经历世纪风雨的相对论

刘岩

创立于20世纪之初的物理学两大理论——量子理论和相对论，是20世纪物理学大厦的基石。自爱因斯坦1905年发表描述运动相对性的论文《论动体的电动力学》至今已经过去110年，进入21世纪，相对论依然主宰着物理学的世界。

历经世纪风雨的相对论是否会被一个全新的理论改写？21世纪的物理学是否还会沿着相对论的足迹前行？这些都是新世纪的物理学家思考的问题。

我们不妨将视线转到相对论的本质上来。

一、运动的相对性

伽利略认识到运动都是相对的，没有一个预设的相对静止的参照系，就无法定量描述运动。牛顿为了一组完美的运动定律，放弃了“运动的相对性”这一客观事实，而设定了一个存在于自然界的“绝对参照系”。所有的运动都是相对于这个绝对参照系而言的。牛顿当然知道，他

所谓的绝对参照系在宇宙中是不存在的。但是，为了其运动定律的数学表达尽量简单，他不得不求助于这个事实上并不存在的绝对参照系。由于有了绝对参照系，在牛顿力学中，时间和运动这两个基本的物理量就被分割开来，它们不受任何外界因素的干扰而独立存在。

基于这一设想，牛顿只用了4个方程就完美地描述了一个实在的力学世界。这个力学世界，统治人类的物理学长达两个多世纪。

虽然牛顿的力学世界被欧洲学术界广泛接受，但质疑的声音一直存在。英国唯心主义哲学大师贝克莱就是其中最典型的代表。贝克莱1685年出生于英国基尔肯尼郡，母亲是爱尔兰人。他在《人类知识原理》一书中明确质疑了牛顿的绝对时间—空间—运动理论。后来，马赫等人也对绝对时空观做了哲学上的批判，认为在真实的物理世界中，运动应该是相对的。但是，马赫的批评、质疑是在哲学层面上

展开的，并没有从物理学角度提出符合逻辑的质疑。

法国数学家庞加莱是一个坚定的运动相对论支持者。在他的著作《科学的价值》里，他明确提出了运动相对性这一普适观点，早于爱因斯坦发现时间、质量、速度、尺度这些基本的物理量是会随运动改变而改变的。

但是，他本人是个数学家，物理学的基础不是很好，所以，这些发现仅仅停留在猜想的阶段，他并没有提出一个关于运动相对性的新的物理学框架。

机遇之神降临至爱因斯坦身上。

二、相对论的诞生

1905年，爱因斯坦将自己对运动相对性的认识写成了论文，投给了德国著名物理学刊物《物理年鉴》。当时德国的物理学刊物稿件实行主编负责制，这份期刊的主编是量子理论的提出者普朗克。据说，他在读完爱因斯坦的论文后，长舒一口气，只说了这样一句话：“一个物理学的新纪元开始了。”于是签署意见，同意发表这篇看似结构古怪的论文。

爱因斯坦关于运动相对性的论文发表后，并没有在欧洲大陆的物理学界引发“地震”，相反，在此后近5年的时间里，除了普朗克的几个朋友外，很少有人拜访他。直至1910年初，爱因斯坦才在学术机构找到位置，布拉格大学给他提供了一个教职。

1912年，在普朗克等人的推动下，相对论才逐渐传播开来。而爱因斯坦在欧洲成为科学明星，则是1919年广义相对论被爱丁顿等人证实以后的事。

三、相对论的本质

作为一个物理学的奠基理论，相对论究竟说了什么呢？

在牛顿的“绝对时空”背景下，一个物体不管运动至何处，一旦初始条件确知，那么，它今后在任何位置、任何时间的运动状态都可以被预测。这个预测过程是通过一种简单的线性变换——伽利略变换——实现的。

但是，麦克斯韦发现，光速是个奇怪的精灵，它的存在使得麦克斯韦的电动力学理论无论如何都无法实现在伽利略变换下的对称性。当时在苏格兰就有学者提出，为了保证电动力学和牛顿理论的协调，也就是变换的对称性，一些基本的物理量必须改写，包括时间、尺度等。

但是，这些都仅仅是设想，没有任何坚实的物理学基础。

1905年，爱因斯坦发现，如果将光速定义为自然界的基本物理量——它不随运动的变化而改变，那么，问题就会迎刃而解。

将光速定义为自然界最基本的物理量之后，只要承认牛顿的运动定律在电动力学中仍然有效，则只需通过已知的洛伦兹变换，就可以将牛顿力学理论和电动力学协调起来。

就这样，爱因斯坦的狭义相对论协调了牛顿力学体系和麦克斯韦电动力学体系之间的不对称性。

这种协调带来的直接结果出人意料：虽然在低速运动时，这种“反常识”不被人所感知，但当运动接近光速时，一些奇异的物理学现象就发生了，如尺度明显变小、时间变慢，也就是所谓的时间膨胀。也正因为这些奇异的现象，至今仍有人怀疑狭义相对论的普适性。

狭义相对论普适性的致命缺陷源自这个理论的基石——光速不变原理，或者说，光速是运动的极限的假设。

四、贝尔不等式与相对论

1960年，为了解决物理学中著名的悖论——EPR悖论，英国物理学家贝尔将EPR悖论写成了一组不等式方程，只要在实验上验证贝尔不等式不成立，狭义相对论中光速是运动的极限的问题就可以得出否定的答案。

1978年，美国加州大学伯克利分校的物理学家柯劳瑟提出了验证贝尔不等式的实验方案。1982年，法国巴黎的物理学家阿斯佩也提出了一个实验方案。

通过双光子实验，他们证实了在量子世界中存在粒子之间的量子纠缠，这种相互作用是超距的作用，也就是超速的作用。至此，关于运动的难题又一次摆到了当代物理学家面前。

如果说110年前的相对论只是协调了牛顿运动定律和麦克斯韦电动力学之间的不对称，那么，在20世纪80年代新发现的量子纠缠，则将人类关于运动的理念又向前推进了一大步。在量子世界中，运动不是定域性的，而是非局域性的，这里，运动可以超越空间，更可以超光速，这无疑是对相对论基础的最大冲击。

五、结语

科学的进步总是表现为新的理论替代旧的理论。

经历世纪风雨的相对论，在20世纪80年代发现的量子纠缠现象下，已经暴露出了严重的缺陷。这种新的不对称深层的物理机制是什么，至今仍没有答案。但是，这也正是新世纪物理学新的突破口。

相信一旦量子纠缠现象得到解释，一个超越相对论的新的运动学理论将会出现。