相對論意義上的實(shí)在性

經(jīng)典的牛頓世界觀之所以令人心悅誠服，并不僅僅是因?yàn)樗芤泽@人的精確度描述自然現(xiàn)象，更是由于這種對大自然的描述的細(xì)節(jié)之處——數(shù)學(xué)——是與經(jīng)驗(yàn)緊密相連的。你用力推一個物體，它就會加速。你擲出球時花的力氣越大，球撞墻時所發(fā)生的形變也就越大。當(dāng)你擠壓某個物體時，你也會感覺到那個物體在擠壓你。一個物體的質(zhì)量越大，它所具有的重力也就越大。所有這些都是自然世界的最基本性質(zhì)。當(dāng)你學(xué)習(xí)牛頓的力學(xué)體系時，你會發(fā)現(xiàn)所有的這一切都可由牛頓的方程清晰直觀地表示出來。不同于用水晶球占卜那一套完全無法了解的騙人伎倆，任何一個只受過很少數(shù)學(xué)訓(xùn)練的人都可以掌握牛頓定律。經(jīng)典力學(xué)為人類的直覺提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

引力很早就被牛頓納入其方程之中。但直到19世紀(jì)60年代，電力和磁力才由蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋添加到經(jīng)典物理體系中。麥克斯韋需要使用新的方程來描述電力和磁力，而他所用到的數(shù)學(xué)知識需要更高層次的訓(xùn)練才能完全掌握。由麥克斯韋引入經(jīng)典物理體系中的新的方程在描述電磁現(xiàn)象上恰如牛頓方程在描述運(yùn)動上那樣成功。到了19世紀(jì)末，宇宙的奧秘顯然已不是人類智力的對手了。

事實(shí)上，隨著電與磁的成功統(tǒng)一，科學(xué)家們逐漸產(chǎn)生了一種認(rèn)識：理論物理即將完善。有人提出，物理學(xué)正在飛速地發(fā)展為一門完善的學(xué)科，它的定律不久后就會被雕刻在石碑上。1894年，著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家阿爾伯特·邁克爾遜評論道，“大多數(shù)重要的基本理論已牢固地建立起來”，他引用了一位著名的科學(xué)家的話——大多數(shù)人認(rèn)為這句話是英國物理學(xué)家羅德·開爾文說的——物理學(xué)界剩下的工作只是確定小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字之類的問題。[注釋]1900年，開爾文曾指出物理學(xué)界上空盤旋著兩朵烏云，一個與光的運(yùn)動性質(zhì)有關(guān)，另一個則是物體被加熱時的輻射問題，[注釋]但在當(dāng)時，大家都覺得這些也僅是一些細(xì)節(jié)問題，它們很快就會被解決。

在隨后的10年間，一切都改變了。雖然正如人們所預(yù)料的那樣，開爾文提出的這兩個問題很快被解決了，但是它們的解決卻帶來了更多的故事。每個問題的解決都導(dǎo)致了一場革命，都需要改寫基本自然定律?？臻g、時間和實(shí)在性——幾百年來它們不僅有效運(yùn)轉(zhuǎn)，而且精確地表達(dá)了我們對世界的直覺——將不得不被丟棄了。

1905～1915年，阿爾伯特·愛因斯坦完成了狹義相對論和廣義相對論，掀起了一場解決開爾文第一朵“烏云”的革命（第3章）。在電、磁和光的運(yùn)動的謎團(tuán)中掙扎時，愛因斯坦意識到，經(jīng)典物理學(xué)的基石——牛頓的空間和時間概念出現(xiàn)了狀況。通過1905年春季幾個星期的努力，愛因斯坦提出：空間和時間并不像牛頓認(rèn)為的那樣具有獨(dú)立且絕對的存在性；兩者實(shí)際上以一種與日常經(jīng)驗(yàn)相反的形式相互聯(lián)系。10年之后，愛因斯坦重寫了引力定律，為牛頓定律的棺木敲上了最后一顆釘。這次，愛因斯坦指出空間和時間不僅是一個統(tǒng)一整體的一部分，而且通過自身的蜷曲參與了宇宙演化。空間和時間遠(yuǎn)非如牛頓所想象的那樣具有穩(wěn)固且不可改變的結(jié)構(gòu)；在愛因斯坦的理論中，它們富有彈性并且可以不斷變化。

狹義與廣義相對論是人類最寶貴的成就，愛因斯坦正是利用它超越了牛頓體系中實(shí)在性的概念。即使牛頓的經(jīng)典物理學(xué)在數(shù)學(xué)上看起來與我們所能感知的物理世界相符合，但它所描述的實(shí)在性并不是我們世界的實(shí)在性。我們生活于其中的乃是一個具有相對論意義上的實(shí)在性的世界。但是，由于經(jīng)典物理與相對論物理的實(shí)在性之間的偏離只有在極端的情況下（如在速度和引力非常大時）才非常明顯，因此在大多數(shù)情況下，牛頓理論作為一種近似，仍然具有一定的精確性及有效性。但功用性和實(shí)在性是完全不同的標(biāo)準(zhǔn)。我們將會看到，我們習(xí)以為常的空間和時間的性質(zhì)只不過是錯誤的牛頓式臆想而已。