首页 » 黑洞与时间弯曲 » 黑洞与时间弯曲全文在线阅读

《黑洞与时间弯曲》物理学定律的本质

关灯直达底部

爱因斯坦狭义相对论的成功是否意味着我们必须完全抛弃牛顿的物理学定律呢?显然不是。在日常生活里,在大多数科学领域和大多数技术应用中,牛顿定律仍然被广泛运用着。我们在计划乘飞机旅行时不会关心时间膨胀;工程师在设计飞机时也不会为长度收缩而焦虑。这类膨胀和收缩太小了,用不着关心。

当然,如果愿意,我们可以在日常生活中运用爱因斯坦的定律,而不用牛顿的。两者对一切物理效应都给出几乎完全一样的预言,因为日常生活中达到的相对速度同光速比起来真是太小了。

只有在相对速度接近光速时,爱因斯坦和牛顿的预言才开始出现严重的分歧。这时,也只有在这时,我们才必须抛弃牛顿而严格忠实于爱因斯坦的预言。

这是一个极普遍的模式的一个例子,在未来的章节里我们还会遇到。这种模式在20世纪的物理学历史上曾反复出现:一组定律(在我们这儿,即牛顿定律)起初被广泛接受,因为它与实验吻合得很好。但是,随着实验越来越精确,起初的那组定律只有在一定的极限范围,即在定律的有效范围内(对牛顿定律而言,就是速度远小于光速的范围)才能较好地成立。然后,物理学家努力从实验和理论去认识在那个有效范围的边界上发生的事情,最后,他们建立一组在边界内、边界附近和边界以外都高度成功的新定律(在牛顿的情形,爱因斯坦的狭义相对论不仅对低速有效,在近光速时也有效)。物理学定律的历史重复着这个过程,在以后的章节,我们还会遇到这样的重复:当引力变得重要时,狭义相对论将失败,取而代之的是一组叫广义相对论的新定律(第2章);在黑洞内部奇点的邻近,广义相对论将失败,取而代之的是一组叫量子引力的新定律(第13章)。

从旧定律到新定律的每一次转变,都有一个令人惊讶的特征:在每种情形下,物理学家(如果他们足够聪明)都不需要靠什么实验指引来告诉他们,旧定律会从哪儿开始崩溃,也就是,有效性的边界在哪里。对牛顿物理学来说,我们已经看到了:麦克斯韦的电动力学定律没有很好地与牛顿物理学的绝对空间相吻合。在绝对空间中(即在以太的参照系中)静止时,麦克斯韦的定律简单而优美——例如,磁力线没有端点。在运动参照系中,它们变得复杂而丑陋——磁力线有时有端点。不过,当参照系以远小于光速的速度在绝对空间中运动时,这种复杂对实验结果的影响是可以忽略的,也就是说,几乎所有的力线都没有端点。只有在速度接近光速时,丑陋的复杂性才会带来容易测量的大影响:会出现许多端点。因此,即使没有迈克尔逊-莫雷实验,也有理由相信,牛顿物理学的有效范围是速度远小于光速,而牛顿定律可能会在速度接近光速时崩溃。

类似地,在第2章我们将看到狭义相对论如何预言自己会在引力出现时失败;而在第13章我们将看到广义相对论如何预言自己会在奇点的邻近失败。

在考虑上面那一系列定律(牛顿物理学、狭义相对论、广义相对论、量子引力)以及类似的一系列主宰物质结构和基本粒子的定律时,大多数物理学家都冲动地相信,这些系列的定律将汇聚成一组终极定律,它才真正主宰宇宙,它迫使宇宙照实际的方式运行,迫使雨水在窗户上凝结,迫使太阳燃烧核子,迫使黑洞在碰撞时产生引力波,等等。

可能会有人反驳说,在那个序列中,每一组定律“看起来”都与它前头的那些定律大不相同(例如,牛顿物理学的绝对时间看来就大不同于狭义相对论中的许多时间流)。“看起来”,这些定律没有任何汇聚的征兆。那么,我们为什么还期待着它们的汇聚呢?答案是,我们必须明确地区分一组定律的预言和这些定律所传达的理性图像(定律“像”什么)。我希望的汇聚只是就预言说的,但那也就是最终有意义的一切。理性的图像(牛顿物理学中的绝对时间,相对论物理学中的许多时间流)对最终的实在的本质来说是不重要的。事实上,我们有可能完全改变一组定律“像”什么,而一点儿也不改变它的预言。在第11章里,我将讨论这个值得注意的事情,会举一些例子,还要解释它对实在的本质有什么意义。

我为什么希望预言意义上的汇聚呢?因为我们所有的证据都指明了这一点。每组定律都比它前头的定律有更大的有效范围:

牛顿定律在日常生活的一切范围内都是成功的,但它不适用于物理学家的粒子加速器,不适用于遥远宇宙的奇异现象,如脉冲星、类星体和黑洞;爱因斯坦的广义相对论定律在我们实验室的各个地方,在遥远宇宙的每一个角落都是成功的,但它在黑洞的深处,在宇宙大爆炸诞生的地方却失败了;量子引力的定律(我们现在还远没有很好地认识)也许会绝对地在任何地方都成功。

在这本书里,我将不加辩解地采纳这个观点:确实存在着一组终极的物理学定律(我们现在还不知道,但也许就是量子引力),它们真正地统治着我们周围的宇宙的各个角落。它们迫使宇宙按它实际的方式运行。如果要说得更准确些,我应该说,我们现在用的定律(如广义相对论)“近似于”真实定律,或者说,它是真实定律的“一种近似描述”。然而,我一般都不提这个限制,也不区分真实定律和我们的近似。在这些情形,我会断言,例如,“广义相对论定律[而不说真实定律]迫使黑洞将光牢牢地抓住,使它不能从黑洞的视界逃脱。”在认识宇宙的奋斗中,我的物理学同行们和我就是这么思考的。这是一种卓有成效的思想方法,为我们带来了关于坍缩的恒星、黑洞、引力波和其他现象的崭新而深刻的认识。

与这种观点对立的是,人们普遍认为,物理学家在同一些理论打交道,这些理论试图描述宇宙,但它们不过是人类的发明,不会对宇宙产生真正的威力。实际上,理论一词包含了太多的试探性和人为的诡辩意味,我将尽可能冋避它。需要的时候,我将在真正主宰宇宙、迫使宇宙以实际方式运行的严格意义上,用物理学定律这个词组来代替它。