『阿尔伯特·爱因斯坦』爱因斯坦:这个世界上,每个人的位置都是不确定的( 二 )


“这里”究竟指什么
秋季里的一天 , 我和美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校(UCSB)的物理学家唐·马罗尔夫(Don Marolf)坐在他们学校的学生活动中心里 , 惬意地看着窗外的潟湖 , 一边品尝着沙拉 , 一边谈论着引力 。 但等一下——我怎么能确定自己曾经在秋季的那一天坐在UCSB的学生活动中心里呢?定域性原理表明 , 我曾经处于一个位置 , 学生活动中心也有一个位置 , 当这两个位置重合时 , 就说明我在那儿 。 我手机上显示的GPS坐标同活动中心的坐标一致 , 而且日期也同墙上的日历吻合 。 但是 , 这些看似简单明了的步骤却经不住仔细推敲 。 “要想提出有关‘这里’的问题 , 我们首先应该清楚所说的‘这里’是什么意思 , 而这可不是件容易的事 。 ”马罗尔夫说 。
一个显而易见的问题是 , 加利福尼亚州处于活跃的地质构造带上 , 以北美大陆的其他部分及美国的经纬度网格为参照 , 圣巴巴拉分校所在的地壳板块每年会向西北方向移动数英寸 , 所以 , 学生活动中心的位置不是固定的 。 如果几年后我再回到相同的坐标位置 , 就会发现自己坐进了那片潟湖里 。 地图公司必须定期对构造带地区重新测绘 , 来反映出这种移动 。
或许你会提出 , 从空间本身的绝对意义上来看 , 学生活动中心仍然具有特定的位置 。 然而 , 时间和空间不比构造板块更稳定 , 它们也会滑动、起伏、弯曲 。 当一个大质量物体发生变化时 , 会在时空连续体中产生振颤 , 进而重塑时空 。 即使构造板块保持稳定 , 那间咖啡馆的位置或许也会因为时空的变化而改变 。 根据爱因斯坦的广义相对论 , 引力从一个地点传递到另一个地点就是通过这个过程 , 而非牛顿所认为的某种神秘超距作用 。 就像地质上的振颤一样 , 引力“涟漪”也以一个特定的有限速度传播——光速 。
要想了解时空结构的改变 , 我们的思维必须克服抽象概念的障碍 。 时空不像地质地貌那样直观可见 , 我们没法看到它 , 更别说辨别它的形状了 。 不过 , 我们还是能捕捉到一些间接的证据碎片:就像在汽车挡风玻璃上滑过的雨滴的印迹可以显示玻璃的曲率一样 , 空间中自由运动而不被其他东西阻碍的物体也可以描绘空间的形状 。 例如天文学家常常观测的来自遥远恒星的光线 , 它们开始是平行的 , 在经过一团大质量物体(例如太阳)后 , 就变成相互交叉的了 。 教科书和研究文献中通常将这种现象描述为太阳的引力造成“光线弯曲” , 但这并不完全正确:光线其实直得不能再直了 , 太阳真正起到的作用是改变了几何定则——即扭曲了空间——所以平行线才得以交叉 。
时间和空间的变化不仅仅存在于遥远的物理学的“奇异”领域里 , 其实它支配了任何下落物体的运动 。 无论是棒球、酒杯 , 还是贵重的智能手机 , 只要它们从你手中滑落 , 就会向地面加速下坠 , 而这正是源自地球的质量造成的时间弯曲(在这些例子中 , 空间的弯曲只起到了次要作用) 。 之所以向“下”落 , 是由时间流逝更慢的方向决定的 。 位于海平面的时钟要比在德纳利峰(北美洲最高峰 , 位于美国阿拉斯加州)顶上的走得更慢 , 戴在你脚踝上的表要比戴在手腕上的慢些 。 虽然以人类的眼光来看这种偏差很微小 , 最多只有万亿分之一 , 但足以解释坠落物体的加速度 。 你看到一个苹果从树上落下时 , 其实观察到的是它在“滑过”时间的弯曲轮廓 。
相对论的启示
虽然时空形状的改变解释并消除了牛顿理论中的“非定域性” , 但是它又带来了一个新变化 , 这来源于相对论的核心新观念 , 即不存在超离于时空之外的位置 , 没有任何外界的 , 或者说绝对的标准可以用来判定时空 。 这个看似不言自明的论断却有显著的后果:它意味着时空不仅仅会弯曲 , 而且许多我们附加在其上的属性也不复存在 , 包括定义位置的能力 。
马罗尔夫说 , 否认存在“上帝之眼”一般的观察角度是非常微妙的事 , 而且 , 实话说 , 爱因斯坦自己在很长一段时间里都没能理解这点 。 之前关于空间的概念 , 包括牛顿时空观 , 甚至爱因斯坦自己早期的观念 , 都认为它具有固定的几何结构 , 因而让人能够想象自己超然于空间之外 , 然后俯瞰观察它 。 实际上 , 爱因斯坦一度主张必定存在一个绝对的参照点 , 否则空间的形状就会变得模糊不清 。