时空貌似光滑， 其实却不然。 当我们探索到比原子核还小 10000 亿亿倍的尺度 (被称为普朗克尺度) 上时， 时空也许会显示出

来源: marketreflections 于 2011-09-02 15:21:15 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读： 次 (78832 bytes)

百度贴吧 > 反相吧 > 浏览贴子
吧主： 星空外的黑暗 incinc 别问是劫是缘
快速回复 切换到经典版
贴吧投诉
  • 共有16篇贴子

相对论究竟是对还是错 by 卢昌海

1楼

从伽利略船舱到光子马拉松

- 破坏相对论的可能性及其后果 -

- 卢昌海 -

本文是应《科学画报》杂志约稿而写的有关 Lorentz 破缺的科普。 本文的发表稿有一定删节， 略去了所有注释， 且部分段落经过编辑的修改， 标题也应编辑要求做了更改 (改为了 “相对论究竟是对还是错”)。 在进入正文前， 要提醒读者注意两点： 一是文中提到的 Kostelecký 的理论及《新科学家》杂志的报道在所介绍的领域中并无特殊重要性， 只是由于本文的约稿缘起于它们， 才做了一定篇幅的介绍。 二是本文介绍的是一个前沿领域， 而且因篇幅所限只介绍了该领域的一部分， 其中很多观点或只是一家之说， 或仍在研究之中， 读者请勿视之为成熟结论。
顶

0

2楼

一. 伽利略的船舱 - 从相对性原理到相对论

现代人都知道， 我们脚下的大地并不是静止不动的。 事实上， 在读者们阅读本文标题的短短一秒钟里， 我们脚下的大地已随着地球的自转移动了几百米 (除非你很靠近两极 - 不过那里不见得有互联网)， 随着地球 (绕太阳) 的公转移动了 30 公里， 随着太阳系 (绕银河系中心) 的公转移动了 220 公里。 而我们的银河系也没闲着， 它相对于所谓的宇宙微波背景辐射参照系移动了 550 公里[注一]。 这些运动大多数比火箭还快得多， 我们的祖先却在很长的时间里一无所知， 这是为什么呢？ 这个问题是我们的前辈在接受地球运动这一观念时面临的一大困扰， 也是近代科学的一个启蒙性问题。


伽利略著作的扉页
近代科学的先驱者之一， 意大利物理学家伽利略 (Galileo Galilei) 在名著《关于两大世界体系的对话》(Dialogue concerning the Two Chief World Systems) 中对这一问题作了精彩的分析。 伽利略注意到， 地球运动的观念初看起来有违经验， 其实却不然。 相反， 我们的经验表明， 在一间封闭的船舱里， 哪怕船在运动， 只要运动足够均匀， 我们就无法发现它与处于静止时的任何区别。 如果我们扔一块石头， 往船头和船尾可以扔得一样远； 如果我们观察一只小鸟的飞翔， 它往哪个方向飞也都一样轻松。

3楼

我们现在知道， 伽利略发现并归纳的这一结果 - 即在所有匀速运动的参照系中， 自然现象由相同的规律所支配 - 是一条重要的物理学原理： 相对性原理。 不过在伽利略之后两百多年的时间里， 物理学的发展虽然迅速， 相对性原理却不曾有机会展示它的真正威力。

但是到了十九世纪末， 情况有了变化。 那时候， 物理学家们遇到了一个恼人的问题， 那就是当时最成熟的两类物理学规律 - 力学和电磁学规律 - 似乎不能同时满足相对性原理。 也就是说， 如果力学规律满足相对性原理， 那么电磁学规律就不满足相对性原理， 反过来也一样。 这个 “鱼和熊掌” 的局面让他们深感为难， 考虑到力学规律满足相对性原理是自伽利略以来就被牢牢确立的事情， 物理学家们大都决定舍电磁学而取力学。 但问题是： 如果舍了电磁学， 那就意味着我们能通过在伽利略船舱里做某些电磁学实验， 来分辨轮船的运动。

情况果真如此吗？

还别说， 物理学家们真的做了那样的实验， 他们选择了一条很特殊的大船： 地球。 毫无疑问， 这是一条运动的大船， 这一点在十九世纪末已是凡地球人都知道的常识。 他们做的实验是什么呢？ 是一个测定电磁波速度的实验。 如果电磁学规律不满足相对性原理， 那么电磁波沿不同方向的传播速度就会不一样 - 除非地球恰好是静止的。 实验的结果是什么呢？ 让人大跌眼镜， 地球竟然真的是静止的！ 这下麻烦大了， 难道兜了几个世纪的大圈子， 我们又要重回地心说的年代？

4楼

幸运的是， 这时有位名叫爱因斯坦 (Albert Einstein) 的专利局职员及时作出了一个相反的选择： 舍力学而取电磁学。 这样一来， 所有证明地球静止的电磁学实验就都不再有效， 比方说测定电磁波速度的实验就会象在伽利略船舱中扔石头一样无效。 而我们 - 谢天谢地 - 也就不必重回地心说年代了。 但问题是： 既然舍了力学， 那力学规律该怎么办？ 爱因斯坦的回答很简单， 那就是 “削足适履”。 既然力学规律这只脚放不进相对性原理这只鞋， 那就修改力学规律。 比方说物体的质量原本被认为是常数， 经过修改后就变成了与相对运动有关。 爱因斯坦的这一回答实际上是把相对性原理提升为了一条比电磁学和力学规律都更基本的原理， 由此建立的理论就叫相对论。 相对论在更广阔的背景下再次确立了伽利略的分析， 即在伽利略船舱中所做的任何实验或观测， 都不可能分辨轮船的运动。

在此后一个多世纪的时间里， 得到无数实验验证的相对论成为了现代物理学最坚实的基石之一。 我们描述基本粒子的理论被称为相对论量子场论， 我们描述宇宙的理论被称为广义相对论[注二]， 我们描述日常现象的力学、 电磁学等也全都满足相对论的要求。 而当年的专利局职员则成为了有史以来最伟大的科学家之一。

一切似已尘埃落定。

但是， 物理学家们注定是一群不安分守己的人， 新的探索无论对于他们的好奇心还是职业都是必不可少的。相对论无疑是一座巍峨的高山， 但物理学家们仍然要问： 山的那边还有没有风景？

5楼

二. 时空的秘密 - 破坏相对论的思路

物理学家们之所以要这样问， 当然也有具体的原因。 比方说我们前面提到的两个理论 - 描述基本粒子的相对论量子场论与描述宇宙的广义相对论 - 虽然各自都很成功， 彼此却无法和睦共处。 更糟糕的是， 作为物理理论， 它们又不可能井水不犯河水。 因为在有些场合， 比如在大质量、 高密度的天体附近， 哪怕是基本粒子之间的相互作用， 也必须考虑引力的影响； 又比如在宇宙大爆炸的初期， 整个宇宙都处在微观尺度上， 哪怕是最宏观的性质， 也不能忽略量子效应。 因此， 相对论量子场论与广义相对论必须以某种方式融合到一起， 这是现代物理面临的最棘手的问题之一。

这个问题直到今天依然悬而未决。 有意思的是， 试图将这两个同时满足相对论要求的理论融合到一起的努力， 却为破坏相对论的可能性开启了思路。

其中有一种思路认为问题的根源在于时空貌似光滑， 其实却不然。 当我们探索到比原子核还小 10000 亿亿倍的尺度 (被称为普朗克尺度) 上时， 时空也许会显示出象网格一样的结构。 这就好比一片丝绸， 远远看去很光滑， 拿到放大镜下， 却可以看到密密层层的网格结构。 如果时空真的有那样的网格结构， 那么伽利略船舱中的人只要有足够厉害的 “放大镜”， 就有可能通过观测时空的网格结构， 来判断轮船是否在运动， 从而破坏相对论的要求。

6楼

另一种思路则认为， 时空中有可能存在一种被称为 “背景场” 的东西。 这种东西不是由物质产生， 却能对物质施加影响 (用物理学家们的术语来说， 这是一种非动力学场)， 而且这种影响在不同位置、 不同时刻， 甚至对不同观测者都有可能是不一样的。 如果说时空网格象一片丝绸， 那么这种背景场就象一种流体， 比如水。 在水中， 即便我们无法象观察丝绸网格那样观察水分子， 也依然可以判断物体的运动， 因为我们可以观察水对物体的阻力。 如果时空中真的存在那样的背景场， 那么伽利略船舱中的人就可以通过观察它对普通物体的作用来判断轮船是否在运动， 这同样破坏相对论的要求。

上面这些思路多少有些物理上的缘由， 甚至是某些理论模型的推论。 比如时空的网格结构与一种被称为 “圈量子引力” 的理论不无渊源， 而背景场则可以从所谓的 “超弦理论” 中获得某种支持[注三]。 但破坏相对论这个潘多拉盒子既已打开， 其它可能性也就应运而生了。 比如有一种思路是这样的： 将现实世界的物质全都扔掉， 直接对相对论的数学结构开刀， 由此可以得到一种被称为 “双重狭义相对论” (Doubly Special Relativity) 的理论。 这是一种很大胆的思路， 可惜的是， 迄今没人知道如何将被扔掉的物质重新放回理论中去， 因此这种思路的物理意义起码在目前还是成问题的[注四]。 不过在一个连相对论都被怀疑的研究方向上， 谁又敢说这种思路一定就没有可能呢？ 历史上纯粹源自数学考虑， 却最终获得物理意义的例子毕竟还是有的， 因此这样的思路也有一些人在研究。

7楼

三. 引力的季节 - 破坏相对论的后果

看来破坏相对论的思路不仅有， 而且还不止一条。

既然如此， 那就让我们姑且假定相对论果真被破坏了。 接下来的一个很重要的问题是： 这种破坏会有什么后果？ 我们在上节中看到， 破坏相对论的思路大都与时空的秘密有关， 而时空是引力的源泉， 因此我们可以预期， 破坏相对论的后果之一， 就是使引力发生变化。

比方说， 如果破坏相对论的肇事者是背景场， 就有可能对引力产生影响。 2009 年 3 月， 美国印地安那大学伯明顿分校 (Indiana University in Bloomington) 的物理学家考斯特莱基 (Alan Kostelecký) 等人在著名学术刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters) 上提出了一个这种类型的理论。 一个月后， 总部位于英国的科普周刊《新科学家》(New Scientist) 对这一理论做了报道， 并取了一个诗情画意的标题： 引力的季节 (Gravity's Seasons)， 及一个引人遐想的副标题： 苹果会在春天掉得更快吗？

考斯特莱基的理论其实只是许多类似理论中的一个， 不过《新科学家》的这组标题倒是很形象地扣住了这类理论的一项重要后果。 我们在前面提到过， 背景场能对物质施加影响。 在考斯特莱基的理论及与之类似的其它理论中， 这种影响可以体现在对引力的修正上。 而且这种修正在不同位置、 不同时刻可以是不同的。 由于地球随时都在运动着， 因此在不同季节， 无论是出于时间还是位置的不同， 引力都会有所变化， 而苹果的下落是由引力支配的， 因此下落的速度有可能随季节而变， 这就是《新科学家》那组标题的含义。 当然， 对于普通苹果的下落来说， 这种由 “引力的季节” 造成的差异要远远小于因空气阻力、 风向等普通因素的季节变化造成的差异， 作为科普文章， 这些当然就不必细究了。

8楼

除了苹果在春天有可能掉得更快这样的 “家常” 后果外， 破坏相对论也可能造成一些很严重的问题。 比方说， 相对论中有一条很基本的原理， 叫做光速不变原理[注五]， 它表明光速是一个普适的极限速度。 在很多破坏相对论的理论中， 这条原理不再成立， 不同粒子可以有不同的极限速度。 初看起来， 这似乎没什么大不了。 但 2006 年， 俄国科学院核子研究所的两位物理学家在《物理快报》(Physics Letters) 上发表了一篇文章， 他们在文章中提出， 利用这一结果可以在一类被称为黑洞的天体附近让热量自发地从低温物体传向高温物体[注六]。 这是一个令人吃惊的结果， 因为在自然界中， 热量的自发传输一向是从高温到低温， 而不能相反。 这是一条重要的物理学原理， 叫做热力学第二定律， 违反这一原理的物理过程被称为第二类永动机， 它与违反能量守恒定律的第一类永动机一样， 被认为是不可能实现的。

因此， 破坏相对论的后果并不仅仅是如 “引力的季节” 那样诗情画意， 而是有可能牵一发动全身， 引发多米诺骨牌效应， 导致其它一些很重要的物理学原理也被破坏。 这其实是可以预期的， 因为物理学是一个整体， 她的各个分支之间有着千丝万缕的关联， 她的基础并不是一系列孤立假设的集合， 我们很难在破坏象相对论那样的重要部分时不影响到其它部分。

9楼

四. 光子的马拉松 - 破坏相对论的证据？

以上我们介绍了很多理论上的东西， 在物理学上， 再雄辩的理论也离不开观测与实验的评判。 对于相对论的破坏来说， 它即便存在也极其微弱， 我们该如何去寻找观测与实验的评判呢？ 在当前的条件下， 比较有希望的探索方向主要有两类。

一类是探索微观世界的对称性破缺。 这类探索有一段不短的历史。 在 1957 年以前， 人们曾经以为微观世界充满了对称性， 比方说微观世界的规律可以通过一面镜子去看， 这被称为宇称对称性， 可惜它在 1957 年被证实是破缺的。 不过这一对称性还可以加强， 比如在通过镜子观看的同时把粒子与反粒子对换， 可惜这种加强版的对称性在 1964 也被证实是破缺的。 但这一对称性还有一个终极版， 那就是在通过镜子观看的同时， 不仅把粒子与反粒子对换， 而且让时间倒流。 新近的理论研究表明， 在某些合理的条件下， 这种终极版的对称性与相对论可说是一条绳上的两只蚂蚱， 一旦前者遭到了破坏， 后者也难独善其身[注七]。 按照这一研究， 只要我们能在微观世界里找到任何确凿的现象破坏这种终极对称性， 比如发现任何一个基本粒子的质量、 自旋、 电荷、 衰变方式等性质与反粒子不严格对应， 就等于间接证实了相对论的破坏。 这方面的实验数据可以说是天天都在积累 (虽然目的大都不是为了证实相对论的破坏)， 但迄今没有任何证据显示相对论被破坏。

另一类探索采用的思路更为直接。 我们在上节中提到， 在很多破坏相对论的理论中， 光速不变原理不再成立。 由此导致的结果， 不仅是不同的粒子可以有不同的极限速度， 而且不同能量的光子在真空中的传播速度也会彼此不同 (这被称为真空色散)。 利用这一特点， 我们可以让不同能量的光子进行跑步比赛， 来观察它们的速度是否不同， 进而判断相对论是否被破坏。 不过由于光子的速度实在太快， 彼此的速度差异又即便有也很细微， 要想分出胜负， 比赛必须是马拉松， 而赛场只能是星空。

10楼

2005 年夏天， 天文学家们终于观察到了这样一次马拉松， 一群高能光子从一个编号为 Markarian 501 的遥远的活动星系核出发， 经过 5 亿年的漫长比赛， 抵达了地球。 这群光子是一次伽马射线耀斑 (Gamma ray flare) 的产物， 它们的抵达被位于西班牙西南加那利群岛 (Canary islands) 上的 MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope) 伽马射线望远镜所记录。 在记录中令科学界感到震动的是， 高能 (1.2-10 TeV) 光子的到达时间比低能 (0.25-0.6 TeV) 光子晚了约四分钟， 这与某些破坏相对论的理论的预期大致相符。

那么， 我们是不是可以就此宣布相对论被破坏了呢？ 不能。 因为我们对这场 5 亿年前就起跑的马拉松知道得还太少， 高能光子的到达虽然晚了四分钟， 但它的起跑是否也晚了呢？ 我们却一无所知。

而更有意思的是， 2009 年， 科学家们通过翱翔在外层空间的费米伽马射线太空望远镜 (Fermi Gamma-ray Space Telescope)， 又观测到了一次光子马拉松。 参加这次比赛的光子来自一次伽马射线暴 (Gamma ray burst)， 它的威力比产生前一次马拉松的伽马射线耀斑还要巨大得多， 距离也更遥远 (红移值约为 0.9)。 那些光子经过了数量级为百亿年的漫长跋涉才抵达地球， 这几乎是我们这个宇宙所能提供的最长的赛程。 这赛程是如此之长， 以至于在这次比赛起跑的时候， 不仅我们不存在， 甚至连我们脚下这颗蓝色星球都尚未形成。 与上次不同的是， 这次比赛中高能 (31 GeV) 光子与低能 (<10 keV) 光子几乎同时到达终点 (时间差在几十毫秒到几秒之间， 几乎可以忽略)， 从而不仅没有破坏相对论， 反而几乎给所有破坏相对论的理论下达了死亡通知书

11楼

两次光子马拉松， 一对彼此相反的结果， 我们究竟该相信什么？ 答案恐怕是： 什么都先别相信， 去寻找更多的证据。 著名的美国行星天文学家萨根 (Carl Sagan) 有一句名言： 超常的主张需要超常的证据 (extraordinary claims require extraordinary evidence)[注九]。 破坏相对论的理论无疑是超常的主张， 但那两次光子马拉松却绝非超常的证据 (更不用说它们还彼此矛盾)， 对所有有志于这一领域的研究者来说， 探索的道路还很漫长。

12楼

{现代人都知道， 我们脚下的大地并不是静止不动的。 事实上， 在读者们阅读本文标题的短短一秒钟里， 我们脚下的大地已随着地球的自转移动了几百米 (除非你很靠近两极 - 不过那里不见得有互联网)， 随着地球 (绕太阳) 的公转移动了 30 公里， 随着太阳系 (绕银河系中心) 的公转移动了 220 公里。 而我们的银河系也没闲着， 它相对于所谓的宇宙微波背景辐射参照系移动了 550 公里[注一]。}

从这些话来看，没有绝对静止的物体，也就不可能有爱因斯坦所说的惯性系。

13楼

卢昌海不懂什么是光速不变原理。

14楼

13楼这样的只会见人就丢一句 XXX不懂XXX

15楼

我认为，相对论最大的毛病就在于“光速不变”这个有着玄学味道的所谓的“原理”，实际上，马赫所谓的惯性相对原理也值得商酌，水桶实验的新解不无道理，但他的延拓就太不符实际了。爱因斯坦是马赫的忠实粉丝，所以当迈莫实验被他征引时，他一口气就先否定了以太的存在，那自然的，地球人都会猜到只有“光速不变”可以解释了，可是。。。。。。大家有想过当以太存在时的情形吗？自然，洛伦兹曾提出了收缩效应以使以太和零结果相容，可惜他的想法未免太不符合实际，最后偷鸡不成蚀把米，被爱因斯坦换了个梁就成了相对性效应，你说可笑不可笑。实际上，当以太存在时零结果仍可以完好解释的。我会在最近写一篇论文以说明的----嘿嘿，我才念初中，还望各位多多指教。如果有格物研究所的前辈，更希望多照顾，我实在太爱科学了。我的邮箱是renzhezixuan@yahoo.cn还望大家能帮帮我。

16楼

【情况果真如此吗？
还别说， 物理学家们真的做了那样的实验， 他们选择了一条很特殊的大船： 地球。 毫无疑问， 这是一条运动的大船， 这一点在十九世纪末已是凡地球人都知道的常识。 他们做的实验是什么呢？ 是一个测定电磁波速度的实验。 如果电磁学规律不满足相对性原理， 那么电磁波沿不同方向的传播速度就会不一样 - 除非地球恰好是静止的。 实验的结果是什么呢？ 让人大跌眼镜， 地球竟然真的是静止的！ 这下麻烦大了， 难道兜了几个世纪的大圈子， 我们又要重回地心说的年代？】

这里的事实是地球有它带的电磁场，一切电磁实验都是与地球的电磁场相对静止的情况下进行的。
  • 共有16篇贴子
    • 分享到:
    顶

    0

    发表回复

    内　容:
    本吧发贴，请先 登录 | 注册
        
    Ctrl+Enter快捷发表

    小游戏新增佳作邀您共玩：
    双人逃亡 被诅咒的宝藏
    请您先登陆，再发跟帖！

    发现Adblock插件

    如要继续浏览
    请支持本站 请务必在本站关闭/移除任何Adblock

    关闭Adblock后 请点击

    请参考如何关闭Adblock/Adblock plus

    安装Adblock plus用户请点击浏览器图标
    选择“Disable on www.wenxuecity.com”

    安装Adblock用户请点击图标
    选择“don't run on pages on this domain”