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物理學定律的本質

愛因斯坦狹義相對論的成功是否意味著我們必須完全拋棄牛頓的物理學定律呢?顯然不是。在日常生活裡,在大多數科學領域和大多數技術應用中,牛頓定律仍然被廣泛運用著。我們在計劃乘飛機旅行時不會關心時間膨脹;工程師在設計飛機時也不會為長度收縮而焦慮。這類膨脹和收縮太小了,用不著關心。

當然,如果願意,我們可以在日常生活中運用愛因斯坦的定律,而不用牛頓的。兩者對一切物理效應都給出幾乎完全一樣的預言,因為日常生活中達到的相對速度同光速比起來真是太小了。

只有在相對速度接近光速時,愛因斯坦和牛頓的預言才開始出現嚴重的分歧。這時,也只有在這時,我們才必須拋棄牛頓而嚴格忠實於愛因斯坦的預言。

這是一個極普遍的模式的一個例子,在未來的章節裡我們還會遇到。這種模式在20世紀的物理學歷史上曾反覆出現:一組定律(在我們這兒,即牛頓定律)起初被廣泛接受,因為它與實驗吻合得很好。但是,隨著實驗越來越精確,起初的那組定律只有在一定的極限範圍,即在定律的有效範圍內(對牛頓定律而言,就是速度遠小於光速的範圍)才能較好地成立。然後,物理學家努力從實驗和理論去認識在那個有效範圍的邊界上發生的事情,最後,他們建立一組在邊界內、邊界附近和邊界以外都高度成功的新定律(在牛頓的情形,愛因斯坦的狹義相對論不僅對低速有效,在近光速時也有效)。物理學定律的歷史重複著這個過程,在以後的章節,我們還會遇到這樣的重複:當引力變得重要時,狹義相對論將失敗,取而代之的是一組叫廣義相對論的新定律(第2章);在黑洞內部奇點的鄰近,廣義相對論將失敗,取而代之的是一組叫量子引力的新定律(第13章)。

從舊定律到新定律的每一次轉變,都有一個令人驚訝的特徵:在每種情形下,物理學家(如果他們足夠聰明)都不需要靠什麼實驗指引來告訴他們,舊定律會從哪兒開始崩潰,也就是,有效性的邊界在哪裡。對牛頓物理學來說,我們已經看到了:麥克斯韋的電動力學定律沒有很好地與牛頓物理學的絕對空間相吻合。在絕對空間中(即在以太的參照系中)靜止時,麥克斯韋的定律簡單而優美——例如,磁力線沒有端點。在運動參照系中,它們變得複雜而醜陋——磁力線有時有端點。不過,當參照系以遠小於光速的速度在絕對空間中運動時,這種複雜對實驗結果的影響是可以忽略的,也就是說,幾乎所有的力線都沒有端點。只有在速度接近光速時,醜陋的複雜性才會帶來容易測量的大影響:會出現許多端點。因此,即使沒有邁克爾遜-莫雷實驗,也有理由相信,牛頓物理學的有效範圍是速度遠小於光速,而牛頓定律可能會在速度接近光速時崩潰。

類似地,在第2章我們將看到狹義相對論如何預言自己會在引力出現時失敗;而在第13章我們將看到廣義相對論如何預言自己會在奇點的鄰近失敗。

在考慮上面那一系列定律(牛頓物理學、狹義相對論、廣義相對論、量子引力)以及類似的一系列主宰物質結構和基本粒子的定律時,大多數物理學家都衝動地相信,這些系列的定律將匯聚成一組終極定律,它才真正主宰宇宙,它迫使宇宙照實際的方式運行,迫使雨水在窗戶上凝結,迫使太陽燃燒核子,迫使黑洞在碰撞時產生引力波,等等。

可能會有人反駁說,在那個序列中,每一組定律「看起來」都與它前頭的那些定律大不相同(例如,牛頓物理學的絕對時間看來就大不同於狹義相對論中的許多時間流)。「看起來」,這些定律沒有任何匯聚的徵兆。那麼,我們為什麼還期待著它們的匯聚呢?答案是,我們必須明確地區分一組定律的預言和這些定律所傳達的理性圖像(定律「像」什麼)。我希望的匯聚只是就預言說的,但那也就是最終有意義的一切。理性的圖像(牛頓物理學中的絕對時間,相對論物理學中的許多時間流)對最終的實在的本質來說是不重要的。事實上,我們有可能完全改變一組定律「像」什麼,而一點兒也不改變它的預言。在第11章裡,我將討論這個值得注意的事情,會舉一些例子,還要解釋它對實在的本質有什麼意義。

我為什麼希望預言意義上的匯聚呢?因為我們所有的證據都指明了這一點。每組定律都比它前頭的定律有更大的有效範圍:

牛頓定律在日常生活的一切範圍內都是成功的,但它不適用於物理學家的粒子加速器,不適用於遙遠宇宙的奇異現象,如脈衝星、類星體和黑洞;愛因斯坦的廣義相對論定律在我們實驗室的各個地方,在遙遠宇宙的每一個角落都是成功的,但它在黑洞的深處,在宇宙大爆炸誕生的地方卻失敗了;量子引力的定律(我們現在還遠沒有很好地認識)也許會絕對地在任何地方都成功。

在這本書裡,我將不加辯解地採納這個觀點:確實存在著一組終極的物理學定律(我們現在還不知道,但也許就是量子引力),它們真正地統治著我們周圍的宇宙的各個角落。它們迫使宇宙按它實際的方式運行。如果要說得更準確些,我應該說,我們現在用的定律(如廣義相對論)「近似於」真實定律,或者說,它是真實定律的「一種近似描述」。然而,我一般都不提這個限制,也不區分真實定律和我們的近似。在這些情形,我會斷言,例如,「廣義相對論定律[而不說真實定律]迫使黑洞將光牢牢地抓住,使它不能從黑洞的視界逃脫。」在認識宇宙的奮鬥中,我的物理學同行們和我就是這麼思考的。這是一種卓有成效的思想方法,為我們帶來了關於坍縮的恆星、黑洞、引力波和其他現象的嶄新而深刻的認識。

與這種觀點對立的是,人們普遍認為,物理學家在同一些理論打交道,這些理論試圖描述宇宙,但它們不過是人類的發明,不會對宇宙產生真正的威力。實際上,理論一詞包含了太多的試探性和人為的詭辯意味,我將盡可能冋避它。需要的時候,我將在真正主宰宇宙、迫使宇宙以實際方式運行的嚴格意義上,用物理學定律這個詞組來代替它。