相对论中的第三类文明

2015-10-30  ldjsld

什么是第三类文明?


前苏联的天文学家卡尔达谢夫根据热力学及能量定律 的原理理认为宇宙中的文明演化发展可能会依照他们使用能量方式的不同而分成三类
第三类文明是可以控制若干个恒星系和星团,甚至如银河系这样大的具有2000亿颗恒星构成的宇宙星系,真正的做到改天换地,这时文明的力量就会变得无所不能,不可想象。




我们都会对宇宙中究竟存在多少外星智慧生物的问题感到疑惑,仅仅在银河系中又会有多少先进的文明呢?最近一次检测到不明宇宙信号是在三十年前,被称为“WOW”(哇)信号的神秘无线电波来自于射手座方向上,究竟是不是由外星智慧生物所发出的,一直是个迷。




相对论中的第三类文明,UFO中文网



在20世纪60年代,俄罗斯物理学家尼古拉依·卡尔达舍夫将人类的文明进程划分为三类。第一类文明就是可以在自己居住的星球自由活动的文明,人类到20世纪40年代大型客机问世后就达到了这个文明层次。第二类文明就是在自己居住的星系内自由旅行的文明,人类在20世纪70年代登陆月球,但是,太阳系的其他星球尚无力涉足。这样算来,人类只是刚刚步入第二类文明的门槛,还远远没有达到第二类文明。第三类文明就是可以在宇宙空间自由旅行的文明,那些频繁光顾地球的UFO上的外星生命显然达到了这个文明层次。


然而,人类欲步入第三类文明,必须首先突破量子理论和相对论。这里就不再谈及量子理论,而只谈论相对论的基础和第三类文明的关系。


狭义相对论的建立是一个漫长的过程,首先对牛顿的“绝对时空观”提出质疑的是英国的哲学家贝克莱。在他的著作中,用了大量的分析证明运动不是绝对的,时间也不是绝对的。如果说,贝克莱对牛顿力学理论的“唯心式”的质疑只是拉开了人类认识牛顿力学理论不足的序幕,那么,到了19世纪中叶麦克斯韦建立起电磁理论方程后,人们才真正开始意识到,牛顿的经典力学和麦克斯韦的电磁理论的不协调、不对称。



1895年,荷兰物理学家洛伦兹迈出了第一步。他采用一套变换公式——洛伦兹变换,将麦克斯韦的电磁理论和牛顿力学理论协调化。但是,这里面的物理内涵是什么,洛伦兹并不知道,而仅仅是出于一种简单的数学处理。同一时代,法国大数学家庞加莱也在思考这个问题。庞加莱是一个极具物理学直觉的数学家,事实上,他先于爱因斯坦认识到空间、时间、运动的相对性。他甚至在其哲学名著《科学的价值》一书中提出了新物理学的框架,认为在新的物理学中,时间、距离、质量都将是一个变量。但是,由于他是个数学家,所以也仅仅停留在猜想的层面,验证的重任就落在了爱因斯坦身上。



1905年,爱因斯坦在德文物理学刊物《物理年鉴》上连发了五篇论文,其中的压轴之作就是《论运动物体的电动力学》。爱因斯坦从一个全新的视角,改写了牛顿经典物理学的面貌。通过引入洛伦兹变换,爱因斯坦重新定义了物理学中的基本概念,包括时间、距离、空间、速度、质量等。这篇划时代的论文,为人类描述了一个远离现实世界的物体在高速运动时的崭新的物理学图景。



相对论中的第三类文明,UFO中文网


由于相对论远离人类的常识,所以发表后并没有在欧洲物理学界引发“地,震”;相反,只有这篇论文的审阅者、量子理论的提出者普朗克力挺这个新理论。实际上,在这个新理论问世后的5年时间里,爱因斯坦个人的境况也没有什么改善,他依然在伯尔尼的专利局工作,只是偶尔有几个普朗克的朋友(他们也是相对论的支持者)来拜访处在窘境的爱因斯坦。

直到1910年,爱因斯坦的境况才有改善,他才算迈入正规的学术机构的大门。那年,他获得了柏林大学提供的一个教职,可以讲授他的划时代理论。

虽然到1920年,狭义相对论已经得到欧洲物理学界的广泛承认,但是,一个反对的声音还是出现了。这个人是来自瑞士一个大学的教师,叫瑞兹。

瑞兹对相对论提出了严厉的批评,在当时的欧洲学术界看来几近偏执。所以,没有人去深入研究瑞兹的质疑背后的深刻的物理内涵。到了1930年以后,相对论就一路走好,在高歌猛进中开始统治20世纪的物理学世界。



那么,瑞兹当年对狭义相对论的质疑都是些什么内容呢?他认为,狭义相对论通过洛伦兹变换,将电动力学还原回到了牛顿的经典力学,从物理学的进化角度看,是一种倒退,是复辟了。而正确的物理学,应该是放弃牛顿的经典力学理论,将所有的运动规律直接建立在电动力学基础上。

迈入21世纪的物理学家今天回头看瑞兹当年对狭义相对论的质疑与批判,会感到这又是人类历史上一位天才学者的质疑,就如同当年贝克莱对牛顿理论的质疑那样,远远超越了时代。

事实上,狭义相对论正如瑞兹所质疑的,是通过洛伦兹变换,用牛顿的理论框架描述电动力学,使运动学又一次回归“古典”。而我们知道,法拉第、麦克斯韦建立电磁理论后,电动力学就作为一种高级的运动形式被描述了。所以,从物理学进化的正确方向出发,应该是将电动力学作为运动学和动力学的基础,然后,用电动力学去重新表述力学。而不是像爱因斯坦那样,仍然用过时的牛顿力学做基础,去表述电动力学。

人类居住的宏观世界,电磁现象统治一切。我们感觉所触及的所有物理现象,事实上都是电磁相互作用和电动力学作用。因此,可以这样说,人类生活在一个电磁世界而不是力学世界。所以,物理学从深层次讲,应该是以电磁学为基础的,而不是牛顿的力学。

但是,由于人类认识上的局限,近代物理学一直是在牛顿力学的基础上发展,包括后来拉格朗日、哈密尔顿对力学的重新表述。直到19世纪中叶,电磁理论被建立后,物理学开始进入电磁学时代。本来,对人类而言,这是一个重建物理学大厦的绝好机会,可以将物理学建立在电磁学的基础上,但是,人类这时却无法绕开棘手的“电动力学”这个难题,只好又重新回归到已经成熟的牛顿力学为电动力学找到描述的方法。爱因斯坦的狭义相对论因此而诞生。

今天看来,人类这种走捷径的方式在当时看似有效,但对于物理学的进一步发展而言,却设置了一个永远无法跨越的障碍。可以这样说,狭义相对论是动力学的坟墓。

那么,那些已经步入第三类文明的星球上的智慧生命的物理学又是什么样的发展轨迹呢?

显而易见,那些智慧生命也处在一个电磁相互作用的世界,但是它们的物理学的起步却是从电磁学开始的。它们对运动的表述,使用电磁学的语言。这样,和地球人类的物理学体系相比,它们的动力学方程会很复杂,而不像地球上牛顿的运动方程那样简单。

但是,由于它们将运动的规律建立在电磁学基础上,而电磁学又是宇宙中最普遍的相互作用形式。所以,它们的物理学比起人类的力学基础而言,为物理学的发展提供了更为广阔的空间。

而人类建立在牛顿力学基础上的物理学体系,去描述电磁相互作用,就显得极为原始,极其不协调。更致命的是,为物理学的发展设置了一个永远无法逾越的障碍——物体的运动速度不会超过光速。

人类要步入第三类文明,必须对相对论做出取舍。保留相对论,意味着运动学进入坟墓,超越相对论,将运动学建立在电磁相互作用基础上的新物理学才能带领人类迈入第三类文明的大门。






步入第三类文明,我们缺少什么?



10年前好莱坞的科幻大片几乎都是涉及人类步入第三类文明的,如卖座的大片《星际迷航》等。人类迈入第三类文明,面临的两个最大的难题是,万有引力和超光速运动。前者涉及已困惑人类近5个世纪的万有引力的根源问题,后者涉及相对论的基础,这是当代物理学中最大的两个难题,

虽然当代物理学家们已几乎耗尽了所有的智力试图解开这两大谜团,但仍然一无所获,甚至可以悲观地说,对这两个问题的认识,当代物理学家与近一个世纪前爱因斯坦时代比较没有任何进步。

    当代的理论物理学家们似乎已经感到精疲力竭了。


    其实,早在1956年杨振宁和米尔斯建立杨----米 规范场理论之后,理论物理学就开始被淹没到粒子物理学的辉煌进步之中。但是,粒子物理学的进步并没有给引力的本源和相对论的基础这两大难题提供出任何有用的信息,相反,使问题更加复杂化了,引出了一个新的更深层的问题,那就是,量子理论和相对论,这两个理论,哪一个更完备。

    让我们把视线转回到一个世纪前创立的狭义相对论。


    一.狭义相对论的基础

      1905年,还是伯尔尼专利局职员的爱因斯坦在德文物理刊物《物理纪事》上连发了五篇论文,其中一篇题目叫“论运运动体的电动力学”,改写了近代物理学的面貌。几年之后,爱因斯坦的大学物理老师,闵可夫斯基将爱因斯坦的这个新理论称之为“相对论”,也就是说,运动是相对的。爱因斯坦本人则称这个理论叫“狭义相对论”以区别于后来提出的包含万有引力的更加普遍的“相对论”,后称“广义相对论”的理论。

    狭义相对论提出之后,并没有立刻在物理学界引起广泛注意,力挺这个理论的物理学家也就是普朗克。

    狭义相对论的基础是基于两个实验事实,第一是光速不变原理,第二是运动定律的普适性原理,既力学的运动规律,可以适用于电动力学。

爱因斯坦的狭义相对论在今后的一个世纪中经受了任何的理论和实验验证,至今找不出瑕疪。

从物理本质上讲,狭义相对论对运动规律的协调化工作是成功的,但是,这一理论却给人类的运动速度设定了一个极限----任何宏观物体的运动速度不会超过光速。从此,人类试图以超光速运动到达遥远星系成了一个梦想。

    为什么物体的运动不能超过光速?狭义相对论似乎给出了解释,那是因为随着物体运动速度的增加,它的惯性质量也增加,直至到达光速时达到无穷大,所以,光速是运动的极限。

    光速为什么是运动的极限?要想深入至这个问题,必须首先从狭义相对论自身入手。正如爱因斯坦所说,这个理论是试图将运动的规律变换到电动力学中。而我们知道,在电动力学之中,没有什么物体可以运动超过光速,也就是说,仅仅在电力学中,运动不会超过光速。更进一步用量子理论的语言说,所谓电动力学,就是只涉及与电荷可以发生耦合的运动过程。如果有一类运动不会和电荷发生耦合,那么,这一类的运动就不存在什么运动的速度的极限了,可以超过光速运动。

    在过去的几十年中,科学家们也的确观测到过超光速运动。在大尺度上,天文观测中发现过超光速运动的星团。在小尺度上,观测到超过光速运动的粒子,它们甚至还被起了个名字叫“快子”,意思是运动快于光速的粒子。

    但为什么存在这些超光速的运动?相对论本身给不出答案,量子理论也无法回答。因为,量子理论提供不出不和电荷发生耦合的运动过程能否超光速运动的任何信息,那么,量子理论到底是一个什么样的理论呢?


    二、量子理论

    量子理论源于1900年普朗克对黑体辐射的研究。为了合理解释黑体辐射这一现象,普朗克引入了能量作用的最小单位——能量量子的概念取代过去人们认为的在微观世界能量是连续的能量流传递。和几年后爱因斯坦提出相对论一样,量子理论在当时并没有引起人们的关注,直到后来爱因斯坦在解释光电效应的论文中采用能量作用量子的概念。所以,量子理论的确立,爱因斯坦做出了巨大的贡献。

到了20世纪30年代,量子理论与电磁场理论结合形成了量子场论,这一理论对粒子物理学的进步起到了极大的推动作用。

    如同相对论一样,量子理论的局限性不久就被人们发现了,如果说相对论带给人类的是运动不能超过光速,那么,量子理论带给人类的则是,人类不能同时测定一个粒子的速度和位置,这就是使爱因斯坦后来成为量子理论的质疑者的----测不准原理,又称不确定度原理。

    为了这个原理,爱因斯坦和玻尔在20世纪30年代初曾爆发过数场哄动当时整个欧洲物理学界的大争论。这几场争论当时虽然没有分出结果,但是到了20世纪60年,贝尔提出了著名的贝尔不等式,依据这个不等式,可以判定出玻尔和爱因斯坦谁是正确的。20年后,伴随着激光技术和单光子检测技术的发展,人们终于可以在实验室条件下验证贝尔不等式了。美国和欧洲两个实验小组相继得出数据,实验支持玻尔的观点,量子理论对自然界的描述是完备的,爱因斯坦的所谓的“隐变量”理论是错误的。即,量子理论的深层不存在一个什么尚未知的所谓的“隐变量”决定粒子的量子行为。

    说到这里,人们自然而然会问,既然量子理论对自然现象的描述是完备的,那么,为什么采用量子理论的语言描述万有引力不成功?难道在这20世纪的两大理论之中,只有一个理论是正确的?这个问题也的确是当代物理学家们深入思考的问题。也许在未来,我们会舍弃其中的一个理论,而被舍弃的,很可能是相对论,而不是量子理论。从深层次上讲,量子理论对自然现象的描述更加基本。

    事实上,相对论只是一个“唯象的理论”。从哲学角度讲,由于唯象的理论只是基于对现象的描述,而不是对其中机理的揭示,所以,最终都不会逃脱被新理论取代的命运。


    但是,量子理论就不同了,量子理论不是一个唯象的理论,而是一个揭示本质的理论。虽然它的数学基础尚有待进一步完善,但它却是一个直接可以能反映本质的理论,因此,物理学家将这种理论称之为“绝对理论”。如还有热力学第一定律,即能量守恒定律,热力学第二定律,即熵增原理。这些理论都被称为“绝对理论”。

    说到这里,人们自然会明白,为什么量子理论和相对论接合而出现的量子引力理论不会成功,原因就是,一个是唯象的理论,一个是“绝对理论”二者的物理学基础不同,自然不会融合到一起。


    三、引力理论的未来

    无论如何,迈入第三类文明,永远绕不开引力的本质问题。

    自20世纪六十年代以来,诸如超空间理论,弦理论都试图绕开相对论和量子理论开辟一条新的可以揭示出引力本质的道路,但至今仍不见曙光。超空间理论试图增加空间的维度重新描述引力,但是,一个无法回避的难题是,一旦空间的维度超过四维,那么,引力在其中就变成短程相互作用了,显而易见,超空间理论是一个被淘汰的侯选者。


    那么弦理论呢?至今人们无法判断出弦理论和经典的量子理论哪一个更加优越。从实用的角度看,经典的量子理论的数学处理已成熟,并且采用的数学方法简单,而弦理论采用的数学处理太过于复杂,因此,没有优势。

    弦理论目前也仅仅停留在对引力现象的描述上,仍然没有深入至引力的本质。引力源于物质的什么性质,仍然未知。所以,喧闹一时的弦理论如今似乎变成了几乎没有物理内涵的数学游戏了。


    结语

    人类试图迈入第三类文明,引力的本源,超光速运动永远是两个绕不开的难题。20世纪物理学的进步,并没有揭开这两大谜团,甚至在某种程度上弱化了人们对两大难题难度的认识。21世纪的物理学家至今面对这两大难题,依然尚未找到入口,人类迈入第三类文明的道路依然漫长。


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