广义相对论大概是最被人神化的物理理论了。在那个著名的传说里,物理学家西尔伯斯坦对另一位物理学家爱丁顿说“听说你是世界上仅有的三个懂相对论的人之一”,爱丁顿的回答是“我在想,这第三个人是谁?”
这三个人——不管他们是谁——当然都已经离世了。整整一百年过去,今天又有多少人懂相对论呢?答案可能会让你惊讶:很多。事实上,许多当今科学家恐怕比爱因斯坦本人更懂。
披荆斩棘的时代已经过去,多年研究所提炼出的核心想法,如今连普通大众都可以理解。这里说的不是那个姑娘和火炉的比喻;用著名华裔物理学家徐一鸿(Anthony Zee)的话,广义相对论的核心思想,每一个坐过飞机的人都曾亲身体会——那就是,航线为什么是“弯”的。
徐一鸿这个名字在中文世界里有点陌生,但若与“阿·热”相连,可能就会唤起许多读者的回忆——二十多年前,湖南科技出版社的“第一推动”丛书首批中《可怕的对称》(Fearful Symmetry,正版译为《可畏的对称》),由于当时出版商并未联系作者,将他的英文名缩写A. Zee(Zee是上海话“徐”氏的发音)译成了阿·热。
徐一鸿是上海人,1945年战乱时期出生于昆明,很小的时候举家从上海移居香港,随后又迁居巴西圣保罗。这趟意外的移居,奠基了他的未来:“那时候我们不了解巴西,我爸爸在香港的一些上海帮朋友,结伴去巴西做生意;他们以为巴西很落后,还要带上肥皂去巴西呢!我父母不知道巴西有没有学校,于是母亲给我买一大堆书。
”从香港到巴西,四十多天的海上航行,百无聊赖,只能看书,“可能正是那个时候,我对科学开始着迷,有了研究科学的兴趣。”
后来的徐一鸿凭借全额奖学金来到普林斯顿,本科毕业后又在哈佛全奖得到理论物理博士学位,曾在普林斯顿高等研究院担任助理教授和访问学者(爱因斯坦正是在这里度过了后半生);目前他在加州大学圣塔芭芭拉分校的卡弗里理论物理研究所任正教授逾30年,并获得终身高等研究员的职位——他是第一位获此荣誉的华人物理学家。
徐教授的学术兴趣难得的广泛,并各有杰出贡献。
起初他专攻粒子物理学,后来扩展到凝聚态物理、量子反常、随机矩阵理论、超导、量子霍尔效应等理论物理学领域。迄今为止,他完成的学术论文已有270多篇,被引用次数达2万4千多次。除此之外,徐一鸿还是一位特别优秀的老师和科学传播者,无论是教科书还是科学写作都常常有让人豁然开朗的感觉。他说,“我觉得美跟真绝对是有很大关联的。”因此他投入了许多时间来讲解那些在他看来最美的物理理论——比如,广义相对论。
“爱因斯坦本来的意思,和‘相对性’正好相反”
果壳网科学人:今年是广义相对论诞生一百周年,假如没有人成功地得出广义相对论的话,现在这个世界会有什么不同?
徐一鸿:我现在可以马上想出两个不同之处。我们人类的一件大事,就是要知道这个世界是怎么来的,宇宙是如何起源的。如果没有广义相对论,大爆炸理论就很难产生。为了描述宇宙是如何产生的,必须有广义相对论。另外一个例子普通人都可以体会。很多人并不知道现在手机上应用的GPS,为了定位准确,需要用狭义相对论和广义相对论做修正。如果没有相对论,定位误差每天都会积累巨大误差,很快就不能用了。
果壳网科学人:据说爱因斯坦讲过一个关于相对论的解释:和姑娘在公园坐一个小时像一分钟,在火炉边坐一分钟像一个小时。这个比喻合适吗?
徐一鸿:爱因斯坦本来没打算用“相对论”作为新理论的名字,他本来的意思跟“相对性”恰好相反,叫做“不变性”。狭义相对论本来想说的是,什么东西在不同观测者眼中是不变的。所以“相对论”这个用词几乎是物理学史上最差的名字,导致后来很多人在相对论问题上望文生义,乱讲一气;甚至说“真相是相对的”,而那些物理学家证明没有真正的“真相”,诸如此类,全都是乱来。
果壳网科学人:那您能否简单地解释一下,广义相对论是什么呢?
徐一鸿:我的书《爱因斯坦引力导论》里面有一个很好的例子。有一次我从洛杉矶飞北京,看到屏幕上画的航线图就觉得很奇怪,为什么航线是这样弯的呢?事实上,这个航线之所以弯曲,不是因为有一个力量在拉它,把它吸引到北极,而是航空公司根据油耗多少决定的。因为地球表面弯曲成这样一个形状,沿着这一条航线飞行最省油钱,所以才这样飞。这正是广义相对论的核心。
看起来一个物体在万有引力的作用下形成某种运动轨迹;实际上,这是因为时空是弯曲的,它沿着这样一条轨迹运动最“经济”。
果壳网科学人:1905年,很多研究者都逼近了狭义相对论。例如,洛仑兹得到了洛仑兹变换,然后庞加莱提出了相对性原理。但是1915年,爱因斯坦似乎是单枪匹马地发现了广义相对论。爱因斯坦是怎么样做到这一点的呢?
徐一鸿:你说的基本上是对的,当时广义相对论基本上只有他一个人在做。物理学的历史上,几乎所有伟大的发现都不差一个人。如果没有这个人做,肯定也会有别人做出来;我们知道有很多很成功的诺贝尔奖级的研究,其发现权存在很大争议。如果要提出一个反例,可能就是爱因斯坦的广义相对论了。
果壳网科学人:如果没有爱因斯坦这样的天才,广义相对论还可能诞生吗?
徐一鸿:当然有可能,但发现时间会推后很多年。爱因斯坦的出发点,就是用狭义相对论统一了空间和时间,按理说时空中所有的现象都应该服从该相对论。但当时的引力理论显然不满足相对论(注:牛顿万有引力的传播速度是超光速的)。于是爱因斯坦要把狭义相对论与引力结合起来,这就是当初他研究广义相对论的出发点。
果壳网科学人:为了证明广义相对论,科学家设计了很多精巧的实验。你最喜欢其中哪一个实验呢?
徐一鸿:我比较喜欢引力红移实验。就是说不同的钟,在地球上不同高度,时间流逝的速度都不一样。
果壳网科学人:一百多年过去了,我们是不是比爱因斯坦当年更懂相对论了呢?
徐一鸿:时间过了一百年,我们当然更懂了,很多东西那时候爱因斯坦也不知道。爱因斯坦那时经常会有错误的理解。比如说1916年史瓦西在第一次世界大战的战壕里发现的史瓦西解。
果壳网科学人:相对论还面临一些未解的挑战,所以我们需要发展一个比广义相对论更有解释力的新理论,你觉得这方面哪个领域比较有前途呢?
徐一鸿:大家都知道弦论,但是现在都是没有结果。你很难碰到一个比它更强的理论,但它还是有点没落的样子。我的想法不是正统的想法。当然弦论是正统,我绝对没有反对弦论。我觉得如果一个东西我没有完全懂,我没有在那个方向上做研究工作,我也就没有资格去反对它。
果壳网:广义相对论是一个从美学的角度出发,得到的正确理论,但是有些物理学家认为方程的正确和美没有必然的联系,你同意这样的说法吗?你觉得美在理论物理学中应该处于什么样的地位呢?
徐一鸿:理论物理学是一个很大的主题,我喜欢用基础物理学这个名称。在基础物理学里面的,我觉得“美”跟“真” 绝对是有很大关联的。菲利普·安德森(Philip Anderson,1977年诺奖得主)总是强调没有这种关联,那他是因为研究凝聚态物理学,当然没有必然联系,这种观点我完全不反对。但在基础物理学中,如果最后我得到了一个很丑陋的终极理论,我就会觉得不太对。
果壳网科学人:我看到过一个资料说,爱因斯坦大概在1913年时得到了一个错误的广义相对论方程,大概过了两年左右,才得到了一个正确的方程。现在,我们可以事后诸葛亮地说,如果他当时从数学的美的角度出发,知道广义协变原理要求方程形式协变的话,其实很快就可以得到正确的方程,因为原来的形式是不协变的。
徐一鸿:对。我就奇怪他为什么不用作用量原理推导广义相对论。后来我去写我的书的时候,发现洛伦兹也写过一篇论文,说那个引力的拉格朗日量到底是什么,但是很奇怪洛伦兹他只写一个L,他就没有告诉你L是什么。所以,过了100年你再去看那些论文会觉得很好笑,你会发现基础物理学的研究是多么困难的事情。
果壳网科学人:如果相对论是美的,那么它也许能诞生出其他美的东西。你有看过和宇宙、和相对论相关的印象深刻的电影吗?
徐一鸿:我前两年看过一个电影叫做《万有引力》,后来又看到有一个电影叫《星际穿越》。《星际穿越》,我觉得还很不错,推荐大家看,但里面的情节在物理上是不大对的。
果壳网科学人:威滕(E. Witten)当过你的助教,你在很多场合提到过他。我们想再问一下你对他有什么印象?给我们的读者介绍一下。
徐一鸿:威滕做助教是负责改量子场论的家庭作业。当时的美国(大概中国现在也是这样),有权决定可以收哪个学生做研究生的是一个学术委员会,由各个教师轮流来做。我记得当时委员会一共有6个成员。所以,我在其中做过两年。是我所在的那个学术委员会收威滕做学生。
果壳网科学人:为什么你愿意花很多时间写物理学的科普书。在你看来公众为什么需要了解相对论这么“难”的物理学呢?
徐一鸿:在科学界,做科普是一种传统。
爱因斯坦1915年发表广义相对论之后,他自己也知道这个东西很重要,他要介绍给普通读者,所以他就马上写一本科普书。所以,科普写作是人类文化的一部分。我觉得最好的解释就是,你要看科普书,就好比说你为什么要看文学书,要听音乐。我已经连写了三本教科书,但是在此之前我先写了两本科普。是温伯格建议我这样写的。他说你要想写教科书,就要先写科普书,你写科普书的时候会受到非常好的训练,因为你要把物理学解释给大家听。
果壳网科学人:方便透露一下你最近的写作计划吗?
徐一鸿:下一本书是一本科普书,我准备写为什么科学家要寻求统一理论,这也是爱因斯坦的梦想。所以这本书题目可能就是追寻爱因斯坦的梦想。