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一切都是幻覺?-《為什麼E=mc2》

《為什麼E=mc2?》

時間和空間

「時間」和「空間」對你而言,意味著什麼呢?也許在你想像的畫面中,空間是寒冷冬夜裡繁星點點的浩瀚蒼穹,又或許是裹著星條旗拖著金色尾巴的火箭將神采奕奕的太空人送入孤獨的衛星軌道時,身後留下的一片空虛。而時間也許就是手錶上滴答作響的時針,抑或是隨著太陽第五十億次向北傾斜中,慢慢變黃的葉子。古往今來,我們都在這個藍色的星球上生活著,直觀地感受著時間和空間。

十九世紀末,人類在好似沒有任何關聯的幾個領域內相繼取得了重大的科研突破,這些科學成就促使物理學家們重新審視我們眼中的時間和空間,以及那些停留在直觀層面上的認識。不久之後的二十世紀初,愛因斯坦的導師及同事閔考斯基這樣寫道:「從現在開始,時間與空間已不再各自獨立存在,取而代之的是兩者混合體的誕生。」這段著名的宣言,直接宣判了古代關於天體運行等天文理論的死刑。

那麼,閔考斯基所說的「時間和空間的混合體」到底是什麼呢?要了解這個帶有濃重神祕色彩的新名詞,我們就必須了解愛因斯坦的狹義相對論。在狹義相對論裡,世界第一次看到了 E = mc2 這個著名的公式;由此,在繼續探索宇宙奧祕的旅程中,光速 c 進入了我們的視野,並牢牢地站在科技大舞台的正中央。

愛因斯坦狹義相對論的核心內容是對時間及空間的描述。其中,最重要的一個概念是一種速度,一個宇宙中任何事物都不可能超越的極限速度,也就是光速。在真空中,光速可以達到每秒299,792,458 公尺。光以這個速度,從地球出發,經過八分多鐘可以到達太陽,十萬年後能穿越我們所在的銀河系,超過兩百萬年後可到達仙女座星系,我們在宇宙中最近的鄰居。每當夜幕降臨,地球上最大的天文望遠鏡就會將目光投向宇宙的深處,盡全力去捕捉最深處的點點光芒,而發出這些光芒的恆星可能此刻早已消亡。比地球從一團星雲中誕生還要早幾十億年,也就是在大約一百億年前的時候,這些星光便開始了自己的旅程。光速極快,但相對於星際間的遙遠距離,也顯得那麼微不足道。我們能透過類似於歐洲核子研究組織在瑞士日內瓦的大型強子對撞機這樣的設備,把一些非常小的物體加速至接近光速,差距僅約光速的百分之一。

這個特殊速度的存在,或者說是宇宙航速極限的存在,本身就是一個奇怪的概念。如同我們接下來會在本書中揭示的那樣,將這個速度和光速聯繫起來其實是一個障眼法。而在愛因斯坦的理論中,它將扮演更重要的角色,同時光為什麼以每秒299,792,458 公尺的光速前進,也自有其原因。當然,這些都是後面的內容。現在,我們僅僅需要知道當物體以接近於光速的速度移動時,意想不到的事情便會接踵而來。有沒有任何其他的原因在阻止物體以超越光速的速度運行呢?因為我們對「沒有任何物體的速度能超過光速」這句話的感覺,就好像「不論發電機的馬力有多大,自然法則都將導致我們的車速無法超過每小時一百公里」一樣令人費解。

顯而易見,自然法則不像道路速限那樣需要交通管理部門來貫徹執行,因為整個時間和空間都是依照自然法則形成的,這些自然法則是無法在這樣的世界裡被打破的。如果它們被打破,這個世界中便會產生很多無法預料的結果,這不能不說是我們的幸運。在本書後半段的章節裡,我們將發現,如果我們能超光速移動,那麼人造時間機器就能回到歷史上的任意時刻。可以想像,出於某種目的或是不小心,我們回到了自己出生之前的某個時刻,並阻止了自己父母的相知相識。

這類情節經常出現在精采的科幻小說裡,但是真實的世界卻無法如此編排,愛因斯坦的研究也表明我們的世界不是那樣形成的。時間和空間以一種精妙的方式交織在一起,避免了這些似是而非的觀點產生。但是,為了究其原理,我們需要付出代價,必須捨棄一些根深柢固的關於時空的觀念。在愛因斯坦所描述的宇宙中,移動的鐘錶會變慢,運動的物體會縮小,人們可以到幾十億年之後的未來世界旅行。同樣在這個宇宙中,人們的生命可以被無限延長,長到人們可以看到太陽燃盡,海水蒸乾,目睹整個太陽系陷入永恆的黑暗。人們還能見證新的恆星和行星從星塵中誕生的過程,甚至可以看到新的生命萌發在宇宙的某個角落,即使作為他們家園的那顆星球目前還不存在。愛因斯坦的宇宙能開啟人們通往遙遠未來的高速通道,同時也能將回到過去的大門死死關閉。

看完整本書後,讀者們將明白愛因斯坦如何「被迫」得出這如夢似幻的宇宙觀,而他的觀點又是如何被許多科學實驗及實際科技運用證明是正確的。以車用衛星導航系統為例,它的設計就考慮到地球衛星軌道中的時鐘和地面上的時鐘快慢不一的問題。愛因斯坦的想法是大膽的:時間和空間的真面目並不是它們表面上看起來那樣!

現在,我們有點超前了。在能夠充分理解和體會愛因斯坦的非凡發現之前,兩個在相對論中占有核心地位的概念值得我們仔細思考,那便是時間和空間。

想像一下,自己正在天上的飛機裡讀書。當時針指向十二點時,你看了一眼手錶,決定放下書,離開座位,經過走道,來到坐在你前面十排的朋友那兒聊聊天。十五分鐘後,你回到自己的位置,重新拿起書。常識告訴你:自己回到了原位。因為你經過了同樣的十排座位原路返回,並且回到了你之前擱下那書本的位置。我們不妨更深一層地思考這所謂的「原位」。也許你覺得這毫無必要,甚至有點陳腔濫調,因為當我們平時提到原位的時候,大家都明白它的意思。例如,和朋友約在一家酒吧聚會,從相約到相見的這段時間當中,酒吧不會移動,自然也就一直處於原位。而當我們歡聚離開之後,酒吧也很可能一直保持在那個原位不變。很多在本章中出現的概念和推理,表面上看是毫無必要的,不過還請讀者們跟我們一起思考。仔細思考這些看起來顯而易見的東西,它們將帶領我們追尋亞里斯多德、伽利略、牛頓和愛因斯坦這些科學巨匠的足跡前行。

那麼,我們如何才能精準地定義「原位」這個概念呢?全球定位系統給我們提供了一些參考。虛擬的經線和緯線縱橫交錯地布滿地球,這樣地面上任意一點都能用兩個數字表示,即經度和緯度,我們能夠輕而易舉地運用經緯來定位點。例如英國曼徹斯特市在地球上的座標為北緯 53°30’、西經 2°15’,只要我們都同意格林威治子午線以及赤道在地球上的位置,這個座標就能告訴我們到哪裡可以找到曼徹斯特市。參照這個全球經緯系統,我們能聯想得到,如果想在空間中定義任意一點,我們可以建立一個虛擬的三維座標系統。這個系統可以由地表向上,在大氣層中無限延伸,亦可向下穿過整個地心,從地球的另一邊出來。運用這個系統,我們就能描繪世上萬物的位置,不論它是在地表、空中還是地下。也可以不僅僅局限於地球,讓系統繼續向外延展,超越月球、木星、海王星、冥王星,甚至跨過銀河系的邊緣,向更遠的宇宙延伸而去。有了這樣一個接近無限大的座標系統,所有物體都可以被打上座標。用伍迪艾倫的話來說,如果你是那種從來記不住東西放在哪兒的人,有這樣一個系統是非常方便的。我們這個巨大的座標系統為宇宙裡的所有物體都定義了一個確切的存在位置,就好像一個巨大的箱子裡裝著宇宙萬物。也許,這樣一個座標系統可以被稱為「空間」。

讓我們重新回到剛才關於「原位」的問題,以及飛機的例子。在飛機的例子中,你也許認為十二點十五分時自己在空間中的位置和十二點整時完全相同。但是,如果在這段時間內,恰巧有個人站在地面上抬頭看你所乘坐的飛機,他眼中的這一系列活動又該是怎樣的呢?對他來說,飛機在天空中以每小時一千公里的速度飛過,在十二點整到十二點十五分這一刻鐘裡,你移動了兩百五十公里。換句話說,十二點整和十二點十五分這兩個時間點上,你處在兩個不同的位置。到底誰的說法是對的呢?誰在這一刻鐘裡移動了,誰又是靜止不動的呢?

(全文未完)

摘自《為什麼E=mc2?探索時空、質量之源與希格斯粒子》第一章〈時間和空間〉。本書由貓頭鷹出版社出版,獲2012年12月PanSci選書推薦

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