文/鄭磊

在人類(lèi)研究自然界物理規(guī)律的過(guò)程中，認(rèn)知和理解也是一步步發(fā)展和深入的。很多人學(xué)習(xí)過(guò)的物理學(xué)知識(shí)，其實(shí)只是人類(lèi)肉眼可見(jiàn)物體的物理規(guī)律，可以稱(chēng)作牛頓物理學(xué)。而在我們不借助精密測(cè)量?jī)x器無(wú)法看到的極微小的粒子尺度和極宏大的宇宙尺度上，還有另外兩大物理學(xué)理論體系，分別稱(chēng)作量子物理學(xué)和宇宙物理學(xué)。這些都是建立在牛頓力學(xué)基礎(chǔ)上的現(xiàn)代物理理論，有兩本書(shū)對(duì)三大物理學(xué)體系的關(guān)系做了深入探討，一本是愛(ài)因斯坦和英費(fèi)爾德的《物理學(xué)的進(jìn)化》，另一本是《量子空間》。前一本書(shū)介紹了從機(jī)械觀到相對(duì)論思想的轉(zhuǎn)變過(guò)程，后一本則進(jìn)一步討論了同屬于相對(duì)論世界的量子理論和引力理論如何統(tǒng)一。物理學(xué)家一直有一個(gè)夢(mèng)想，就是構(gòu)建物理學(xué)“巴別塔”，從最微小的粒子尺寸到人眼可見(jiàn)尺度，再到廣闊無(wú)際的宇宙的所有物理現(xiàn)象，都能用這個(gè)統(tǒng)一的理論解釋出來(lái)。然而，創(chuàng)造性地提出了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的偉大物理學(xué)家愛(ài)因斯坦終其一生，也未能如愿。一代代物理學(xué)家仍在為這個(gè)夢(mèng)想努力奮斗。

量子空間

人們有很多思維定式和慣性，比如愛(ài)因斯坦是偉大的物理學(xué)家，大家就自然認(rèn)為他也是杰出的數(shù)學(xué)家，其實(shí)并不是。愛(ài)因斯坦的數(shù)學(xué)并不足夠好，在用數(shù)學(xué)模型構(gòu)建他的相對(duì)論理論時(shí)，遇到了很大困難。他的數(shù)學(xué)老師閔可夫斯基為他提供了數(shù)學(xué)工具，同時(shí)，他也借鑒了黎曼幾何的思想。

我們?cè)诳萍及l(fā)展史上看到很多類(lèi)似“學(xué)渣長(zhǎng)大突然變學(xué)霸”的案例，很多諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)呔褪侨绱?。按照傳統(tǒng)教育標(biāo)準(zhǔn)衡量，他們至少是不夠出色甚至“相當(dāng)差勁”，卻創(chuàng)造了通常意義上的“學(xué)霸”無(wú)法比擬的科學(xué)成就。也許其中一個(gè)重要原因是真正的興趣和執(zhí)著，敢于突破巢穴（也許對(duì)這類(lèi)人才來(lái)說(shuō)，本來(lái)就沒(méi)有這種思維限制）的創(chuàng)新，再加上持之以恒的努力和機(jī)遇。

從可見(jiàn)世界的物理規(guī)律到微觀和宏觀不可見(jiàn)世界，創(chuàng)造力其實(shí)是建立在想象力基礎(chǔ)之上的，采用思想實(shí)驗(yàn)的方法。對(duì)于肉眼可見(jiàn)的物體，實(shí)驗(yàn)室往往能解決問(wèn)題，通過(guò)可見(jiàn)的測(cè)量，人們能很快驗(yàn)證一個(gè)判斷。此時(shí)，物體的大小和速度都非常有限。而當(dāng)要研究的物體尺寸大到星球，小到電子，且速度接近光速時(shí)，一切都得依賴(lài)對(duì)時(shí)間和空間的想象力和邏輯推理方法。時(shí)空的轉(zhuǎn)換在于有速度這個(gè)轉(zhuǎn)換因子存在。我們一般能理解遠(yuǎn)低于光速的速度，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，習(xí)慣把靠近地面的空間想象成平直的，所以，人類(lèi)實(shí)際置身于一個(gè)平直時(shí)空，這限制了人們的認(rèn)知能力，以為一切現(xiàn)象必須符合平直時(shí)空的規(guī)則。

現(xiàn)代物理學(xué)的終極研究對(duì)象并不是具體的物質(zhì)，而是時(shí)空結(jié)構(gòu)。時(shí)空都是相對(duì)的，取決于觀測(cè)者和被觀測(cè)物的尺度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。一般人很難獲得足夠的理解，因?yàn)槲覀儫o(wú)法看見(jiàn)或看清太大（太小）的東西，也無(wú)法形象化描述很多運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。我們唯一了解的只是人眼可見(jiàn)的事物和所在的時(shí)空結(jié)構(gòu)。人們相信眼見(jiàn)為實(shí)，并視之為真相或真理的，只不過(guò)是很少的一部分真實(shí)。

解放思想的重要性在于讓想象力突破眼前和經(jīng)驗(yàn)的限制。當(dāng)我們想象物體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)得出愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的結(jié)論“時(shí)間放緩，空間收縮，質(zhì)量變小，能量變大”；當(dāng)我們想象自己遠(yuǎn)離地球表面，靠近恒星位置時(shí)，廣義相對(duì)論的結(jié)論就顯而易見(jiàn)了：時(shí)空是彎曲的，引力不是牛頓定義的力，引力本身就是一個(gè)時(shí)空。萬(wàn)有引力公式只是一個(gè)近似表達(dá)式，在地球表面（人類(lèi)生活的平直時(shí)空）應(yīng)用時(shí)，具備可以接受的精確度。

量子空間是人類(lèi)憑肉眼和經(jīng)驗(yàn)無(wú)法了解的另一個(gè)世界，是另一種時(shí)空，可能比宇宙彎曲時(shí)空的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。能否找到一種統(tǒng)一的理論，同時(shí)容納量子尺度的時(shí)空和宇宙彎曲時(shí)空，從數(shù)學(xué)角度講，在于這兩種時(shí)空結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)一系列變換進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。物理學(xué)家在構(gòu)建量子引力理論，但是量子尺度上的引力與宇宙星體之間的引力是否具有同樣的性質(zhì)呢？在不同時(shí)空結(jié)構(gòu)里，未必是肯定的答案。好在這種理論創(chuàng)新的探索并非天馬行空，物理學(xué)之所以被稱(chēng)作科學(xué)，就在于其思想成果是可以驗(yàn)證的，比如愛(ài)因斯坦通過(guò)思想實(shí)驗(yàn)提出的質(zhì)量能量轉(zhuǎn)化和星光彎曲現(xiàn)象，不僅被粒子物理和天文學(xué)實(shí)驗(yàn)者觀察到了，而且在預(yù)測(cè)的量級(jí)上能夠精確吻合。人們可能找不到一個(gè)囊括宇宙萬(wàn)物的方程式，但是通過(guò)發(fā)揮創(chuàng)造力，最終能夠揭開(kāi)宇宙的奧秘。