一次奇妙的思维旅行

杨建邺/文
     一看到这本书的封面，我就想起了1938年年底和1945年7月发生的两件事。

    1938年12月19日，德国化学家哈恩在柏林通过准确的化学分析，发现用中子轰击92号元素铀以后，在反应后的产物里竟然发现有56号元素钡！而后哈恩的合作伙伴迈特纳在斯德哥尔摩很快利用1905年爱因斯坦通过相对论理论导出的“质能方程”Ｅ＝ｍｃ２计算，肯定了哈恩核裂变的发现。一种原子裂变的可怕武器，立即呈现在科学家的面前。

    1945年7月16日凌晨5点30分，在美国新墨西哥州荒野进行了人类第一次原子弹试爆的试验，这个试验的代号是“三一工程”（Trinity）。试爆成功以后，那地平线上突然出现的“比一千个太阳还亮的”可怕的蘑菇云，让奥本海默说了一段也许道出了在场所有科学家恐惧心情的话：

    我们等待着，直到爆炸气浪过后，我们走出了隐蔽所，然后是一阵极其严肃的沉寂。我们知道世界不会再是原样的了。少数人笑了，也有少数人哭了。大多数人则沉默不语。我记起了《摩呵婆罗多》中的印度经文：毗湿奴正在说服王子，他应该尽自己的责任，而且为了给他深刻印象，他摆出多臂的姿态说：“现在，我已经变成了死神，大千世界的毁灭者。”我想，我们当时都是这样想的，虽然形式不一样。
    科学家都明白：世界再不会是原来那样的世界了。一种新的东西诞生了，一种新的控制诞生了。1945年8月，日本上空爆炸了两颗原子弹，世界从此发生了巨大的变化。人们惊呼：“爱因斯坦的质能方程改变了世界！”要请读者特别注意的是，当时人们也许只注意到这种表观上的“改变”，实际上质能方程对世界的改变远远不只这种表观上的改变，还有更加深刻的改变，它需要人们逐渐地认识和发掘。

    能够改变世界的这个方程看来十分简单，但是导出它的思想概念却相当深刻，极为基本。对没有系统学过物理学的读者来说，似乎有一些高不可攀。有许许多多科普书籍希望填平这条壕沟，德国慕尼黑大学物理学教授哈拉尔德?弗里奇的《改变世界的方程：牛顿、爱因斯坦和相对论》一书，也是这样的一本书，而且可以说是做得非常好的一本书。

    弗里奇教授看开门见山地说：“我写此书的主要目的是要告诉大众，爱因斯坦的质能方程对于我们理解物质世界有着非同寻常的重要性。无论是现在还是将来，在广泛讨论开发核能的时代，即使是没有科学专长的感兴趣的读者，都应该能够明了相对论对于他们自身的重要意义。

    许多人将爱因斯坦的公式视为一个由物理学家发明的不可思议的代码，而不是将它看作深邃的自然真谛。我希望在不久的将来，相对论思想能脱掉那些不可思议的、神秘的和难以理解的外罩而变成我们的公共教育的一部分。我还希望本书能对这一目标的实现有所贡献。”

    当读者随着作者的叙述前进时，将会感到这真正是一次奇妙的思维旅行。

    弗里奇采用伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书里用过的办法：用三位学者对话的方式来叙述相对论建立时极其艰难的概念上的转换和改变。这种方式的确有利于使艰难的叙述变得简单扼要，不必为思维上的转换多费口舌。如果说伽利略利用这种形式来叙述两大世界体系的改变曾经非常有效，那么用来改变人们对最难于理解的相对论的时空结构改变，也许是很不错的尝试。现在看来，弗里奇的尝试非常成功。尤其是作者居然利用梦境，与40岁的牛顿和30岁的爱因斯坦直接进行对话，带着读者逐渐了解时空结构概念的改变，能量和质量之间的关系……看完全书以后，不得不赞叹作者的手法“实在是高”！

    每当爱因斯坦的相对论里在时空概念上有了改变，牛顿就会立即敏感地提出反对意见，因为爱因斯坦的每一概念上的改变都是直接冲着他牛顿的力学基础呀！他能不敏感吗？当牛顿得知“光速是一个自然常量”的时候，他立即气急败坏地说：

　　这听起来真是荒谬可笑、难以置信。你是物理学家，你应该知道没有什么速度能是个自然常量。任何速度都取决于观察者。不论是从一艘行驶的轮船上还是从一辆快速奔驰的小汽车上发出的光的速度，都会与我所拿的手电筒发出的光粒子的速度不一样。

    断言所有光粒子以相同的速度运动，这就如同说无需考虑观察者所有炮弹都是以相同速度飞行一样荒谬可笑。那不仅与我在《原理》中建立的一些定律矛盾，而且还违背常识。

　　这儿的牛顿实际上代表的正是人们的“常识”。相对论的结论似乎常常与常识相悖，也是读者最容易弄糊涂的地方。现在有了牛顿这位“代言人”代替读者提出疑问，读者应该放心和会心地微笑了！问题提出来了以后，爱因斯坦（或者是书中的第三位人物、当代物理学教授哈勒尔）就会仔细地给牛顿（其实是向读者）作出解释。这样丝丝入扣、探骊得珠似的整理概念上的漏洞或者错误，就比较容易让读者理解。而且，弗里奇教授由于担心读者没有经验而实际上对许多问题并没有深入理解，所以他经常主动设下疑问，让牛顿很有风趣地提出来。这样不仅增加读者的趣味，而且也增加读者对相对论深刻地理解。  

    还要请读者注意的是，这本书写于1988年，而书中的爱因斯坦只有30岁，时间间隔近70年。因此，很多新的进展爱因斯坦也不明白，因此他也会经常向哈勒尔教授提出疑问；很明显，如果爱因斯坦都提出疑问，那读者就该格外警惕，因为爱因斯坦的问题肯定更有思考的价值。

    哈勒尔：如果我们使电子和正电子各携带4.7 GeV的能量并相互对射，它们将几乎以光速碰到一起。一个新粒子可以在碰撞中产生，它的质量刚好等于相撞粒子的总能量，即9.4 GeV。这样一个粒子，大约10倍于一个质子那么重，是1977年美国在一个不同的反应中发现的，但是大约１年之后它在DESY实验室的电子―正电子湮没中被观测到了。它现在被称做宇普西隆，或者“υ粒子”。

    牛顿：产生这么重的粒子应该被视为爱因斯坦方程的一个激动人心的证明，原因是电子和正电子的所有动能都转化成了新产生的粒子的质量。

    爱因斯坦：这个粒子在它产生以后会怎样？它就呆在那儿吗？

    哈勒尔：肯定不会……

    这段对话特别有意思，牛顿成了后爱因斯坦发现的积极赞赏者，而爱因斯坦自己却有了疑问。当然这也是作者用心良苦呀！在
这次奇妙的思维旅行以后，我想，此前一些似知非知、似懂非懂的一些问题，在作者的梳理以后，一定会茅塞顿开、豁然开朗。作
者希望“相对论思想能脱掉那些不可思议的、神秘的和难以理解的外罩而变成我们的公共教育的一部分”的愿望，恐怕真的可以实
现了。