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第二部分 理解外部空間 第3章一九一五年

物理學研究的一個優點就是當觀察與理論不符時,大多數時候我們首先覺得肯定是觀察的錯。然後我們試圖重複實驗,如果實驗不為所動地重複給出錯誤答案,我們就會查查看,有沒有某個不知名的人,曾經碰巧利用另一種理論預見過這種結果。如果答案還是否定的,基本上我們可以認為對於自然界的這種行為我們目前沒有任何解釋。最保險的辦法就是嘗試一切可能。顯然,這個「一切可能」包含最瘋狂的想法,我不得不承認,這是一件很好玩的事。我們在後面會看到,我們提出了各種現代理論來解釋我們的宇宙如何誕生,這些理論完全可以與最佳「科幻小說」媲美(如同天文學家、拉德羅男爵馬丁·裡斯所說,好的科幻小說勝過差的科學研究)。

通常情況下,那些想法完全錯誤。但沒有關係,重要的是探索,並看看結果如何。至今為止,這種方法的效果相當不錯。

牛頓的公式已經使用了兩百多年,沒有任何問題,公平地說,水星的例子對大多數人的生活沒有什麼影響。但是,有一個科學家提出了一個完全瘋狂的想法來解釋引力。想像一下在太空裡,有一個太陽,和一個繞著它旋轉的水星,不用管其他任何東西。整個宇宙裡就這兩樣東西。一個小小的石頭行星繞著巨大的發著光的太陽轉動,其餘就只剩下虛空。

現在,拿走水星。再拿走太陽。

(提醒一下:現在宇宙裡什麼都沒有了。)

如果引力來自「什麼也沒有」,也就是說,來自宇宙的基本構造(不管所指何物),會是什麼情況?

如果的確如此的話會有什麼後果,讓我們先把太陽放回去想想。如果我們可以先假設宇宙的構造是可塑的,那麼太陽對它最簡單的影響就是讓它彎曲。這是怎麼樣的情景?讓我們想像一個很重的球被放在一張被拉緊了的橡皮膜上。橡皮膜會在球的周圍向下彎曲。如果你在橡皮膜上塗上肥皂,任何在橡皮膜上行走的東西——比如說,一隻螞蟻——如果走到彎曲的部分,就會滑向那只球,向下滑。對於那只螞蟻來說,這種效果就如同引力。

顯然,如果恆星與行星都在一張塗滿肥皂的橡皮膜上,我估計我們早就注意到了。因此,宇宙的構造不可能真是一張水平實在的橡皮膜。但是,它或許是一個3D,甚至4D不可見的膜呢?先不管這充滿空間的巨大的膜是用什麼做的,為什麼不能想像它會在其包含的物體周圍彎曲呢?當然,不只是在一個平面上,而是在所有方向,就像一隻浸在海洋裡的球令周圍的水彎曲。

仔細考慮一下這種想法,引力就僅僅是這種彎曲的結果,當一個人跌落時,並不是有一個往下拉的力讓他跌落,而是他沿著宇宙構造中一個不可見的斜坡滑行而已(直到他撞到地上或其他類似地方阻止了他進一步跌落)。

一個瘋狂的想法,是的,但是,無論如何,試試又有什麼關係?在這樣的宇宙裡物體是如何運動的呢?

對除了水星之外的所有行星,使用這種「彎曲」理論進行幾何計算的結果與牛頓公式給出的完全相同。這讓人既興奮又放心。那水星怎麼樣?

那個想出這種瘋狂的「彎曲」理論的人發現,在他的宇宙中,水星那被壓扁的圓環軌道會繞著太陽轉動。多快呢?大概是一秒鐘角度的五百分之一,每一百年。不可思議。牛頓死後一百五十多年裡,沒有人能夠解決的問題,他解決了。他是對的。突然之間,引力不再神秘了。引力原來是宇宙的構造被它所含的物體彎曲所引起的。牛頓沒有看到這些。在此之前,沒有人看出來,直到今天,我們依然在試圖瞭解這種看法帶來的各種後果。

史蒂芬·霍金常常說:「我不會拿發現的快感與性快感比較,但它持續得更長。」看一眼這個解決水星問題的人的照片,你就會同意霍金的話。

他的名字叫阿爾伯特·愛因斯坦,我們剛才介紹的理論——那個將物質與宇宙的局部幾何聯繫起來並用以解釋引力本質的理論,被稱為廣義相對論。

此理論首次發表於一九一五年,一百年以前。科學家們花了一些時間才意識到愛因斯坦捎帶著改變了我們對所有事物的看法。與在他之前的人們所相信的相反,他發現了我們的宇宙不僅可能有形狀,而且這個形狀還是動態的,也就是說會隨著時間而變化。當恆星、行星以及其他一切東西運動時,它們在我們宇宙構造中造成的彎曲也隨之改變。適用於這些物體周圍的規律同樣適用於整個宇宙。換句話說,雖然愛因斯坦自己並不相信,但他發現了我們的宇宙會隨時間而變化,它有未來。如果某個東西有未來,它就應該有過去,有歷史,甚至有開端。

在愛因斯坦之前,根據牛頓看來,我們的宇宙一直「如此」。現在我們知道它並非如此,至少不是如我們所經歷的方式。我們已經知道這個事實一百年了。所以,就從知識上來說,我們所生活其中的宇宙,我們的宇宙,才一百歲。