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關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)，沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

撰文 | 保羅·戴維斯（Paul Davies）

翻譯 | 柏江竹

很多人害怕坐飛機(jī)，尤其在起飛時(shí)會(huì)感到很緊張。而我面臨的問(wèn)題與他們不盡相同：我的壓力來(lái)源于擔(dān)心錯(cuò)過(guò)航班，哪怕及時(shí)上了飛機(jī)，我也會(huì)在臨近起飛時(shí)因緊張過(guò)度而陷入沉睡，半小時(shí)后醒來(lái)的我常常搞不清楚飛機(jī)是仍然停在跑道上還是已經(jīng)在飛往洛杉磯的途中。

關(guān)鍵問(wèn)題是，我們無(wú)法在飛機(jī)內(nèi)部判斷飛機(jī)是否在移動(dòng)。當(dāng)然，如果飛機(jī)正處于爬升或下降階段，就很容易感覺(jué)出來(lái)；但當(dāng)它在空中平穩(wěn)地飛行時(shí)，這種運(yùn)動(dòng)是很難被察覺(jué)出來(lái)的。伽利略是第一個(gè)明確提出這一問(wèn)題的人，并指出只能在有參照物的情況下對(duì)均勻的速度進(jìn)行測(cè)量。例如，汽車(chē)儀表盤(pán)上顯示的速度是汽車(chē)相對(duì)于道路的運(yùn)動(dòng)速度，飛機(jī)的速度是它相對(duì)于地面或空氣的運(yùn)動(dòng)速度。

雖然物理學(xué)家很早以前就已經(jīng)確定勻速運(yùn)動(dòng)只是相對(duì)的，但仍有一些人想知道，當(dāng)?shù)厍蚶@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)并隨之在銀河系中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度有多快。我們感覺(jué)不到這種運(yùn)動(dòng)，但我們的確在空間中穿行，這意味著如果以我們自身為參照物，空間正在不斷地穿過(guò)我們的身體，我們卻意識(shí)不到這一點(diǎn)。那么，空間的運(yùn)動(dòng)速度是多少呢？每秒有多少升空間在我們毫無(wú)察覺(jué)的情況下穿過(guò)了我們的身體？在伽利略指出參照物的問(wèn)題之后，人們認(rèn)識(shí)到似乎沒(méi)有任何物質(zhì)設(shè)備能對(duì)空間的勻速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量， 我們甚至無(wú)法將手伸入周遭的虛空去探測(cè)空間掠過(guò)時(shí)的“氣流”。那么，有沒(méi)有什么非物質(zhì)的測(cè)量方法呢？

19 世紀(jì)末，一種新的可能性出現(xiàn)了：也許我們可以借助光來(lái)測(cè)量地球在空間中的運(yùn)動(dòng)速度？當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家想象空間中充滿(mǎn)了一種幽靈般的果凍狀物質(zhì)，并稱(chēng)之為“以太”，他們把光波看作以太中以特定速度（光速）傳播的振動(dòng)。物理學(xué)家發(fā)明了各式各樣的光學(xué)儀器，試圖測(cè)量地球在以太中的運(yùn)動(dòng)速度。經(jīng)過(guò)幾年的努力，他們得出的結(jié)果竟然是0。這一結(jié)果表明，地球在空間（以太）中根本就沒(méi)有移動(dòng)！這顯然是講不通的。伽利略的勻速運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理和光以固定速度傳播的理論之間存在著明顯的矛盾，必須有人站出來(lái)對(duì)空間、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)以及光的性質(zhì)重新進(jìn)行評(píng)估。愛(ài)因斯坦接受了這 個(gè)挑戰(zhàn)，并在1905 年發(fā)表了他的第一篇有關(guān)相對(duì)論的著名論文后聲名鵲起。愛(ài)因斯坦駁斥了以太的概念，宣稱(chēng)光速恒定不變，但測(cè)量光速的觀察者處于運(yùn)動(dòng)之中。與此同時(shí)，他重申了伽利略的立場(chǎng)，認(rèn)定勻速運(yùn)動(dòng)總是相對(duì)于其他物體而言的。他指出，探究物體相對(duì)于空間的運(yùn)動(dòng)速度非但是不可能完成的任務(wù)，而且毫無(wú)意義。

這一切都很順利，但對(duì)非勻速運(yùn)動(dòng)（存在加速度的運(yùn)動(dòng)）而言，情況又如何呢？我們可以毫不費(fèi)力地測(cè)量這種運(yùn)動(dòng)，比如，如果我的咖啡因?yàn)轱w機(jī)遇上氣流而潑灑出來(lái)，我無(wú)須看向舷窗外就能感知到飛機(jī)在空中的勻速運(yùn)動(dòng)受到了干擾。加速度就是速度的變化，我們可以感知到它的發(fā)生。如果你在開(kāi)車(chē)的時(shí)候猛踩剎車(chē)，你的身體就會(huì)向前傾斜；如果你猛拉一把方向盤(pán)，你的身體就會(huì)狼狽地撞在車(chē)門(mén)上。這兩個(gè)都是加速度的例證，前者是速率的改變，后者則是方向的改變。

以固定不變的速度旋轉(zhuǎn)也會(huì)產(chǎn)生加速度，牛頓舉過(guò)一個(gè)相關(guān)的例子：水在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的桶中會(huì)形成旋渦，中間低、四周高。我們通常將這個(gè)現(xiàn)象歸因于離心力。要回答“水桶是否在旋轉(zhuǎn)？”的問(wèn)題，只需觀察水面是否平靜就能立刻得到答案，而無(wú)須確認(rèn)它是否存在相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)例子讓牛頓想到，轉(zhuǎn)動(dòng)和加速運(yùn)動(dòng)并不需要以其他物質(zhì)系統(tǒng)為參照物就能進(jìn)行測(cè)量，這些運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的。一言以蔽之，加速度是相對(duì)于絕對(duì)空間（absolute space）本身的。

但并非人人都同意他的觀點(diǎn)，直到20世紀(jì)還有一些科學(xué)家認(rèn)為，哪怕是轉(zhuǎn)動(dòng)，我們也必須將其理解為相對(duì)運(yùn)動(dòng)。那么，參照物是什么呢？以前的物理學(xué)家常會(huì)說(shuō)是相對(duì)于“固定的恒星”。然而，恒星并不是永恒不變的，它們只是距離我們太遠(yuǎn)了，以至于我們忽略了它們的運(yùn)動(dòng)。也許更好的說(shuō)法是：轉(zhuǎn)動(dòng)是相對(duì)于宇宙中的遙遠(yuǎn)天體而言的。為了更好地理解這句話(huà)，你可以想象自己正閉著眼睛坐在游樂(lè)場(chǎng)的大擺錘上，并隨之以非?？斓乃俣绒D(zhuǎn)著圈?，F(xiàn)在睜開(kāi)眼睛向上看，你會(huì)看到什么？你看見(jiàn)了旋轉(zhuǎn)的恒星。當(dāng)恒星停止旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，你就會(huì)知道這趟大擺錘冒險(xiǎn)之旅終于結(jié)束了，趕緊解開(kāi)安全帶下來(lái)吧！

這種日常生活中的體驗(yàn)讓一些人將遙遠(yuǎn)的恒星視為加速度的體驗(yàn)感的來(lái)源，其中最著名的就是奧地利物理學(xué)家、哲學(xué)家恩斯特·馬赫。沒(méi)錯(cuò)，那個(gè)用于描述飛機(jī)速度的單位就是以他的名字命名的。馬赫說(shuō)，你之所以會(huì)在游樂(lè)場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)座椅上感覺(jué)到自己被拉向座椅的邊緣，或在電梯突然下降時(shí)感覺(jué)到胃里翻江倒海，都是因?yàn)楹阈窃跔坷?。這是一個(gè)令人入迷的理論，現(xiàn)在我們稱(chēng)之為馬赫原理。很多人都對(duì)它十分追捧，其中就包括愛(ài)因斯坦，他認(rèn)為并非只有勻速運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，所有運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的。愛(ài)因斯坦希望能將馬赫原理融入他的廣義相對(duì)論，他認(rèn)為所有遙遠(yuǎn)的恒星和星系的作用加在一起會(huì)在局部產(chǎn)生可探測(cè)的效應(yīng)，離心力就是其中一種。

有史以來(lái)最美的理論

廣義相對(duì)論被譽(yù)為人類(lèi)智力的最高成就，它既是一個(gè)科學(xué)理論，也是一件精美絕倫的藝術(shù)品。它用一系列方程巧妙地將空間、時(shí)間、物質(zhì)和力結(jié)合在一起。與許多自下而上的物理理論不同，廣義相對(duì)論源于一些極為宏大的原理，比如，所有物理性質(zhì)必須從用于描述它們的指標(biāo)中獨(dú)立出來(lái)。物體的幾何結(jié)構(gòu)是由空間中物質(zhì)和能量的排列方式?jīng)Q定的。牛頓提出的引力并不是一種具體的東西，真實(shí)存在的只有不斷演化、永不停歇的幾何結(jié)構(gòu)，物質(zhì)在其中翻騰，光穿行其間。牛頓的稍顯呆板的“絕對(duì)虛空”（immutable void）概念被空間的概念取代：空間是一種充滿(mǎn)活力的動(dòng)態(tài)實(shí)體，它可以伸展、收縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、脈動(dòng)和震顫，并且會(huì)以振動(dòng)的形式將能量傳遞的波動(dòng)以光速向全宇宙?zhèn)鞑ァV義相對(duì)論到目前為止是無(wú)懈可擊的，即使在愛(ài)因斯坦創(chuàng)建這一杰出理論100年后的今天，也沒(méi)有出現(xiàn)任何與之相矛盾的觀測(cè)結(jié)果。

很遺憾，這項(xiàng)工作最終沒(méi)有成功。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)，如果一顆行星在真空中自轉(zhuǎn)，即便我們不參照任何“固定的恒星”來(lái)測(cè)量它的運(yùn)動(dòng)，它的赤道也會(huì)像地球一樣因自轉(zhuǎn)而隆起。愛(ài)因斯坦的理論是截至目前對(duì)引力最確切的描述，在轉(zhuǎn)動(dòng)的問(wèn)題上，它證實(shí)了牛頓的觀點(diǎn)，即轉(zhuǎn)動(dòng)是絕對(duì)的而不是相對(duì)的。雖然我們無(wú)法就空間的速度進(jìn)行有意義的討論，但討論真空中物體的加速度仍然是有價(jià)值的。

然而，這還不是這個(gè)問(wèn)題的全貌。一些物理學(xué)家和宇宙學(xué)家正在嘗試修補(bǔ)馬赫原理的一些更微妙的方程式，這一難題目前尚未解決。事實(shí)上，我的許多同事有時(shí)會(huì)像牛頓那樣將空間想象成某種東西，有時(shí)又會(huì)將空間視為一片虛無(wú)。馬赫原理的魅力在于，它將人類(lèi)的日常生活（比如跟隨大擺錘體驗(yàn)旋轉(zhuǎn)的感覺(jué)）和宇宙的結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起。詩(shī)人弗朗西斯·湯普森用詩(shī)句贊頌了這種美好的關(guān)聯(lián)：

萬(wàn)物神創(chuàng)，

或近或遠(yuǎn)；

朦朧神秘，

彼此相連；

一花既拈，

萬(wàn)星睒閃。

作者簡(jiǎn)介

理論物理學(xué)家、天體生物學(xué)家保羅·戴維斯（Paul Davies，1946-）是亞利桑那州立大學(xué)科學(xué)基本概念超越中心主任，主持搜尋地外文明計(jì)劃（SETI）后探測(cè)任務(wù)小組。他也是科學(xué)作家，撰寫(xiě)20余本著作，包括God and the New Physics, The Mind of God, The Last Three Minutes, About Time: Einstein's Unfinished Revolution, How to Build a Time Machine等。

本文經(jīng)授權(quán)摘自《誰(shuí)會(huì)吃掉我們的宇宙》（中信出版社·鸚鵡螺）第七章。

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