2

爱因斯坦，御光飞行者

1、狭义相对论，光速恒定⇒ E＝mc2

我们赞美阳光！它不仅孕育了的生命，同时也照亮了人类的思想。爱因斯坦，是那个御光飞行、穿越时空的人。

爱因斯坦小时候，常以简单问题自问自答：“如果你追上一束光线，它看起来是什么样子？你会不会看到一束静止的光波，冻结在时间中？”这个问题，让他在后五十年里，带领人类走进了时空神秘之旅。

十六岁时，爱因斯坦发现世界上似乎并没有能够追上光速的东西。二十六岁时，他用严密的数学证明了这一发现。在瑞士专利局担任低阶职员的他，用麦克斯韦尔的场方程式推导出狭义相对论（special relativity）。

用一句话概括狭义相对论，那就是：光速在任何恒动架构里恒为常数。这个定理表面上看并不显眼，但确是人类心灵的最伟大成就之一！

爱因斯坦指出，无论我们怎样加速，无论我们自身的速度如何，人们所能测量的光速是一样的。

对于这一结论，爱因斯坦给出了超脱凡俗的解释，他认为：导致这个结果的原因是：时间变慢了！（这是石破天惊的一句）也就是说，我们移动的越快，我们的时钟就走得越慢，我们的量尺也越短，所以，我们测量的光速是不变的。

爱因斯坦进一步思考：那么，几乎所有的物体都必须使用时钟与量尺来测量，既然时间和量尺都是变化的，所以我们必须校正所有的物理量（quantity），于是他导出了下一个重大的结论：质量是从能量来的。

这个结论，一举推翻了十九世纪的两大物理发现：质量守恒和能量守恒。自此以后，质量与能量被视为单一单位：质-能（matter-energy）。

二十六岁的爱因斯坦同时给出了质能变动的方程式，那就是著名的 E＝mc2。

让我们再来追寻一下狭义相对论的推导过程：

光速恒定⇒时间变慢⇒质量不恒定⇒“质量-能量”相互转换⇒ E＝mc2

狭义相对论，统一了“时-空”，也统一了“质-能”。

统一了“时-空”以及“质-能”之后的爱因斯坦，进一步思考“时空”与“质能”之间的关系，也就是狭义相对论所忽略的加速度，还有重力。

这关乎了他的下一个巨大成就：广义相对论。

2、广义相对论，空间是弯曲的⇒力学＝几何学

再次，爱因斯坦由一个简单问题开始：“如果一个人处于自由落体状态，他就不会感觉到自己的体重？”爱因斯坦透过这个简单问题掌握了重力的基本特性：在加速度架构下的自然律和重力场的定律是一样的。这就是所谓等效原理（equivalence principle）。

透过等效原理，爱因斯坦重新思考关于光速的问题：光速会受重力影响吗？答案是肯定的，重力场会扭曲光线的行进路线。

但是！但是，根据费玛最短时间原理，光线会采取两点之间的最短时间路径，爱因斯坦再次得出一个令人震慑的结论：如果我们可以观测到光线以曲线前进，那就意味着空间本身是弯曲的！（光以曲线前进这一预测，已经被后人的无数次实验反复证明。）

伟大的爱因斯坦进一步得出结论：质能的存在造成周围时空的弯曲。

我们前面讲过，数学家黎曼早在一八五四年就提出了作用力与空间弯曲的关系，并提出了重力场论。爱因斯坦利用黎曼的研究成果，用数学形式表达了他自己的物理学新发现，这就是广义相对论（general relativity）。

让我们再来追寻一下广义相对论的推导过程：

光线以曲线前进＋光线走两点间最短时间路径⇒空间是弯曲的⇒“质-能”造成“时-空”弯曲⇒力学＝几何学

爱因斯坦的伟大，止步于他的第三次尝试！

在狭义和广义相对论之后，他终其一生研究统一场论（unified field theory ），简单说，就是试图寻找一个公式，能够同时描述光与重力。可惜，他最终没有成功。

对这一问题给出答案的，是Theodor Kaluza和Oskar Klein两位科学家，他们的理论我们称之为“克鲁查-克莱因理论”，简单说，这个理论就是：在五维空间里，将光与重力的理论统一了起来。

可是，第五维到底在哪里？克鲁查说：第五维已经崩解成一个圆圈，它的体积实在太小了，连原子都装不下，因而也无法测量。一九二六年，克莱因甚至计算出第五维的尺寸只有10E－33公分（10的负33次方），而探测如此微小距离所需要的能量也就是是所谓蒲朗克能量（Planck energy），相当于10E 20亿电子伏特，百万兆倍于质子蕴藏的能量。

克鲁查-克莱因理论在当时并未收到广泛关注和普遍认同，领一时风气之先的是另一套全新的理论：量子力学（quantum mechanics）。

3

原子物理学家们的一系列发现

1、量子力学，整合了三种自然相互作用力

一九二五年，以薛丁格（Erwin Schrödinger）和海森堡（Werner Heisenberg）为代表的一组科学家，已经对原子运动给出了几近完整的数学描述，我们称之为量子力学。

这是一套与黎曼、爱因斯坦学说迥异的解释自然力的理论，它的主要理论观点包括：

1、作用力是由于不连续的能量包交换而产生（也就是量子：quanta）；

2、不同的作用力的产生来自于不同量子的交换；

3、我们永远无法同时知道次原子粒子的速度及其位置；

这就是著名的海森堡测不准定理，这个听起来不怎么靠谱的定理，却是半个世纪以来最经得起任何实验挑战的一个定理，至今，还没有任何一个实验结果违背了这一条定理。所谓次原子粒子：就是比原子还要微小的粒子。海森堡测不准定律在哲学上的意义在于，它从物质构成的最底层，将所有事物的产生和构成，都解释为机率的一个表现，而不是一个必然的结果！换句话说，就是没有所谓客观存在，也没有所谓必然结果。这一条，彻底撼动了唯物主义的基石。

4、粒子有可能以有限机率进行穿隧或量子跳跃，并穿越不可浸透的障碍物。

听起来各种不靠谱是吗？但是！这个理论不仅反复被实验证明，而且人们甚至根据该理论制造出了隧道二极管（tunnel diode，或称江崎二极管）。

量子力学以光子（也就是光的量子）为例，认为弱作用力和强作用力是源于能量量子的交换，并称之为“杨－米场”，这是杨振宁和他的学生米尔斯于一九五四年发现的理论。到一九七O年代，杨－米场已经可以解开所有核子物质的秘密，可以解释有关于次原子粒子的任何实验数据。在解释电子与光的交互作用时，其精确度达到千万分之一，号称是有史以来最精确的理论！科学界对这个理论如此有信心，以至于称之为“标准模型”（Standard Model）。

量子力学经过五十年的发展，成功地整合了四种自然作用力的三种：强作用力＋弱作用力＋电磁力。但是，包括杨振宁本人在内的许多科学家都认为，标准模型一定不是最终的大一统理论，主要原因是该模型并不包括重力！

历史地看，可以这么说：量子力学只是根据次原子粒子的部分外表特性做了整理，却未对它们的来源做出任何说明。

2、超重力论，在十一维空间统合四种作用力

统合量子理论和重力，以创造出一个“万有理论”（Theory of Everything），这个问题挫折了二十世纪最聪明的心智，包括爱因斯坦、海森堡等等一众科学界的巨擎和大碗，但均不可得。

一九七六年，纽约州立大学石溪分校的三位物理学家写下了超重力理论。简单说，这个理论对黎曼的“度量张量”模型进行研究，几乎实现了爱因斯坦统合已知作用力的梦想。

他们发现，在一个十一维的度量张量模型里，包含了自然界里几乎所有的粒子与作用力：爱因斯坦的重力理论、杨－米场与麦克斯韦尔场、还有夸克与轻子。如图所示：

（图中的括弧，代表一个十一维的黎曼度量张量场。如果把它简化成四维，就是爱因斯坦的重力场；提高它的维度数，我们就可以推导出麦克斯韦尔方程组和标准化模型；最终，在十一维度，统合了代表四种作用力的所有方程组。）

超重力理论虽然在模型上统合了四种作用力，但它的缺陷在于在很多关键节点上没有具体量化的数学模型和公式。所以只能成为迈向宇宙统一理论慢慢征途上的一块铺路石。新的，也是最强大有力的物理学计划已经登场，它就是：超弦理论（Superstring Theory）。

3、超弦，统合所有作用力和自然律

一九六八年，超弦理论被意外发现。当时，两位年轻的理论物理学家在欧洲核子研究中心（CERN）意外发现十九世纪数学家尤拉完成的尤拉贝塔函数（Euler beta funcation）竟然符合几乎所有描述基本粒子强交互作用所需的全部特质。

什么是弦论呢？爱因斯坦在后半生中，一直在寻找统一场论，即一个能在单独的包罗万象的数学框架下描写自然界所有力的理论。他渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘，由此而展示的自然界的动人美丽和优雅。

如今，相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架，有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体：一个单一的理论，一个能描述一切现象的理论，这就是弦论。它正在实现当年爱因斯坦满怀热情追求的统一理论的理想。

弦论可以用来描述引力和所有基本粒子。它的一个基本观点就是自然界的基本单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子，实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式，正如小提琴上的弦。

弦理论中的宇宙弦(我们把弦论中的弦称作超弦,以免与普通的弦混淆)可以作某些模式的振动。每种振动模式都对应有特殊的共振频率和波长。所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等，都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。

每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位，即普朗克长度（10E -33厘米）。弦实在是太细微了，从远处观察，我们实在无法区分它究竟是弦的共振还是粒子。只有当我们把粒子放大，我们才能看出那根本不是一个点状粒子，而是一种振动弦。按照超弦理论，粒子并非是宇宙的基本元素，物理定律就相当于琴弦的合音定律。弦论博大精深，可以解释所有的自然基本定律。

简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海，那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐！甚至包含生命复杂信息和编码的去氧核糖核酸（DNA）分子，也是类似弦的结构。弦，是能够储存大量数据的最精简的方式之一。

超弦理论，以及在其基础上发展起来的弦场理论，统合了所有的自然律和作用力，菲尔兹奖章（诺贝尔奖没有设立数学奖，菲尔兹是数学界的最高奖项）获得者维藤说：“所有物理学上的伟大思想，都是超弦理论的副产品。”