(fù)習(xí)的微積分,如何把面積與長(zhǎng)度等同起來。

看到?jīng)]有,他進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)了我們的認(rèn)知——從廣義相對(duì)論的方程推導(dǎo),引力是因?yàn)榇嬖谫|(zhì)量把時(shí)空扭曲了,而愛因斯坦的終極想法是,即便質(zhì)量也是沒有的,其實(shí)只有時(shí)空扭曲?!獜恼軐W(xué)角度來講,那就是只有形態(tài),沒有本質(zhì)。

即便連質(zhì)量和能量這種東西,也不過是我們構(gòu)造的概念而已。

我們說地球繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng),其實(shí)是地球這個(gè)事物在自己的時(shí)空連續(xù)體和太陽這個(gè)時(shí)空連續(xù)體之間,循一條最簡(jiǎn)潔、最容易的運(yùn)動(dòng)路線通過的結(jié)果。

這么一個(gè)看起來不可思議而嚴(yán)重違背常識(shí)的理論,卻因?yàn)閮H從理論推導(dǎo)出四個(gè)結(jié)論均被證實(shí)而堅(jiān)實(shí)地立了起來,這四個(gè)結(jié)論分別是:

1.解釋水星進(jìn)動(dòng)問題——因?yàn)樗请x太陽最近,所以水星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道本身都在圍繞太陽旋轉(zhuǎn),廣義相對(duì)論可以精確地計(jì)算出水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的數(shù)值。

2.解釋星光經(jīng)過太陽的偏轉(zhuǎn)問題——這個(gè)實(shí)在太著名了,就不再贅述。值得一提的是,其實(shí)也有學(xué)者根據(jù)牛頓力學(xué)測(cè)算出了星光經(jīng)過太陽受引力影響偏轉(zhuǎn)的幅度,只不過廣義相對(duì)論要精確得多。

3.引力紅移問題——引力越大的地方,時(shí)間越慢。這一點(diǎn)挺難證明,因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒有辦法把一臺(tái)時(shí)鐘送到太陽上去檢測(cè)。愛因斯坦的強(qiáng)悍在于,他連怎么做實(shí)驗(yàn)的方法都想出來了——原子鐘。即特定元素的震動(dòng)頻率是一定的,這個(gè)震動(dòng)頻率可以從元素的光譜里觀測(cè)到,時(shí)間慢就意味著頻率要低,頻率低就意味著發(fā)出光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。

所以,我們可以觀測(cè)地球上某個(gè)元素的光譜,與太陽光中該元素的光譜,進(jìn)行對(duì)比,誰的波長(zhǎng)更長(zhǎng)。結(jié)果是,太陽光中的鈉元素光譜,波長(zhǎng)更長(zhǎng)——頻率更低——時(shí)間更慢。

4.預(yù)言了黑洞的存在。這就不用多說了吧。

三、世界不是物質(zhì)實(shí)體

莊子說,取一物,日分為二,日復(fù)一日,萬世不竭。這其實(shí)還屬于唯物主義。到亞原子世界,不僅世界是有限的,而且,世界是沒有實(shí)體本質(zhì)的。

亞原子的各種粒子,各類性質(zhì),本質(zhì)上都是能量和場(chǎng)的作用。量子力學(xué)用量子場(chǎng)論來描繪這些粒子的行為。所有的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中,我們只看到了能量的變化——粒子的動(dòng)能,并沒有一個(gè)小圓球在那里穿行、碰撞和滾動(dòng)。

用愛因斯坦的話術(shù)更加準(zhǔn)確——粒子其實(shí)就是一份一份的能量束。能量本身是沒有實(shí)體的,能量的本質(zhì)也被量子場(chǎng)論歸結(jié)為相互作用——關(guān)聯(lián)。這個(gè)概念,佛學(xué)已經(jīng)說了兩千年了。

所謂力,也就是關(guān)聯(lián)影響,交互作用的一種表現(xiàn)方式。比如強(qiáng)核力是夸克之間交換π介子所致,電磁力則是帶電粒子之間交換光子所致,力就是關(guān)系。

前面廣義相對(duì)論認(rèn)為,沒有一個(gè)單獨(dú)的、絕對(duì)的時(shí)間流,時(shí)間的逝去不過是我們的幻覺,有的是一個(gè)接一個(gè)的時(shí)空連續(xù)體,事件的過去、現(xiàn)在和未來都已經(jīng)擺在那里了。只不過是我們?nèi)祟惖恼J(rèn)知體系,決定了我們只能用時(shí)間和空間這兩種形式來感知世界的圖景。

敝號(hào)即將推出的隨筆《理查德·費(fèi)曼傳》里詳述了費(fèi)曼圖解的一個(gè)電子的歷程,在這部書里有了一個(gè)更好的圖示解釋。

任何粒子都有自己的反粒子,一陰一陽。眾所周知,一個(gè)電子和一個(gè)反電子,也就是正電子相遇的話,就會(huì)湮滅,釋放兩個(gè)光子。具體過程如圖所示:

事實(shí)上,在亞原子世界里,這種正反湮滅、創(chuàng)生,時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生,沒有什么一成不變的實(shí)體貫穿其中——色即是空,空即是色。

當(dāng)我們把時(shí)間因素考慮進(jìn)來,再看這個(gè)正反電子湮滅的圖示。上世紀(jì)六十年代,理查德·費(fèi)曼天才地想到,所謂正電子,也就是電子的反粒子,其實(shí)可以看做一個(gè)在時(shí)間軸上倒退的電子——也就是說,那個(gè)+號(hào),可以看做是時(shí)間上的反向!

所以,他重新繪制這個(gè)圖,加上了時(shí)間方向:

電子從左下角進(jìn)入,然后釋放兩個(gè)光子,這改變了電子在時(shí)間里的方向,使它從時(shí)間軸上倒退,就變成了它自己的反粒子——正電子!其實(shí)電子還是那個(gè)電子,只不過在光子作用下(光的作用下),它在時(shí)間上倒退為反粒子了。

這么一來,所有的粒子的反粒子,都可以視為這個(gè)粒子在時(shí)間軸上倒退的自己!

連反物質(zhì)都被消解掉了,只要考慮時(shí)間因素。

這樣,考慮一個(gè)更加復(fù)雜的情況,如下圖:

黑色的箭頭路徑是一個(gè)電子的路徑,電子先從左下進(jìn)入,到達(dá)A點(diǎn)后,釋放出兩個(gè)光子,這改變了電子在時(shí)間中的方向,它開始在時(shí)間中倒退,變成正電子,到達(dá)B點(diǎn)之后,它又吸收了兩個(gè)光子,在光子作用下,它重新返回時(shí)間軸上的正向,又變回了電子。

這個(gè)圖景是在四維空間中展示的全景圖,我們可以看到其實(shí)就這么一個(gè)電子,在時(shí)空中穿梭,只不過與光子作用發(fā)生方向的改變(包括時(shí)間軸上的方向),就在自我轉(zhuǎn)變性質(zhì)。

可是由于我們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)受限,我們看不到上述全景圖,只能看到一個(gè)很窄的圖景,舉例來說,就是下面那個(gè)白色條框,那就是我們的時(shí)空觀:

我們按照時(shí)間順序在空間里首先看到的是事件(1)圖里那個(gè)樣子,一開始,明明有三個(gè)粒子,分別是左邊的一個(gè)電子,右邊的兩個(gè)光子。然后事件(2)兩個(gè)光子在B點(diǎn)相碰,叭,產(chǎn)生一對(duì)電子和反電子,其中,電子朝右邊飛了,反電子朝左邊飛。再接著事件(3),朝左邊飛的反電子,遇到了一開始左邊那個(gè)電子,叭,正反電子相碰,相互湮滅,產(chǎn)生兩個(gè)光子。

這就是我們看到的,我們看到了正反物質(zhì)產(chǎn)生,以及相互湮滅的過程。而實(shí)際上,在全景圖上,一切都已經(jīng)在那里,而且一切其實(shí)只有一個(gè)電子與光子之間的作用——德布羅意王子說的,構(gòu)成時(shí)空諸事件的整體早在我們認(rèn)識(shí)它們之前就存在了,只不過是我們?cè)谶B續(xù)一點(diǎn)點(diǎn)地發(fā)現(xiàn)新的時(shí)空

這也正是費(fèi)曼說的,轟炸機(jī)在經(jīng)過地面一個(gè)巨大之字路時(shí),投彈員在瞄準(zhǔn)鏡中看到的情況,首先是兩條路,接著兩條變成三條,接著三條路又變成一條路,經(jīng)過了所有事件后才意識(shí)到,這就是一條路。

電子還是那個(gè)電子,但一瞬間卻經(jīng)歷了與光子作用,產(chǎn)生反粒子又湮滅的變化,所謂生生滅滅。與之相對(duì)應(yīng)的還有質(zhì)子的自我變化,質(zhì)子主要交互的粒子是π介子,幾乎就是在間不容發(fā)之際,質(zhì)子產(chǎn)生π介子,π介子分離出負(fù)π介子,負(fù)π介子被質(zhì)子吸收,質(zhì)子變成中子,接著中子又釋放負(fù)π介子,中子變回質(zhì)子。

這個(gè)過程說明兩點(diǎn):其一,生生滅滅,這就是佛學(xué)所說的,一瞬間億萬生生滅滅。所不同的,量子力學(xué)是用數(shù)學(xué)來描述,佛學(xué)是用文字。

其二,所有粒子潛在都是別的粒子——中子可以是質(zhì)子,質(zhì)子可以是中子。《華嚴(yán)經(jīng)》中說,物質(zhì)實(shí)相的每一個(gè)部分都是其他所有部分共同構(gòu)成的。實(shí)際上,大千世界每一樣?xùn)|西,都是其他一切東西。

思考吧,飛翔。

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