如何構建一個宇宙模型?在一種理論正確與錯誤的問題上進行過多的爭論,這是不切實際的做法。一百年以前,阿爾伯特·愛因斯坦建立了有物理學革命意義的引力新理論,廣義相對論場方程以簡潔而優美的符號來表達,然而,複雜的數學方程式超出了大多數人對時空性質的理解。廣義相對論在過去的一百年經受了幾乎每一次的檢驗,現代物理實驗和天文觀測已達到極其精確的檢測水平,人們以廣義相對論為依託描述了宇宙的進化,使用了時間修正概念的GPS技術為人們回家的路指引了方向,在科學精神的召喚下,一代又一代的物理學家尋找著檢驗廣義相對論的新方法,每一次的檢測都有不耐心、不包容的科學和大眾評論人士把文章的標題寫成了:“愛因斯坦錯了嗎?”
廣義相對論不會是終極的物理理論,愛因斯坦本人從未聲稱,相對論抵達了科學理論的盡頭。引力和量子力學沒能實現很好的結合,其它的自然基本力(電磁力和核力)與粒子物理學的標準模型非常相容,但引力卻是個例外,它還不能融入標準模型的體系,人們不知如何將引力納入其中。弦理論似乎找到了問題的出口,為引力和量子力學的兩難選擇準備瞭解決的方案。諸如黑洞中心和宇宙原點的極端天體系統也許超越了廣義相對論的理論邊界。也許在某一天,從有耐心和包容心的科學家中出現了一位科學巨匠,他發表了“理論新解”得到了人們的讚美和追捧,新的知識和理論體系取代了廣義相對論,克服了在愛因斯坦的理論邊緣出現的各種問題。批評愛因斯坦的錯誤性,指責愛氏理論留下難以克服的問題,愛因斯坦沒有糾纏於證明牛頓是錯的。
人們總有一種正確與錯誤的慣性思維,簡單地解讀一個嚴肅理論的正確與否,這實際上是一種不切實際的觀念,物理學家對待有學術背景的理論好像木匠對於工具的選擇,物理學家不是首先指出正確與否的疑問,而是首先提問,“理論運用的效果如何?有沒有使用的可能、什麼時候以及如何使用?”。人們在有限的生命時間還不能發現自然終極的本質,人們不放棄、不氣餒,一直在尋找自然和現實世界的終極答案,人們努力地接近終極發現的目標,一直在努力建構某種終極的模型,人們希望學習和領悟自然世界的真諦,精確地測量各種物理和化學的引數,能有效地掌握和應用自然知識。
愛因斯坦是否正確的問題有時無關緊要,重要的問題是他創立的理論是否有用,人們僅需從GPS儀器獲得導航的資料,愛因斯坦是對的,從廣義相對論出發修正的資料是有用的,否則,人們找不到回家的路。當人們評價一個理論體系時,總想知道該理論是否有邏輯和數學的一致性,它是否給出了預測,這些預測是否得到了觀測的證實?人們可以用這個理論進行新的預測嗎?還有一個關鍵性的問題,這個理論能拓展到多大的範圍?它的界限在什麼地方?超越了這個理論的使用界限,它是否失去了作用?
考慮到公制單位的實用性,牛頓的經典理論有很強的實用性,牛頓的萬有引力公式比愛因斯坦的場方程表達得更為簡明扼要,萬有引力公式說明了在有質量的物體之間產生了相互吸引,引力大小與兩個物體的質量成正比,與兩個物體之間距離的平方成反比。引力的平方反比定律簡潔而實用,人們很容易計算諸如一個蘋果落地時的快與慢,“出手大方”的人們也很容易計算月球繞地球轉動的週期。
從原則上講,上述的每一個結果也能透過愛因斯坦的廣義相對論計算出來,但這類計算極其複雜,超出了大多數科學愛好者的計算能力,沒有一位科學家鼓勵人們使用廣義相對論的方程式,計算出月球圍繞地球轉一圈時所需的時間。物理學的專業人士清楚,以廣義相對論的公式計算的結果和以牛頓的引力公式計算的結果非常接近,不是物理專業的人士幾乎察覺不到其中的差別。牛頓的引力理論“瓦解”在他去世之後的很久時間才發生,經典和權威的牛頓理論從17世紀延續到了20世紀的早期,在19世紀的後期,似乎“不可違背”的牛頓引力理論才顯示了明顯的缺陷。在極端的物理條件下,諸如:當一個物體靠近了黑洞,當物體達到光速時,或光在太陽周圍傳播時,牛頓的經典力學失去了作用。
測量技術變得更為精確,在諸如GPS衛星的軌道飛行中需要矯正地球的時空彎曲帶來的微小變化,人們使用了超越牛頓理論的計算公式,牛頓的經典理論不能預測時空的微小變化,這難道是牛頓的錯?經典理論不能預測時空的變化。在物理知識前沿領域探索的物理學家致力於建立新的理論構架,當正在探索單個亞原子粒子的引力效應時,他們更能發現廣義相對論與量子理論的不協調性,他們在亞原子的世界發現,廣義相對論突然失去了作用,變得不再適用,這就需要建立一種新的、更為適用的理論。
當探索的視野伸向宇宙誕生的最早時刻,或延伸到宇宙演變的未來,人們可能發現現有理論的侷限,超越了現有理論的“界碑”,就連愛因斯坦理論的“工具箱”也不夠用了,面臨了新增新的理論工具的需求,但至少在現在,愛因斯坦的“工具箱”帶來了開啟宇宙執行大門的鑰匙,就像愛因斯坦說過的一句話,“宇宙最不可理解的地方就是它居然是可以理解的。”顯而易見,愛因斯坦的理論是否正確,這個“老生常談”的問題暫時是無關緊要的,理論的有用性才是問題的關鍵。廣義相對論解釋了許多人們還不能解釋的物理和宇宙現象,它的最實際的一個應用場景就是GPS定位和導航系統,這一技術已是人們在日常生活中所需的組成部分。
編譯:2016-4-21