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读书随笔:像物理学家一样思考(下)

关于时间会膨胀,狭义相对论也否定了我们的一个常识性定律——因果律。我们说因和果,主要依赖于时间序列,即A发生于B之前,每次有B之前总有A,所以会把A假定为B的原因。

因果律有一个底层假设——时间是绝对的,以恒定速度流逝的,对于任何参照系都是一样的。

狭义相对论已经否定了这种时间观。所以,爱因斯坦用一个很简单的思想实验否定了因果关系的普适性——想象一个相对我们快速运动的飞船,里面也有人,飞船内部中间一盏灯,打开灯,观测灯光照射飞船前后壁。

对于飞船内部的人而言,毫无疑问,灯光是同时抵达飞船前后壁的。但是对于在地面观测的人而言就不是,因为飞船运动速度很快,接近光速的话,地面观测的人能够很显著地看到飞船内部的灯光是先到达后壁,再到达前壁

所以,对于飞船内部的人而言,两件事是同时发生的,但地面观测者则看到了两件事一前一后发生。

因此,不同参照系的人,不能适用同样的因果律

时间会膨胀的另一个重要立论,就是时空连续体。之前的经典力学或者常识,认为空间是空间,时间是时间,都是固定不变的,尤其是时间。狭义相对论则认为,时间和空间是紧密联系在一起的,伴随着空间扭曲形变的,也一定有时间的膨胀和收缩。

再就是经典力学认为空间里的事物,是按照统一的时间顺序,接连发生变化或接连产生的。但在狭义相对论看来,时空连续体——四维空间来看,所有事情其实一直都存在,一切都摆在那里,是我们在经过它们!

不论你怎么想这些怎么诡异,反正实验证明爱因斯坦是对的。

接着就是质量的变化,这也是狭义相对论比较让人恼火但又毫无办法的一点——质量和能量是随时随地在相互转换的,要么在微观粒子领域,要么就是在速度极高的状态下。

狭义相对论考虑的是匀速运动情况,把变速运动考虑进来,再增加一个参照系,就成了广义相对论。

在广义相对论里,等效性原理居于核心地位——如果没有差异,那么两个好像不同的事,那就是一回事

典型的就是广义相对论对引力的解释——如果在加速运动参照系下,重力现象,与加速运动现象没有差异——比如一个人在与重力加速度一致的飞船中,感觉不到重力和加速度的差异,那么,重力和加速运动就是一回事

所以,爱因斯坦再次大胆地提出,没有所谓的引力之说,引力不过是加速运动产生的一种现象,看起来像引力,其实不过是事物在加速运动中表现为引力

想象一下,一个封闭的巨大的飞船,这个飞船能有中国从东到西那么宽,这个飞船如果对地球做自由落体运动,我们都呆在飞船里,在飞船东西两端放下两个球,在我们看来,这两个球没有下落,而是漂浮在空中。但是,由于实际上它们都对地心做垂直自由落体运动,相互之间隔的距离又远,那么它们都在向地心下落,两个球下落的路径呈现出对地心的锐角

而在飞船中的我们看来,球就是漂浮着相互靠近——就好像两者之间有引力靠近一样。实际上呢,两个球之间并没有相互吸引,它们不过是按照各自路径垂直下落而已

在爱因斯坦看来,时空连续体就是这样,不同的物质,如地球,行星,恒星,连同它们周围的时间和空间都是一个个的连续体,因为各自质量不同,这些时空连续体呈现出大大小小的团块。把这些团块罗列起来,就好像一个模仿复杂地形的沙盘一样,有丘陵有高山

我们俯瞰下去,看不到这些沙盘上点和点之间的高度差,以及地形的复杂,只看到平面上的A点和B

当地面上的人或者车辆从B点向A点移动的时候,他们其实是在按照最短路径,最节省力气和时间的路径在行进,只不过因为途中有山谷、丘陵、高山,需要绕道——面对一座高山,最省的路径当然不是直直地越过高山,而是绕过去

可是在俯瞰角度来看,从B点到A点,应该直线最短,但实际看到行人和车辆却都在弯弯绕绕地走

同样的道理,宇宙中的星体也是在遵循最短路径——最小作用量的方式在运动,比如说直线运动,但由于物质质量导致的时空连续体,有着不同的“形状”,使得这些最小路径变成了我们熟知的椭圆轨道,旋转运动!

一句话,时空连续体造成了我们的错觉。所谓的引力,不过是时空连续体造成的扭曲,造成什么的扭曲?事物运动轨迹的扭曲。

就像我们看苹果是垂直落地,而月球是绕地球旋转一样,看似两种完全不同的运动轨迹,其实苹果和月亮都在做同样的运动,只不过苹果质量小,月球质量大,因而对于地球的运动轨迹不一样而已

那么,爱因斯坦对宇宙的终极想法有吗?有的,只不过他还没有来得及证明这一点。爱因斯坦想说的是,宇宙中没有引力,没有能量,没有质量,有的只有两样东西,一是时空连续体,二是运动。所谓能量,其实就是质量,而质量,就是时空连续体的曲线

质量只是曲线。

什么叫牛大发了的想象力。——突然想起了近期在复习的微积分,如何把面积与长度等同起来。

看到没有,他进一步扭转了我们的认知——从广义相对论的方程推导,引力是因为存在质量把时空扭曲了,而爱因斯坦的终极想法是,即便质量也是没有的,其实只有时空扭曲。——从哲学角度来讲,那就是只有形态,没有本质。

即便连质量和能量这种东西,也不过是我们构造的概念而已

我们说地球绕太阳转动,其实是地球这个事物在自己的时空连续体和太阳这个时空连续体之间,循一条最简洁、最容易的运动路线通过的结果

这么一个看起来不可思议而严重违背常识的理论,却因为仅从理论推导出四个结论均被证实而坚实地立了起来,这四个结论分别是:

1.解释水星进动问题——因为水星离太阳最近,所以水星绕太阳公转的轨道本身都在围绕太阳旋转,广义相对论可以精确地计算出水星近日点进动的数值。

2.解释星光经过太阳的偏转问题——这个实在太著名了,就不再赘述。值得一提的是,其实也有学者根据牛顿力学测算出了星光经过太阳受引力影响偏转的幅度,只不过广义相对论要精确得多。

3.引力红移问题——引力越大的地方,时间越慢。这一点挺难证明,因为当时还没有办法把一台时钟送到太阳上去检测。爱因斯坦的强悍在于,他连怎么做实验的方法都想出来了——原子钟。即特定元素的震动频率是一定的,这个震动频率可以从元素的光谱里观测到,时间慢就意味着频率要低,频率低就意味着发出光的波长变长。

所以,我们可以观测地球上某个元素的光谱,与太阳光中该元素的光谱,进行对比,谁的波长更长。结果是,太阳光中的钠元素光谱,波长更长——频率更低——时间更慢。

4.预言了黑洞的存在。这就不用多说了吧。

三、世界不是物质实体

庄子说,取一物,日分为二,日复一日,万世不竭。这其实还属于唯物主义。到亚原子世界,不仅世界是有限的,而且,世界是没有实体本质的。

亚原子的各种粒子,各类性质,本质上都是能量和场的作用。量子力学用量子场论来描绘这些粒子的行为。所有的实验观测中,我们只看到了能量的变化——粒子的动能,并没有一个小圆球在那里穿行、碰撞和滚动。

用爱因斯坦的话术更加准确——粒子其实就是一份一份的能量束。能量本身是没有实体的,能量的本质也被量子场论归结为相互作用——关联。这个概念,佛学已经说了两千年了。

所谓力,也就是关联影响,交互作用的一种表现方式。比如强核力是夸克之间交换π介子所致,电磁力则是带电粒子之间交换光子所致,力就是关系。

前面广义相对论认为,没有一个单独的、绝对的时间流,时间的逝去不过是我们的幻觉,有的是一个接一个的时空连续体,事件的过去、现在和未来都已经摆在那里了。只不过是我们人类的认知体系,决定了我们只能用时间和空间这两种形式来感知世界的图景。

敝号即将推出的随笔《理查德·费曼传》里详述了费曼图解的一个电子的历程,在这部书里有了一个更好的图示解释。

任何粒子都有自己的反粒子,一阴一阳。众所周知,一个电子和一个反电子,也就是正电子相遇的话,就会湮灭,释放两个光子。具体过程如图所示:

事实上,在亚原子世界里,这种正反湮灭、创生,时时刻刻都在发生,没有什么一成不变的实体贯穿其中——色即是空,空即是色。

当我们把时间因素考虑进来,再看这个正反电子湮灭的图示。上世纪六十年代,理查德·费曼天才地想到,所谓正电子,也就是电子的反粒子,其实可以看做一个在时间轴上倒退的电子——也就是说,那个+号,可以看做是时间上的反向!

所以,他重新绘制这个图,加上了时间方向:

电子从左下角进入,然后释放两个光子,这改变了电子在时间里的方向,使它从时间轴上倒退,就变成了它自己的反粒子——正电子!其实电子还是那个电子,只不过在光子作用下(光的作用下),它在时间上倒退为反粒子了。

这么一来,所有的粒子的反粒子,都可以视为这个粒子在时间轴上倒退的自己!

连反物质都被消解掉了,只要考虑时间因素。

这样,考虑一个更加复杂的情况,如下图:

黑色的箭头路径是一个电子的路径,电子先从左下进入,到达A点后,释放出两个光子,这改变了电子在时间中的方向,它开始在时间中倒退,变成正电子,到达B点之后,它又吸收了两个光子,在光子作用下,它重新返回时间轴上的正向,又变回了电子。

这个图景是在四维空间中展示的全景图,我们可以看到其实就这么一个电子,在时空中穿梭,只不过与光子作用发生方向的改变(包括时间轴上的方向),就在自我转变性质

可是由于我们的认知结构受限,我们看不到上述全景图,只能看到一个很窄的图景,举例来说,就是下面那个白色条框,那就是我们的时空观:

我们按照时间顺序在空间里首先看到的是事件(1)图里那个样子,一开始,明明有三个粒子,分别是左边的一个电子,右边的两个光子。然后事件(2)两个光子在B点相碰,叭,产生一对电子和反电子,其中,电子朝右边飞了,反电子朝左边飞。再接着事件(3),朝左边飞的反电子,遇到了一开始左边那个电子,叭,正反电子相碰,相互湮灭,产生两个光子。

这就是我们看到的,我们看到了正反物质产生,以及相互湮灭的过程。而实际上,在全景图上,一切都已经在那里,而且一切其实只有一个电子与光子之间的作用——德布罗意王子说的,构成时空诸事件的整体早在我们认识它们之前就存在了,只不过是我们在连续一点点地发现新的时空

这也正是费曼说的,轰炸机在经过地面一个巨大之字路时,投弹员在瞄准镜中看到的情况,首先是两条路,接着两条变成三条,接着三条路又变成一条路,经过了所有事件后才意识到,这就是一条路。

电子还是那个电子,但一瞬间却经历了与光子作用,产生反粒子又湮灭的变化,所谓生生灭灭。与之相对应的还有质子的自我变化,质子主要交互的粒子是π介子,几乎就是在间不容发之际,质子产生π介子,π介子分离出负π介子,负π介子被质子吸收,质子变成中子,接着中子又释放负π介子,中子变回质子。

这个过程说明两点:其一,生生灭灭,这就是佛学所说的,一瞬间亿万生生灭灭。所不同的,量子力学是用数学来描述,佛学是用文字。

其二,所有粒子潜在都是别的粒子——中子可以是质子,质子可以是中子。《华严经》中说,物质实相的每一个部分都是其他所有部分共同构成的。实际上,大千世界每一样东西,都是其他一切东西

思考吧,飞翔。

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