誰將推倒物理學的殿堂？

2006-11-04 19:53 作者:麥燒

讓我們回到16世界末17世紀初。

1590年，在象徵權威高高在上的比薩斜塔上，伽利略讓兩個質量懸殊的鐵球同時下落，結果兩個鐵球同時落地。在今天看來這是常識性的可預知的結果，但「兩個鐵球同時落地」的實驗推翻了持續1900年的錯誤結論，被當作科學史上最著名的實驗載入史冊。

伽利略(Galilei)

1609年8月21日，在聖馬可廣場的鐘樓上，伽利略展示了能將物體放大9倍的新天文望遠鏡。布魯諾在羅馬被施火刑後的短短几年，伽利略便向那些透過望遠鏡仰望天空的人們揭示這樣一個事實: 月球表面坑坑窪窪，木星也有自己的衛星，地球沒有任何與眾不同，最重要的是——它在一個運動體系中看似靜止，這可能恰恰說明它自身也在運動。

兩個鐵球和一臺望遠鏡徹底顛覆了盛行2000多年的亞里士多德科學的統治地位，現代科學就這樣在聖馬可廣場的鐘樓上誕生了。

 教堂的壁畫記錄了伽利略的偉大發現

藉助這些觀察結果，伽利略總結出物理學的奠基理論——相對性原理，並在23年後的著作《關於世界兩大體系的對話》中將它形式化。

現在讓我們用一個曖昧的例子形象化地闡述一下相對性原理。

舞池旋轉，琴瑟相宜，你的舞伴是你最喜歡的女人或者如果她還未出現的話，可以讓麗芙·泰勒充當你的臨時舞伴。這是一個裙擺搖曳、活色生香的夜晚。這個夜晚隱藏了相對性原理的兩個含義。

麗芙·泰勒(Liv Tyler)

1 與你喜歡的人共度良宵，你會感到時光飛逝。對於世界上的其他人來說，他們度過了普通的24小時，對於你來說，美妙時間是如此短暫,你希望第二天晚些來臨。與此相對應的原理: 一個物理現象的表現並不取決於它的時刻（良宵），而取決於它的參考系（你）；

2 當你和你喜歡的人進展順利並決定終守一生踏上蜜月之旅的時候，你們搭乘某架飛機，這時相對於地面物體來說，你們是運動的，相對于飛機上的人來說，你們卻是靜止的。與此相應的原理: 一個物理現象的表現並不取決於它的位置，同樣也不取決於物體的運動（飛機），而取決於參考系的位置和運動（你和你的女友）。

這位義大利學者的理論非常簡單，卻是那麼豐富——運動、方向、時刻和位置都是相對的概念，在建立描述自然現象的理論時無需將它們考慮在內。

牛頓把它用作慣性理論和萬有引力理論的基礎；愛因斯坦的狹義相對論不過就是對伽利略理論的精確描述；而廣義相對論和量子力學在對這個世界描述中又再次呈現相對性原理的另一個面貌。

物理學的主幹就是這樣堅實地成長在伽利略的理論中，而以後的科學家終於讓這顆大樹枝繁葉茂。

不過，兩個分枝的成長讓這顆大樹的建設者們陷入前所未有的困境。

20世紀初，量子力學和廣義相對論幾乎同時誕生。它們一個是對微觀世界的詳盡描述，一個是有關引力和天體世界的描述。這兩個理論至今仍然被視為物理殿堂的兩大支柱。

但它們的弱點也不再是秘密: 就像兩個前世冤家，兩種理論對世界的描述無法吻合，更糟高的是，當它們面對某些敏感話題例如大爆炸或者黑洞理論，它們竟公然對立。

80年來，物理學家們反覆思考、修正並拓展愛因斯坦的觀點，為的是打造一個更好的新理論，以包容甚至超越這兩個無法調和的理論。

到今天為止，我們已經擁有幾種候選理論，而麻煩的是每一位候選者都無比複雜，而且，我們到現在也不能確定它們之中是否真正存在這個一統天下的王者。

「質疑」讓物理學從亞里士多德時代進入伽利略時代，「質疑」讓物理成為今天我們所看到的物理。現在，一些物理學家又開始質疑，矛頭指向現代物理學的根基——伽利略相對性原理。

如果空間確實存在一定的方向性，光速因此而產生略微的不同，而我們可能並未察覺這些變化。這樣的如果是否成立？

實驗物理學家開始行動。

在美國工作的英國物理學家阿蘭·考斯泰勒基向整個物理學界提出了他的疑問。他經過幾年的研究，建立了一個模型可以系統地深入研究狹義相對論的方方面面，並揭示原始的錯誤——如果這個錯誤真的存在的話。

從西雅圖到中國臺灣，還有杜塞爾多夫、珀思和巴黎，數十名實驗物理學家用不同的理論或者不同的工具——從大型粒子物理中心到小型實驗室——也在同時進行他們的實驗和嘗試，這一切都只為了一個目的: 找到錯誤。讓物質說話，使它承認，時空並非如伽利略或者愛因斯坦所想的那樣完美。

但目前，沒有任何人找到讓所有科學家滿意的發現。

到底是誰的錯誤？伽利略、愛因斯坦還是考斯泰勒？物理學家們仍在泥沼中艱辛前行，也許有一天，一切都將豁然開朗。