Friday, June 21, 2013

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得G=8仃 有一个“戈尔迪之结”呢

爱因斯坦与相对论体系
 
郭汉英
一
 
、爱因斯坦和他的奇迹



爱因斯坦取得巨大成功。是自然科学史上最伟

大的学者。

l879年诞生在德国的一个小城的爱因斯坦.儿

时几乎令家人失望。4岁才咿呀学语,几年后还是磕

磕绊绊、举止迟钝,因而深受母爱,自幼练习小提琴,
 
与其结为“终身伴侣”。在学校,他的“笨拙”倍受讥

讽;他对死记硬背的形式课程毫无兴趣,甚至被学校

除名。他喜爱数学和物理,不断在书海中寻求、思索,

深受智慧和哲理的熏陶。l8岁高考落榜,一年后才

被录取,主修物理。他落拓不羁、独立思考、蔑视权
 
威,几乎把精力全花在阅读和实验室。1900年,在教

授不满中毕业:一毕业就失业的他,虽然张贴广告试
 
图靠讲授数学与物理谋生,却开始进行科研。1901
 
年取得瑞士国籍,次年才被伯尔尼瑞士专利局录用。

1905年.不被人看好的爱因斯坦创造了奇迹。年仅
 
26岁的他,在三个领域发表了几篇奠基之作。他的
 
狭义相对论和光量子论,推动了物理学在两个方面

的巨大变革;质能关系是两弹和原子能利用的基础;
 
有关布朗运动的工作论证了原子的存在。不仅如此,
 
他的奇迹一直持续多年。

爱因斯坦奇迹的出现并不是偶然的。上个世纪
 
之交.物理学面临空前挑战:例如,黑体辐射光谱与
 
理论全然矛盾,“以太漂移”实验的零结果和牛顿的
 
绝对空间和绝对时间观念尖锐冲突等等。普朗克在
 
1900年大胆提出量子说,假定作用量子不是连续的
 
而是离散的,以解释黑体辐射谱。爱因斯坦的光量子
 
说把普朗克量子说运用于光,解释了光电效应,因此
 
获得1921年度诺贝尔奖。爱因斯坦大胆放弃“以
 
太”,从相对性原理和光速不变原理提出新的空间和

时间观念.建立了狭义相对论,引起物理学的变革。

1915年,爱因斯坦建立了他称为广义相对论的空

间一时间和引力的理论,再一次引起物理学更加深

刻的变革。1917年,爱因斯坦用广义相对论描述宇
 
宙,提出宇宙学原理;为了建立静态模型,他引进了
 
“宇宙项”.或宇宙常数项。尽管错过了预言宇宙的膨

胀,他毕竟开创了广义相对论宇宙学的先河。

为了进一步贯彻他的场论纲领,爱因斯坦埋头
 
· 22·



研究统一场论:20世纪
 
20年代初发表第一篇

论文后, 一直坚持到

1955年去世,都没有成

功。不过,广义相对论的

建立和发展,以及有关

统一场论的研究,大大激励了微分几何等相关数学

领域的发展。他关于物理学几何化的思想和对于物
 
质及其相互作用的统一的追求,一直影响到今天。

在他开始埋头统一场论的同时.以普朗克量子
 
论、爱因斯坦光量子说和玻尔原子模型为基础,量子

力学在一阵狂飙中诞生。物理学迎来了另一伟大的
 
变革。然而,爱因斯坦对量子理论随后的发展一直持

怀疑和批判态度。1935年,他和合作者提出著名的

“EPR佯谬”,同玻尔等哥本哈根学派就量子力学基
 
本问题展开辩论,影响同样一直延续到今天。
 
轰动世界的他,招来种族主义者更恶毒的攻击。

1933年希特勒上台,他在美讲学,公开批评希特勒,
 
成为迫害对象。3月返欧,避居比利时;9月躲避跟踪
 
星夜赴英;次月转美,出任普林斯顿高等研究所教

授,直至1945年退休。1939年,他参与上书总统罗
 
斯福,建议研制原子弹,以防德寇抢先。二战结束前

夕,美国在日本投掷原子弹,他强烈不满。战后,他参

加反对核战的和平运动。反对美国国内麦卡锡主义。
 
从1932年起,美联邦调查局就设立他的政治档案,
 
直到他去世。
 
爱因斯坦主张人类社会应该建立一种道德秩

序。他为人谦和、幽默、一贯好奇。他喜爱儿童,常常

回答稚气的询问。他坚持犹太身份,但认为犹太教是
 
一种文化,而不是宗教。1952年,他谢绝出任以色列



总统。1955年,从不自认是天才的伟人去世。遵照遗
 
嘱,不行丧礼,没有坟墓,不立纪念碑,骨灰撒向天
 
空。
 
爱因斯坦奇迹发端,已届百年。不过,直到今天,

如果要深入追究他1905年奇迹的三个领域之间的

内在联系,恐怕还并不清楚。例如,彭加勒不变的黑
 
体辐射谱会是什么样子?对于高速运动的观测者,布

朗运动还是不是处在热平衡?这些仍然在探讨之中。
 
现代物理知识
 
当前,爱因斯坦相对论体系正在面临着有关暗物质、
 
暗能量的天文观测所提出的重大疑难。比起上个世

纪之交物理学所面l临的挑战.有过之而无不及.这是

对物理学前所未有的、更严峻的全面挑战。缘由之
 
一
 
, 或许也是契机,就与他引入的宇宙常数密切相



关。

二、爱因斯坦相对论体系的建立

早在19世纪末和上个世纪之初.为了把“以太
 
漂移”实验的零结果与“以太”说和牛顿的绝对时间

观念协调起来,洛伦兹和彭加勒等提出种种假定。例
 
如,假定相对于“以太”高速运动的尺会治运动方向
 
收缩,因而无法测出“以太漂移”,洛伦兹等并找到从

相对于“以太”的静止参考系到运动参考系的洛伦兹

变换。彭加勒证明洛伦兹变换成群,他最先提出相对

性原理.并在麦克斯韦方程不变的前提下.建立了相
 
应的理论。爱因斯坦的理论完全放弃“以太说”.从他
 
的两个原理出发,导出了洛伦兹等的模型和假定。按

照他的理论,牛顿的绝对时间和绝对空间并不存在,
 
由于必须用光讯号来进行对钟和测量.同时性就是

相对的:彼此以接近光速相对匀速运动观测者会发
 
现对方的尺缩和钟慢效应.因而自然没有“以太”漂
 
移。于是,我们有两种“相对论”髂伦兹和彭加勒的
 
相对论和爱因斯坦的相对论。随后几十年的发展.物
 
理学接受了爱因斯坦的理论。不过。问题很可能并不
 
那么简单。1908年,闵可夫斯基提出。狭义相对论中
 
的空间一时间,其实可以表示为彭加勒变换不变的、

具有符号差的度量的3+1维欧氏空时。后来。具有

这个度量的空时称为闵氏空时。
 
牛顿万有引力具有缺陷.也不满足彭加勒和爱

因斯坦的相对性原理。必须修改。彭加勒首先进行了
 
尝试。并预言应该存在引力波。然而。简单地把牛顿
 
引力纳入相对论的框架。并不能解决牛顿引力所面

l临的问题:无法解释水星近日点的剩余进动:无法解

决著名的“夜黑一引力佯谬”.不能建立简单的宇宙

图景.等等。
 
爱因斯坦另辟蹊径。他从惯性质量与引力质量
 
的实验事实出发.于1907年提出等效原理.认为惯

性力与引力完全等效。在马赫的影响下.他试图把惯
 
性运动和惯性系之间的相对性原理.推广到包括加
 
速运动和加速参考系在内的任意参考系.提出广义
 
相对性原理。广义相对论的名称即由此而来。经过8
 
年艰苦探索,经历了种种错误和失败,于1915年底。
 
17卷5期(总101期)
 
他和大数学家希尔伯特几乎同时得到后来公认的爱
 
因斯坦一希尔伯特引力场方程,建立了广义相对论
 
这一划时代理论。这个理论认为.如同钢球会把绷紧
 
的橡皮膜压弯,星体的能量一动量张量会使空间时
 
间弯曲,即不再具有闵氏度量,而是由场方程确定的
 
黎曼度量。这样,太阳就会使其周围的空间弯曲.由
 
此可以说明牛顿引力无法解释的水星近日点的剩余
 
进动。这个理论还预言经过太阳附近引力会使谱线

向红端移动等。1919年,英国天文学家爱丁顿等的

日全食观测结果证实了光线偏折预言。爱因斯坦和
 
相对论超越了牛顿理论,成了家喻户晓的新闻.整个

世界为之轰动。

为了探讨是否能在广义相对论的基础上建立自

洽的宇宙图景,爱因斯坦于1917年提出宇宙学原
 
理,认为三维宇宙空间是均匀各向同性的;为了描述
 
静态宇宙,他引进了“宇宙项”。同年.天文学家德西

特就发现,引进“宇宙项”的爱因斯坦方程.具有“空

无一物”的常曲率空时的严格解。后来称为德西特空

时(宇宙项为正)和反德西特空时(宇宙项为负)。

1918年。为了排除德西特空时这类“空无一物”的空

时.他提出马赫原理作为相对论的一个基本原理.认
 
为作为引力的空时度量场应该完全由引力源的能量
 
动量张量决定。没有后者就没有前者。但是。并没有
 
成功。1938年。他与合作者一起完成了广义相对论
 
的运动理论.从引力场方程导出了检验粒子的运动

方程。1920年代末,哈勃发现星系红移;勒梅特、伽
 
莫夫等提出大爆炸宇宙模型。1964年.发现了大爆

炸模型所预言的宇宙微波背景辐射。这些重要观测

事实以及其他证据,证实我们的宇宙是一个演化的

系统。宇宙学成为了一I.-j自然科学。
 
三、一个没有完成的伟大体系
 
我们知道。以牛顿三定律和万有引力理论为核

心的牛顿体系。是一个没有完成的理论体系。这个体

系无法解释惯性运动和惯性质量的起源。 无法建立

即使非常简单的宇宙图景,等等。以狭义相对论为基

础,推广到广义相对论。进而建立了相对论性的宇宙

理论的爱因斯坦相对论体系。在空间一时间、物质及

其运动,以及引力和宇宙等各个方面。引起了物理学

乃至整个自然科学的认识经历了几次重要的变革和

飞跃。相对论体系包含了牛顿体系的合理内容。克服

了牛顿体系的一些疑难。但是,这个伟大体系同样不
 
是一个完成了的理论体系。
 
f
 
· 23·



爱因斯坦把物理理论分为“构造理论”和“原理
 
理论”。他认为:原理理论“应用分析而不是综合的方

法。其出发点和基础不是假设的要素,而是经验上观

察到的现象的一般性质、一般原理;从这些性质和原

理导出这样一些数学公式.使其用于每一自身出现

之处。”“原理理论的优点,是它们逻辑上的完善,和

它们基础的稳固。⋯‘相对论是一种原理的理论。”

(《时间、空间和引力》)但是,相对论体系其实却包含

着许多重要的“假设要素”。
 
. 狭义相对论的基本原理的“假设要素”



按照爱因斯坦的分类,洛伦兹和彭加勒的电子

论大概属于“构造理论”,而他于1905年发表的《论
 
动体电动力学》所建立的狭义相对论则是“原理理
 
论”。 ‘
 
不过,狭义相对论的两个基本原理其实都分别

包含着重要的“假设要素”。

爱因斯坦沿用了牛顿力学关于“刚性量杆”服从

欧氏几何的假定。这是一个非常重要的“假设要素”,

相对性原理就包含着这个“假设要素”。我们知道,几

何源于测量。我们还知道,在几何公理体系下,只要

把欧氏几何的第五公设稍加改动,我们就有另外两
 
种与之几乎完全平权的几何:罗巴切夫斯基几何与
 
黎曼几何。对于这两种几何,同样可以引入进行测量

的“冈 性量杆”。只不过,“刚性量杆”的长度与坐标距

离之间的关系不再是欧氏关系.而是相应的非欧关

系而已。这样.选取欧氏“刚性量杆”,而不是罗氏或

者黎氏“刚性量杆”就是一种“假设的要素”。其实,高
 
斯和罗巴切夫斯基都曾经做过大尺度的测量或者天
 
文观测. 以求得到大尺度的三角形内角之和是否为

180度.也就是说,是满足欧氏几何还是非欧几何。
 
只不过,在一定精度下,他们的结果仍然是180度。

然而.在原则上.这个“假设要素”的真伪,是可以由
 
实验或者观测加以判断的。

在爱因斯坦的光速不变原理中.包含了另外一

个重要的“假设要素”:单程光速不变。有关“以太漂

移”以及光速测量的所有实验的分析表明.作为“经

验上观察到的现象的一般性质、一般原理”而言.不

包含重要假定的原理应该是“空间闭合回路的平均

光速不变”.或者“往返平均光速不变”。其实.要测量

“单程光速”,必须把在起点和终点的钟事先对好:然
 
而,用什么来对钟呢?如果不采用其他假定,就只能
 
用光讯号。但是,要测量的就是单程光速,于是这就
 
· 24·



陷入逻辑循环。爱因斯坦当然非常清楚这一点。如何
 
解决呢?他认为,必须采取“约定”。其实,“约定”就是
 
一种基于实验,而又高于实验的“假定”。有没有实验



可以验证这个“假定”的真伪呢?至少到目前还没有!

除了上述这两个重要的“假设要素”之外,狭义相对

论中还存在其他“假设要素”。和牛顿力学一样,狭义

相对论的基础也是惯性系和惯性运动的存在。无论

在洛伦兹一彭加勒的理论中,还是在爱因斯坦狭义

相对论中,都无法解决惯性运动和惯性系的起源。在

理论上.这正是爱因斯坦突破狭义相对论,发展广义

相对论的重要原因之一。

其实.假说是科学存在的一种形式。作为基本上

是“原理理论”的狭义相对论也不例外

相对性原理和宇宙学原理的疑难

在相对论体系中.一些基本原理之间的关系并

不完全协调。相对性原理和宇宙学原理之间的不协
 
调就非常突出。早在1962年.英国著名天文学家邦

迪在《物理学和宇宙学》演讲中就明确提出,“在宇宙
 
学和通常的物理学之间,看来存在着明显的冲突。

”相对性原理认为,惯性系没有优越的速度,然而.河

外星系红移的发现表明,宇观尺度上的现象具有优

越速度:满足相对性原理的物理规律没有时间方向.

然而,宇宙演化本身却明确给出时间方向。微波背景

辐射发现之后,这个问题更加突出。爱因斯坦的学生

和追随者伯格曼惊叹:“宇宙环境对于局部实验的影
 
响导致相对性原理的等效破坏” (《宇宙学作为科

学》,1971)。

相对性原理要求存在惯性系,与引力无关的物
 
理规律在惯性系之间的10个(空时平移4、推进3、
 
空间转动3)参数的彭加勒变换群IS0(3,1)下保持不
 
变。对于这些惯性系而言,没有自身优越的速度、时
 
间没有方向性等等。对于我们的实验室而言.只要不

管引力和宇宙学效应.闵氏空时和彭加勒不变性就
 
是相对论性物理学的理论和实验分析的框架。所有

实验,都与此符合得非常好。空时测量、同时性的定

义以及一些基本的物理量的定义。全都基于相对性

原理和彭加勒不变性.特别是其中的空时平移不变

性。在力学中,能量、动量和质量的定义和守恒,以及

质能公式都与空时平移不变性密切相关。在场论中,

相应的物理量和公式同样如此;而且不同物理性质

的场可以看作是彭加勒群的不可约表示.这些表示
 
以彭加勒群的两个卡希米算子的本征值来表征。分
 
现代物理知识
 
别是质量平方和质量和自旋的平方。第一个算子完

全由平移群的生成元给出,第二个算子依赖于平移

群和齐次洛伦兹群的生成元,它们共同构成彭加勒

群的代数。
 
然而,一旦这些实验室要进行天文观测,或者进

行与宇宙背景有相互作用的实验,而且恰恰就是要
 
测量这些相互作用的效应,那么,这类实验室中的观

测者就会发现:河外星系红移表明具有优越速度、暗

示宇宙在膨胀,而宇宙膨胀给出了时间箭头;微波背

景辐射大体上可以代表宇宙背景空间的性质,不过

要扣除我们的实验室相对于微波背景辐射的“漂

移”。对于这类与宇观效应相关的实验和观测的结果

的分析必定表明:相对性原理对于这类效应不再成
 
立:时间反演和时间平移不变性不再存在;适当扣除
 
我们实验室的“漂移速度”。并忽略原初扰动、在一定

近似下,宇宙背景空间是3维均匀各向同性的,具有

6个参数的变换群;这样,宇宙背景空时的度量是弗

里德曼一罗伯孙一沃克度量,它依赖于标度因子和一
 
个标记三维宇宙空间为开放的伪球、平直的欧氏空
 
间还是闭合的球的参数 =一1,0,1,对应的对称性分

别是转动群S0(3,1)欧几里德群E(3)和转动群SO

f4);标度因子仅仅依赖于宇宙时和k的值,其形式

由宇宙中物质分布的能量动量张量通过爱因斯坦场
 
方程决定。在这样的背景空时里,由于存在优越速度
 
和时间方向.相对性原理不再成立。这就是前面提到
 
的邦迪和伯格曼等指出的疑难。但是,在相对论体系
 
中分析这类宇观效应时,又不得不用到以相对性原

理和彭加勒不变性为依据的基本物理量的定义和有

关的物理规律 因此,这就出现了问题:局部实验室

中的物理学和天文学家.在什么意义下可以利用闵

氏空时和彭加勒不变性定义的物理量和物理规律,

来分析从局部实验室得到的有关宇宙效应的数据和

信息呢?在相对论体系中如何将二者协调起来呢?

通常认为,这些不协调,仅仅是对于两类不同的

物理问题所引起的,而非本质的冲突;就像其他物理

理论一样,往往可以用来研究具有不同对称性的物

理系统。然而,应该强调的是,狭义相对论与现代宇

宙学的关系并不那么简单。首先,两者都是关于空时
 
认识的理论,现代宇宙学的基础是广义相对论,广义
 
相对论又是在狭义相对论的基础上建立起来的:然

而,狭义相对论的一些极为重要的性质又明显与现
 
代宇宙学的观测不相容。由于我们的一切实验和观
 
l7卷5期f总101期)
 
测都是在我们这个宇宙之中进行的,如果找不到我
 
们的宇宙所近似满足的宇宙学原理和相对性原理之

间的关系,在宇观尺度上,狭义相对论以及彭加勒不

变的理论,就失去了严格的概念基础。更重要的是,

我们的宇宙是一个演化的系统,这是相对论物理学

在上个世纪对于自然科学的一个极其重要的贡献;

当今物理学的一个趋势恰恰正是将宇观尺度的物理

与微观尺度的物理联系起来,由相同的物理规律来

描述。这就必须解决上述狭义相对论与现代宇宙学
 
之间的不协调。然而,在爱因斯坦相对论体系中却很

难做到。
 
其实,相对性原理与宇宙学之间的不协调,甚至
 
可以追溯到伽利略时代。在划时代名著《关于托勒密
 
和哥白尼两大世界体系的对话》(1632年)中,伽利
 
略论述了在平静水面上静止或平稳匀速航行的大船
 
中,通过在船舱内的任何实验和观测,人们都无法发

现大船是在静止还是在航行。他以此来反驳托勒密

学派对于哥自尼学说的非难:如果地球在绕着太阳

转动,为什么我们丝毫没有觉察?这就是后来称之为

伽利略相对性原理的著名论述。但是,伽利略在论述

的一开始,就要求:“把你和你的朋友关在大船甲板

下的主舱里面 ”换句话说,局部实验者不能l向外观

望。显然,如果向外观望,可以从大船与岸边的相对

运动来判断大船的状态。在今天,也可以通过天文观
 
测来加以判断。如果存在“以太漂移”,即使在封闭的

船舱内,也能够判断大船的运动。以伽利略相对性原
 
理为基础的牛顿体系自然包含着这些不协调。何况

牛顿体系根本无法建立自洽的宇宙图景,因而无法

解决这些不协调。
 
不过,这些不协调却从反面提出了一个非常值
 
得深思的问题:应该存在这样的空间一时间一宇宙理
 
论,其中没有这种不协调。换句话说,宇宙学原理和
 
相对性原理或许是相当复杂的一个问题的两个方

面。如果真是这样,在我们的宇宙中,宇宙学原理就

会在所有满足相对性原理的惯性系中,“挑选” 出一
 
类相对“优越的”惯性系。于是,消除相对性原理与宇
 
宙学原理之间的不协调,就意味着回到一类“优越
 
的”惯性系。这或许可以看成是在现代宇宙学意义
 
上,对于洛伦兹一彭加勒空间一时间观念的回归。

等聂原理的实质是狭义相对论的局域化

惯性质量与引力质量相等,这是从伽利略以来
 
就知道的实验事实。爱因斯坦由此出发,进一步提出
 
·25·



惯性力与引力等效的等效原理。这个原理的确促使
 
他突破狭义相对论,提出广义相对论。然而,在牛顿

力学中.惯性力和引力的表达式并不等价:在广义相
 
对论中,二者的表述也不等价。有的学者认为,等效
 
原理好像是广义相对论的“助产婆”,广义相对论诞

生之后,这个“助产婆”应该退出历史。其作用仅仅在
 
于要求描述引力场的黎曼几何的度量是具有与闵氏
 
度量的符号差相同。现在通行的对于这个原理的表

述为,在宇宙中任何时刻、任何地点都存在局域洛伦

兹空时(或者洛伦兹标架、参考系),在这类局域洛伦

兹空时中.除了引力之外的一切物理规律的形式与

狭义相对论中一样。一般认为,这样表述的等效原理

是广义相对论中最重要的原理。

认真分析爱因斯坦的原意.等效原理的实质应

该是要求在表征引力场的弯曲空时中的每个空时

点,狭义相对论及其物理定律仍然成立。也就是狭义

相对论的局域化。
 
但是,无论是爱因斯坦的表述,还是现在通行的
 
表述.这个原理都没有要求狭义相对论及其物理定
 
律完整的彭加勒对称性;留下的仅仅是齐次洛伦兹

对称性,起着重要作用的空时平移对称性丢失了。其
 
后果是,在广义相对论中,粒子和场的能量、动量、质

量和自旋等等物理量的定义与守恒,失去了在狭义

相对论中相应的对称性基础:只能把有关物理定律

中出现的物理量类比于,或者“等效”于狭义相对论

中相应的物理量。在这个意义上.这是一个相当强的
 
“工作假定”。
 
广义相对性原理并没有广义相对性

马赫认为.一切运动都是相对的:爱因斯坦深受

马赫这一影响。为了取消狭义相对论中惯性运动与

惯性系的特殊地位。他提出广义相对性原理。要求

“物理学定律具有对于无论以什么方式运动的参考

系都成立的性质。”“普遍的自然规律是由对一切坐

标系都有效的方程来表述的:也就是说.对于无论那
 
种(坐标)代换都是协变的(广义协变)。”(《广义相对

论的基础》,1916)然而。数学家很快就指出。这种所
 
谓的“广义协变”.并没有什么实质意义.任何物理定

律都可以写为广义协变的形式。这一观点,后来就为

物理学家所接受。爱因斯坦后来对于这个原理的表
 
述,也有所改变。1946年,他在《自述》中写道:“自然
 
定律应该表述为在连续坐标变换群下协变的方程。

这个群替代了狭义相对论中的洛伦兹变换群,后者
 
· 26·



^
 
形成前者的一个子群。”“当然,这一要求自身作为导

出物理的基本观念的出发点并不充分。⋯⋯广义相

对性原理突出的启发式的意义在于它导致我们去寻

求在广义协变形式下尽可能简单的方程组”。于是。
 
他又提出了在广义协变形式下的“简单性”要求。

著名相对论学者迈斯勒、索恩和惠勒在他们的

名著《引力》一书中,这样来表述广义相对性原理和
 
简单性要求:“‘物理量必需表述为(与坐标无关的)

几何量,物理定律必需表述为这些几何量之间的几

何关系。’这一物理观点。有时称为‘广义协变性原

理’,遍及20世纪物理思维。但是。这个原理具有强

制性的内容吗?没有.完全没有”。“作为区分可行的

和不可行的理论的筛选,广义协变性原理是无用
 
的。”他们追随爱因斯坦,认为这个原理应该代之以
 
一个“有些朦胧的原理”:“‘自然界偏爱用坐标无关



的几何语言表述的简单理论’。按照这个原理,自然

界必然偏爱广义相对论,而厌恶牛顿理论。”他们认

为,“广义相对论具有最简单,最优雅的几何基础(三

个公理— — 具有度量:度量由爱因斯坦方程G=8"n'T

支配:在度量的局部洛伦兹标架中所有狭义相对论

的物理规律是正确的)。”

总之.广义协变性原理或者广义相对性原理,并

没有什么实质的内容.也没有实现马赫所谓“任何运

动都是相对的”观点。必须代之以“几何形式的简单

性”、等效原理等等。其实。3+1维黎曼空时上的“连

续坐标变换”一般并不构成“群”。在给定空时点。局
 
部坐标的基底及其对偶基底(a/ax‘. ‘)之间的变换

矩阵才构成群.即局域化的一般线性群GL(4~)。 在
 
广义相对论中.所有的物理量都要求是这类变换下

的张量(的分量),或者带上相应数量的基底成为与

坐标无关的几何量。齐次洛伦兹群恰恰是这个群的
 
子群。但是。平移群却不是。于是,这又回到有关等效
 
原理没有要求局部平移对称性的同样问题和同样的
 
后果。其实。狭义相对论中对于物理量的分类是按照

彭加勒群及其不可约表示来进行的:而在广义相对

论中.却是按照局域化的一般线性群的变换来进行
 
的.二者并不等价。

在相对论体系之中.能够协调这一不等价吗?

爱因斯坦一希尔伯特场方程和“戈尔迪之结”

爱因斯坦一希尔伯特场方程在广义相对论中起

着核心的作用。但是.许多学者指出.从几何量与对
 
称性.以及物理量与对称性的关系来看.这个方程存
 
现代物理知识
 
在着内在的不协调,有一个打不开的“戈尔迪之结”。

上面提到的三位学者就明确涉及到这个问题,

并且在他们的名著《引力》中这样给m答复:“答案在

手G=8仃 :问题何在?问题来自于爱因斯坦一嘉当

的‘转动矩’G 与协强一能量张量 的联系,但什么

是这个方程首先要达到的目的?如果几何告诉物质

如何运动,物质告诉几何如何弯曲,手中不就没有这

个‘戈尔迪之结’了吗?不然.怎么能永远解不开它

呢?”这里,G是爱因斯坦曲率张量的简写, 是挠率

动量张量的简写,光速c和牛顿引力常数G取为1。

何以见得G=8仃 有一个“戈尔迪之结”呢?原

来.从几何量与对称性的关系来看,“转动矩”G是与

局域齐次洛伦兹转动相联系的,这也是为什么称之

为“转动矩”的原因。然而,从物理量与对称性的关系

来看.与协强一能量张量 相联系的对称性却不是

转动.在狭义相对论中是平移。相应于狭义相对论中

的平移的物理量— — 协强一能量张量 联系的是相

应于转动的几何量‘转动矩’G,这种“错位”,就是场

方程的一个“戈尔迪之结”。但是,这个结是不是就因

为“几何告诉物质如何运动,物质告诉几何如何弯

曲”就不复存在了呢?前面提到广义相对论的运动理

论.检验粒子的运动方程.可以从场方程或者能动张

量的协变守恒律推导出来。随后的发展,对于有自转

的粒子.导出的运动方程多了一项黎曼曲率与白转

流的耦合。这恰恰是对应于洛伦兹转动的几何量与

物理量之间的耦合,这种耦合与电磁理论中在电磁

场中运动的带电粒子所受的罗伦兹力的耦合:电磁

场强与电流之间的耦合完全类似。这样,在广义相对

论中.就出现了两类几何量与物理量之间的耦合,一

类是场方程所反映的对称性不同的几何量与物理量

之间的耦合:另一类则是对称性相同的耦合。不仅如

此.自转同样是物质在空时中的重要性质。为什么自

转要与黎曼曲率耦合,而反过来却不能通过引力场

方程来影响空时的性质?

爱因斯坦一贯认为:“设想一件本身起作用而不

承受作用的事物(空时连续区域)是违背科学的思考

方式的。这就是使得马赫试图在力学体系里排除以
 
空间为主动原因的理由。”(《相对论的意义)1921
 
年)看来,对于自转这一所有星体都具有的性质而

言,即使在广义相对论中,弯曲空时仍然是“起作用

而不承受作用的”“主动原因”

如果把爱因斯坦所一再主张的“科学的思考方
 
l7卷5期f总101期1
 
式”贯彻到底,就应该进一步排除这一“主动原因”,

并且避免“戈尔迪之结”的尴尬。

1979年.丘成桐等证明了广义相对论描述的引

力束缚系统的能量为正。这是一个重要的进展。按照

广义相对论,黎曼曲率张量表征引力场强。于是,仿

照电磁场强给出电磁场能量动量张量的形式,可以

构造引力场强的能量动量张量。但是,在爱因斯坦场

方程中,并没有引力场自身的能量动量。对于爱因斯

坦场方程而言,引力场的这些性质,只能是“暗”的。

惯性起源和爱因斯坦的马赫原理

和牛顿体系一样,狭义相对论是以惯性运动和

惯性系为基本概念的。于是,这就存在惯性运动的起
 
源问题
 
尽管没有明确的表述,但是,伽利略相对性原理

的重要性牛顿当然应该是清楚的。牛顿第一定律就

是在叙述作为伽利略相对性原理的基本概念的惯性

运动。为了描述动力学,牛顿引进了惯性质量、力和

加速度的重要观念。他的第二和第三定律,就是动力

学。他的万有引力定律则是描述在引力作用下的动

力学。但是,正如爱因斯坦所指出:“惯性原理的弱点

在于它含有循环的论证:如果一个质点离开其他物

体足够遥远,它就作没有加速度的运动:而我们却又
 
只能根据它运动时没有加速度的事实才知道它离其
 
他物体足够遥远。”(《相对论的意义》)牛顿当然了解

这一点。为了解决惯性运动的起源问题,也为了建立

体系的需要.牛顿引进绝对空间和绝对时间的概念。

然而,这却导致了伽利略相对性原理与牛顿的绝对
 
空间之间的矛盾。这是因为,在满足伽利略相对性原
 
理的牛顿力学的具体规律中,并不出现什么相对于

绝对空间的“绝对速度”。

为了“论证”存在绝对空间,牛顿求助于加速度。
 
他提出的著名的水桶实验就是试图利用加速度来说
 
明绝对空间的存在:把吊起水桶的绳子拎紧后松开,

水桶就会旋转;水桶中的水面,开始平静;逐渐旋转,

水面也因而会下凹,直至与水桶一起转动:马上把水
 
桶停止下来,水桶中的水仍然会继续旋转、水面继续
 
下凹。牛顿认为,水面之所以会旋转、下凹,在水桶停

止转动后,继续旋转、下凹,都是因为惯性力的作用,

而惯性力的来源,却是因为绝对空间的存在,水的旋

转是相对于绝对空间的绝对圆周运动。如果在伽利

略的船舱中,进行这样的水桶实验,我们当然应该观

测到同样的现象,而且与大船的惯性运动状态无关。
 
· 27·



按照牛顿的观点,即使我们不向外观测,水面的下凹
 
本身就表明绝对空间的存在。但是,由于存在夜黑和
 
引力佯谬,在理论上却无法得到这一结论。

其实,没有任何有力的证据表明存在牛顿的绝

对空间。重要的原因在于,绝对空间无法与简单的宇

宙图景相容。这是因为,无限大的欧氏绝对空间和牛

顿的万有引力,对于夜晚的天空为什么是黑的这样

的简单事实,根本无法解释,这称之为奥尔伯斯佯

谬 同时,也无法建立一个在引力作用下稳定的宇宙

图像.这称之为纽曼一希林格佯谬。也就是牛顿理论

面临的夜黑和引力佯谬。不过,随着牛顿力学及其万

有引力定律对于太阳系的成功.牛顿绝对空间和绝

对时间的概念也就在自然科学界和哲学界占据着主

导地位。.

总之,在牛顿体系中,质量和惯性、惯性运动的

起源问题无法涉及:绝对空间和绝对时间这些支撑

牛顿体系的支柱.却与在牛顿力学中没有“绝对速

度”的力学和引力规律相矛盾。其实,说到底,这些佯

谬与伽利略相对性原理有关。也不得不效仿伽利略,

把人们请到大船甲板下的主舱里面,人们不能够通

过向外张望.来判断大船是在静止、还是在运动和在

以什么速度运动。把伽利略的平稳行驶的大船作为

牛顿的惯性运动和惯性系,同样不能进行宇宙图像

的描述.必须被局限在惯性系统之中。一旦向外张

望,就会出问题。

但是,既然“天地同质”.牛顿定律同样适用与天

体.为什么不能“向外张望”呢?如果不能向外张望,
 
一旦用于天体.我们必须想像一个把天体容纳在内



的、在太空中“平稳行驶”的伽利略“大船”。那么,这

个“大船”应该有多大?在哪里行驶呢?

在牛顿提出绝对时间和绝对空间概念之后,一

直有人从哲学上或力学上,对此提出异议。代表人物

有莱布尼兹、贝克莱和马赫等。

马赫的分析相当深刻.他针对牛顿的水桶实验

发难。他认为.在牛顿的论证中忽略了水桶壁和星体

的存在。如果水桶质量加大、水桶壁加厚至几英里,

会怎么样?他主张。包括旋转在内的运动都是相对

的。没有什么绝对空间,水桶的旋转无非是相对于远

方星体的总和或者宇宙的质量中心。他指出:“由于

运动的相对性.物体的引力和惯性力应该由宇宙中

其他物质所决定。”“应该排除时间和空间为主动原

因。”他提出,牛顿力学中的质点,不是相对于绝对空
 
· 28·



间’.而是相对于宇宙间所有其他质量的中心作惯性
 
运动:“如果我们说,物体保持其在空间的方向和速
 
度不改变,我们的这一断言只不过是相对于整个宇

宙的简称。”“我们怎么能够确定这样的参照系?只能
 
参照于宇宙中的其他物体。”(《力学史评》)
 
但是,马赫的分析仅仅停留在思辨的水平上,他

和牛顿一样.不得不依赖于超距作用;他也无法说明

宇宙中所有质量的中心是否存在,如果存在的话,如

何具体决定惯性质量和惯性运动?
 
其实,马赫的观点非常深刻。影响极其深远:但
 
是,并非无懈可击。迈斯勒、索恩和惠勒就尖锐地指

出,几十亿光年之外的星体何以能够决定这里、现在
 
的惯性?(《引力》)
 
有一点应该强调:马赫在有意无意之中提出了
 
一个重要的问题。那就是,包括惯性运动在内的这些



的起源.应该通过自洽的宇宙图景来解决。换言之:

在一个理论体系之中.如果能够解决惯性或者惯性

运动的起源,那么这个体系必须要建立自洽的宇宙

图景.而且这一图景应该与相对性原理之间存在着

内在的联系。

显然,由于不能建立一个自洽的宇宙图景.牛顿

体系不是这样的体系。爱因斯坦相对论体系能不能

解决惯性和惯性运动的起源问题呢?由于前面提到

的相对性原理与宇宙学原理之间的不协调,显然也
 
不是。
 
应该指出.物理学的发展。特别是量子物理的发

展表明.惯性定律的起源与惯性质量的起源既有联
 
系,又应该有所区别。例如,电子的物理质量,是通过
 
电磁场自作用,并经过“质量重整化”的结果。因而,

物理质量至少应该与物质自身的内在性质密切相

关。而惯性运动却不然。静止质量为零的光子,也可

以光速进行惯性运动。同时。惯性运动和惯性系的起

源与“局部惯性运动”和“局部惯性系”的起源。也应

该有所区别。后者与广义相对论中的等效原理密切

相关:广义相对论中的测地线运动。就是一类“局部

惯性运动”。一般说来,仅仅在一个空时点或该空时

点的邻域内的一条世界线上。可以把联络系数消去,
 
使测地线运动相应于自由落体运动。得到与狭义相
 
对论中自由粒子相同的运动。

受马赫关于惯性与惯性运动起源的影响, 爱因

斯坦曾经提出马赫原理。他认为:“G一场全部由物体

的质量决定。按照狭义相对论的结果,质量和能量是
 
现代物理知识
 
同样的.并且能量在形式上由对称能量张量描述.因

此这就导致G一场由这一能量张量所限制和决定。”
 
(《广义相对论的一些原理性的问题》,1918年)这里
 
的G一场就是度量场,亦即引力场。显然,这是爱因斯

坦表述的原理.并不是马赫的原意。爱因斯坦的这一

原理摆脱了马赫表述的含混之处.也摆脱了超距作

用。不过.这一原理不再区分惯性运动和局部惯性运
 
动.它们的起源和惯性质量的起源全部都由能量动
 
量张量决定的度量场所确定。

其实.按照马赫的观点.如果惯性质量起源于其
 
他天体的作用.那么,在巨大天体附近的原子核与电
 
子的质量就应该会有所改变.从而成为引力红移之
 
外,另一改变原子的特征谱线的原因。然而.实验和

观测并不支持这一点。
 
在理论上.爱因斯坦场方程也没有能够做到他
 
关于没有物质就没有空时度量的期望。在去世前一
 
年,爱因斯坦终于放弃了他提出的这一原理。
 
总之.惯性运动的起源问题.在相对论体系中并
 
没有解决。马赫对于牛顿绝对时间和绝对空间的批

判,也没有得以实现。

值得注意的是.如果马赫的观点得以实现.就会

导致一类优越惯性系在现代宇宙学意义上的回归。

回顾我们曾经分析过相对性原理与宇宙学原理之间

的不协调所提示的.如果消除这些不协调.有可能导

致优越惯性系的观念在宇宙学意义上的回归:二者

是一致的。

奇性引起理论疑难

爱因斯坦去世之后.有关广义相对论的理论研

究取得了许多进展。最重要的进展之一,是黑洞理论

以及大尺度空时结构的研究。

1960年代末以来.彭若斯和霍金发现.在相当
 
一般的条件下.广义相对论存在空时失去意义的“奇



性”。宇宙起源于奇性.星系演化经过黑洞终结于奇
 
性。研究表明.对于晚期的星体而言,如果质量足够
 
大(比如有两三个太阳质量),那就迟早会变为黑洞.
 
而一旦形成黑洞,就会最后坍缩到空时奇点。时间停

止了,空时的曲率变为无穷大.一切物理定律都失去

意义,一切物质都被撕得粉碎。此外,还有一些结论

也是值得深究。例如一个黑洞不可能分裂为两个黑
 
洞,只能是两个(或者更多)的黑洞合并为一个黑洞.

其结果不仅是宇宙大爆炸起源于奇性.而且整个宇

宙有可能变成为一个大黑洞.而且早晚可能要坍缩
 
l7卷5期(总101期)
 
到奇点。但是,现在关于加速膨胀宇宙的观测.已经

否定了这一点。很明显.这种奇性在物理上是很难接

受的,不仅如此,甚至还有可能出现更加不可思议的

不在黑洞视界内部.也不是宇宙大爆炸之初的所谓
 
“裸奇性”。于是,彭若斯提出“宇宙监督”假说.假定

不存在这类“裸奇性”。
 
为什么会出现这类病态的“奇性”呢?按照等效
 
原理.如果宇宙中时时处处都存在局部洛伦兹参考
 
系的话,就不应该出现这类病态的奇性。奇性的不可
 
避免暗示着广义相对论作为一个理论体系.内部存
 
在某些不自洽。难怪著名学者夏玛指出:“我们面临
 
着理论物理的危机。或者经典广义相对论要破坏.或

者存在着等效的负能密度.或者因果性不再成立.或

者在自然界中存在奇性。”伯格曼也指出:“膨胀宇

宙极早期存在奇性,这是现有理论观念并不适合于

极高密度物质的一个讯号。”(《宇宙学作为科学》,
 
1971)。
 
除了奇性问题之外.黑洞的经典理论还取得了
 
其他重要的进展。例如在黑洞和热力学系统之间找
 
到了联系.建立了黑洞热力学.并进一步与黑洞的量
 
子理论相结合,提出了黑洞熵的概念等等。
 
量子引力的出路
 
引力理论和量子理论的结合,对于上个世纪理
 
论物理来说,是一个很重要的理论问题。几十年来,
 
这个问题一直没有得到解决。自然界是统一的,因而
 
在理论上描述自然界的两种主要途经之间应该存在
 
内在的联系。揭示这种联系,认识这种联系无疑具有

重要的意义。 ·
 
1960年代以来.对于这个问题的探索更为迫切

地提到日程上来。究其原因大体上有两点:天文发现
 
表明.必须考虑极强引力场中的量子效应:应该研究
 
引力的量子化与广义相对论奇性疑难之间的关系。
 
另一方面.由于1970年代规范场量子化和重整化理

论的进展.在理论上也为量子引力的研究提供了强

有力的工具。不久,在理论上发现,广义相对论的引
 
力场,在一般情形下是不可重整化的。也就是说.高

阶量子修正不仅发散.而且无法从中抽出具有物理
 
意义的效应。从通常量子场论的角度来看,这是不能
 
令人满意的。由于这种状况的出现,一般认为.广义

相对论很可能只是一个低能情形下的唯象理论.应
 
该建立可重整的量子引力理论。
 
在量子引力研究中的一个进展.是1970年代以
 
·29·



来关于黑洞量子理论的研究。这些研究推进了对于
 
黑洞的认识。以前,一直以为黑洞是什么东西都跑不

出来的绝对“黑”的。然而,黑洞的量子理论指出,如

果考虑到量子效应 情形就不完全是这样了。由于量

子理论的隧道效应,粒子总有“穿透”黑洞的几率;由

于在黑洞的极强引力场中物质场的量子涨落可能非
 
常剧烈,掉进黑洞的粒子可以看作从黑洞中跑出来

的反粒子再经过引力场散射到远处。这样,黑洞就好

像会不断“蒸发”,辐射出粒子和光子。已经证明,这

种辐射具有通常热辐射的谱型。同时,这种“蒸发”过

程随着黑洞质量不断减少会愈演愈烈,以至最后可
 
能招至黑洞的“爆炸”。
 
年来,非微扰量子引力的尝试,在超弦和在广
 
义相对论的框架内,都取得一些有意义的进展。例
 
如,1990年代中期以来,对于黑洞熵的微观起源给
 
出了· 定解释等。这也表明黑洞及其引力场不是基
 
本场,而可能是一类系统或者有效场。但是,距离解

决量子引力的问题还相当遥远。当然,一个完整的关

于黑洞的量子理论,必须考虑引力场自身的量子效

应。因此,这些问题并没有从根本上解决。
 
这些进展的确从另一个角度加强了关于广义相

对论是有效场论的观点:广义相对论作为描述引力
 
场的理论,可能并不是基本的,而是有效理论。尽管

在爱因斯坦时代,有效场论的观点还没有提出。不

过,爱因斯坦早就隐隐约约地觉察到这一点:他对于

引力场方程右边的能动张量并不满意,希望与场方

程左边一样具有几何描述。在考虑星体或者宇宙模

型时,往往要假定物质的“物态方程”。其实,“物态方
 
程”所联系的是大量粒子组成的系统的宏观量,因而
 
不可能是基本场量。同时,黑洞理论又从另一个方面
 
揭示出,至少黑洞的引力场也不是基本场。否则,在
 
什么意义下谈论基本场的“熵”及其“微观起源”?
 
从有效场论的观点来看,有效场并不需要可重

整化。因而,广义相对论的不可重整性并没有什么可
 
怕。问题是,能不能找到引力作为基本场的自洽的理

论。从当前理论物理发展的情况看来,超弦/M理论

似乎是一个可能的候选者。但是,超弦/M理论的发

展还处在相当初步的阶段。什么是基本自由度?什么

是基本对称性和动力学原理?这些问题都还不清楚。
 
近几十年来,相对论性宇宙学,取得了一系列重
 
大进展。但是,宇宙理论作为一门科学,还仅仅处在

非常初级的阶段;存在的问题极多。相对论体系当前
 
· 30·



面临的变革,起因也恰恰来自于观测宇宙学。

温伯格认为:“物理学并不是一个已完成的逻辑

体系。相反,它每时每刻都存在着一些观念上的巨大

混乱,有些像民间史诗那样,从往昔英雄时代流传下

来;而另一些则是像空想小说那样.从我们对于将来

会有伟大的综合理论的向往中产生出来。”这是在

他《引力论和宇宙论—— 广义相对论的原理和应用》
 
一书的开篇写下的。



这意味深长而又恰如其分地表明,相对论体系

并不是一个业已完成的逻辑体系。
 
四、相对论体系面临变革
 
发端于100年前爱因斯坦奇迹的相对论体系.

取得了极其伟大的进展,引起了空前的变革;同时,

也促进诸多有关技术的飞速发展。不过,自然科学史

上这个最伟大的体系和其他所有的理论体系一样,

是一个没有完成的体系。作为描述空间一时间和宇

宙基本规律的这个体系,存在包括上面提及的许多

重大问题;不仅狭义和广义相对论,以及宇宙论作为

物理理论本身,以及相对论体系作为逻辑体系并没

有完成,这个体系还存在一些内在的不协调。另一方

面,这个体系过去解释了以往理论所无法解释的疑

难,一直没有任何重大实验和观测与它的理论预言

尖锐冲突:然而,今天却面临着一些重要的观测事
 
实,在理论上全然无法解释。事实上,这个体系面临.



着来自观测的尖锐挑战。

暗物质的问题起始于几十年前,到1980年代有

关暗物质的观测已广为接受:1990年代后期以来,
 
有关暗物质、暗能量和宇宙常数的观测结果,进一步
 
使得以量子论和相对论为基础的物理学的整个理论
 
框架面临挑战:在广义相对论和宇宙学原理的分析
 
框架内,观测数据表明,通常的星体只占不到1% ,

加上弥漫在宇宙空间中的已知物质,一共只占区区
 
4% 5% ,未知的暗物质约占20%多,与通常能量所
 
完全不同的“暗能量”,或者作为“暗能量”最简单形

式的宇宙常数要占70%左右:宇宙在加速膨胀,因

而不是渐近平坦的,而是渐近于常曲率的德西特空

时。这样,严格说来,在涉及宇宙尺度的效应上,作为
 
物理量定义基础的爱因斯坦狭义相对论失去了宇观
 
观测的基础。
 
一种通行的看法是,作为“暗能量”的宇宙常数



相对于量子理论中的“真空”能。然而,这样得到的宇

宙常数值比观测值大了120个数量级;考虑种种可
 
现代物理知识
 
能的修正、特别是超对称效应,也还是要大几十个数
 
量级。这是物理学史上.前所未有的理论与观测结果

的不一致。如何解释?根本问题出在哪里?

2000年弦理论会议上.弦理论家提出跨世纪的
 
十大理论问题.其中有8个与相对论体系直接有关:

①表征物理宇宙的所有(可测量的)无量纲参数

是否原则上都是可计算的,或其中某些仅仅是由历.

史或量子力学等偶然因素所确定.因而是不可计算
 
的?
 
② 量子弓I力如何有助于解释宇宙起源问题?

④ 自然是超对称的吗?若是.超对称怎样破缺?

⑤为什么宇宙看来只有一维时间和三维空间?

⑥为何宇宙常数会有其值?是零吗?是常数吗?

⑦何为M理论基本自由度?果真描述自然吗?

⑧如何解决黑洞的信息佯谬?

⑨引力尺度和基本粒子的典型质量尺度之间的
 
差异如此巨大.什么物理可以予以解释?
 
应该略加说明为什么第1个问题与相对论直接
 
相关:利用普朗克常数、牛顿引力常数、光速和宇宙
 
常数.可以构成这样一个无量纲参数,其数量级恰恰
 
是刚才提到的10的负120次方.它应该表征引力相
 
互作用。但是.为什么这样小?能不能计算?第3和

第10个问题虽然不是直接关于相对论体系的.也至
 
少与狭义相对论性、或者彭加勒不变的场论问题有
 
关:③什么是质子的寿命?理论上如何解释?⑩如何
 
定量解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭.以及

质量间隙的存在7 .
 
2O04年诺贝尔物理奖获得者格罗斯最近又提
 
出了未来二三十年的25个重大科学问题。其中前5

个问题与相对论体系直接相关:宇宙的起源.暗物质

的性质.暗能量的性质.宇宙中结构的形成.广义相

对论的正确性。另外直接与相对论体系有关的还有:

超对称的存在性.弦理论的性质.空间和时间的性

质.物理规律是否唯一,运动学、动力学与初始条件

是否能够分开,理论的作用,等等。格罗斯的问题中,

还涉及到复杂性、涌现和还原论。其实,这也与相对

论体系有着密切关系。我们不妨设想,按照有效场论

的观点.广义相对论很可能是一种有效场论。那么.
 
. 还原论认为.应该存在更基本的理论.如超弦/M 理



论。系统论则可以把广义相对论当作宇宙系统所具

有的特征来看待。但是,如果存在更基本的理论,如
 
何从中导出广义相对论?如果不论更基本的理论存
 
17卷5期(总101期)
 
在与否,又怎么作为从宇宙这样一个复杂系统中.涌
 
现出像广义相对论这样的规律呢?

应该指出,上面这些问题只反映了弦理论家.或

者格罗斯等人的看法。有一些重要问题并没有完全

列举、甚至没有涉及。例如,没有一个问题涉及到狭

义相对论中“欧氏假说”的正确性:甚至没有涉及到
 
相对性原理与宇宙学之间的不协调等等。不过.这些

不仅表明相对论体系远远没有完成.同时也反映出

这个体系的的确确面临着极其尖锐的挑战。
 
一种似乎得以某种部分解脱的企图,源于“人择



原理”。然而.这却把我们带到无限多个宇宙的更加

复杂的宇宙体系:再次从“我们的宇宙”.飞跃到“无
 
限”。
 
更多的作法是试图从动力学方面来解释暗物质

和暗能量,例如引入种种“精质”、“幽灵”.或者改变
 
场方程等
 
我国著名学者陆启铿首创的另一种作法却根本

不同:从运动学开始,进而考虑动力学。按照这一观
 
点.一旦放弃狭义相对论中“欧氏假说”.就可以证明
 
存在德西特不变的相对论。进而.应该建立局部德西
 
特不变的引力理论,以及在此基础之上的宇宙学。显
 
然.这已经超出了爱因斯坦相对论体系。

相对论体系的建立和发展.使得自然科学对于

空间和时间、物质和运动.引力作用.以及我们的宇

宙的认识经历了并还在经历着一系列重大飞跃和变

革。在物理学史上,这是一个前所未有的伟大体系。

爱因斯坦在这个体系的建立和发展中.创造了奇迹.

不愧为近代科学史上最伟大的学者。然而.作为一个

理论体系.相对论体系并没有完成:作为一个基本上

是“原理理论”的体系.存在着一些重要的“假设要

素”和不协调。在相对论体系的建立和发展中.实验

和观测起着极其重要的作用。今天,宇观尺度上的观

测数据分析的结果,对相对论体系提出了严重挑战。

由于这些观测数据的分析是以爱因斯坦场方程和满

足宇宙学原理的弗里德曼一罗伯孙一沃克度量为理

论框架的.这不得不尤其引起我们的重视。

爱因斯坦说得好:“物理学构成一种处在不断进

化过程中的思想逻辑体系”。相对论体系恰恰就是这

样一个处在不断进化之中的理论体系。其实.相对论

体系和量子论体系,以及以它们为基础的物理学理

论,作为思想逻辑体系都远远没有完成,也远远不完
 
备;总是处在不断追求完备的过程之中。然而.仅仅
 
· 31·



原子与原子核的新形态——
 
介子原子和介子核
 
王景丹 钟显辉 宁平治
 
普通原子核由质子和中子组成。随着实验和理

论研究的发展.人们认识到还存在着另外一类奇特

的原子和原子核— — 介子原子和介子核。这些新形

态的原子和原子核在自然界中是很难找到的.原因
 
是它们的寿命很短。只有在实验室中才能观测到这
 
些奇特的原子和原子核,所以一直不太被人们了解。
 
然而近年来.新的实验现象和新的理论分析使人们
 
对介子原子和介子核有了新的认识。

我们在介绍介子原子和介子核之前.首先对介
 
子作一个简单的介绍。介子跟核子一样都是参与强

相互作用的粒子.各种介子都是由一个正夸克和一
 
个反夸克组成的两夸克系统。不同的介子由不同的
 
夸克组成。到目前为此,我们认识到的介子主要有
 
1T、K、 、P、(o、盯、 等。介子原子就是一个带负电的
 
介子进入原子外围轨道.通过放出X射线退激发进
 
入一系列较低能级.最终介子落入原子核 被原子核
 
吸收。此时介子的地位有点像原子中的电子.只是介
 
子的质量比电子大得多.因而介子轨道半径比电子

轨道半径小得多.介子与核的表面靠得很近,除了库

仑作用外,它们还感受到与核之间的强相互作用。介

子核就是介子已经进入到了原子核的内部.在与核
 
的强相互作用下形成的一种深束缚态。
 
介子原子
 
迄今发现的介子原子有两类.一类是负1T介子
 
与原子核形成的1T原子.另外一类是负K介子与原

子核形成的K原子。介子原子对我们了解介子与原
 
指出并承认这一事实并不够:更加重要的是应该分

析:以相对论体系和量子论体系为代表的当代物理

学应该如何进化、向什么方向进化?我们应该如何追

求、向什么方向追求?

回顾相对论体系的建立、发展和今天面I临的问

题,应该注意到哲学观点和科学思想之间的关系。对

此,爱因斯坦发表过精辟的见解:“哲学的推论必须

以科学的成果为基础。”而“哲学又往往促使科学思
 
想进一步向前发展,它能够在许多可行的路线中间
 
为科学指引一条(最恰当的)路线。”(引自《物理学的
 
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子核的强相互作用有着非常关键的意义。我们通过
 
实验测量出由于强相互作用带来的介子原子的能级

移动(相对于无强相互作用时的能级)和能级宽度
 
(核吸收的量度)这两个非常重要的物理量.就可以
 
知道介子与原子核之间强相互作用的信息.再通过

拟合这些实验上测得的数据信息.我们就可以提取

到描述介子与原子核间强相互作用的势场。探测来

自介子原子的X射线的实验装置通常由以下三部

分组成:第一部分是专门产生相应的介子束流.第二

部分是一个识别和产生所需要研究的介子原子的系

统:第三部分是一个精确测量来自靶上的X射线的
 
强度.能量和分布的系统。
 
根据实验测量结果.1T原子的能移和宽度在几
 
个到几十个keV范围内.而K原子的能移和宽度大

概只有十几到几百个电子伏特。这些能量的量级相

对于原子核的激发能量是非常小的.与原子的电子
 
激发相当。说明介子在原子核外围感受到了强相互

作用.但是这种作用强度非常小.与库仑作用强度相

当.介子在原子核表面外侧.只是一种势阱较浅的束
 
缚。 ’

最简单的K原子是K一氢原子.它由一个质子
 
和一个被库仑力束缚在其周围的K一介子组成。研究
 
K一氢原子对了解低能下K介子与核子(KN)的强相

互作用有十分重要的意义。在过去实验基础上.近来
 
利用新的实验技术对K氢原子的X射线进行了重

新测量.得到了不同于以往的强相互作用能级移动

进化》)。爱因斯坦在建立相对论体系的过程中,始终
 
贯彻着这一观点.这无疑是爱因斯坦创造奇迹的重

要的主观原因之一
 
在纪念爱因斯坦奇迹的今天.发扬科学精神和
 
社会责任感,独立思考、不畏权威、善于学习、努力工
 
作、注重方法、不尚空谈,直面科学面临的挑战,为人

类社会进步做出贡献;这或许是这位伟人成功的启
 
示。与此同时,爱因斯坦关于哲学观点和科学思想之
 
间的关系的思想和实践,同样指引着他的后继者们。
 
(中国科学院理论物理所~00080)
 
现代物理知识

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