第3章 宇宙法则——力 时空和质能在此统一

今天我们已经有能力解答某些重大问题，曾几何时，这些答案还被看作是牵强附会，因为想要解答它们必须对事物本质和宇宙规律有更为深入的认知。物理学的一部分通用定律为我们搭建了坚实的基础，在此之上，我们逐渐构筑起对现实不同层次的理解。狭义相对论，将牛顿动力学拓展至相对速度接近于光速的极限条件；广义相对论，则将万有引力应用到相对论的案例中；而量子力学，更是对微观尺度下测量过程的特点和限制进行了严谨的描述。此外我们还有统计力学的各类定律，尤其是热力学第二定律——它详细描述了多粒子系统的无序性，以及它随时间推移而势不可挡地增长。这些基本定律表明了在微观和宏观层面上一部分物理量的守恒特质，同时也为宇宙万物制定了在所有时间、地点和其他条件下都必须遵守的规则：能量、动量或者说线性动量（运动物体的质量和速度的乘积）、角动量（旋转运动的动量）和电荷。此外还有另外一些已知守恒量，在尚未观测到的某些特定条件下，将可能不再守恒。例如电子和中微子等被称作轻子的粒子，和与其相对、拥有相反轻子数的反粒子；还有如质子和中子等被称作重子的粒子，及与其拥有相反重子数的反粒子。而对于其他类型的粒子守恒定律则不再适用，例如那些携带基本力的粒子，尤其是光子，它作为电磁力的媒介子，可以被不计其数地创造或破坏。

这一系列坚实的物理定律是几代科学家努力的结果。今天我们之所以能够享受这般风景，正是因为我们站在巨人的肩膀上，而巨人又站在了其他巨人的肩膀上。值得铭记的是，我们收获这一成果的时间十分短暂——与年纪长达百亿年的宇宙相比，也就不过一眨眼的工夫。

我们的大脑已经习惯了探究以数十亿年计的时间和以光年为单位的长度——一光年约等于太阳系直径的350倍——而今天我们的语言也囊括了足以承载非常大、非常小、非常慢与非常快的词汇和概念。正是得益于此，我们宇宙的历史才能被转述成引人入胜的故事。而更加精彩的是，这个故事的部分甚至全部，都将通过人类智慧的发明——那无论是现在还是未来都值得与全种族共享的工具和方法——得到验证。我们将会把这个故事和研究工具一起传与子孙后代，让他们继续进行科学研究，为自然之书写下新的篇章。

根据我们目前对物理定律的理解，用于描述宇宙的因素只有几个。

只有力、能量与质量、时间与空间。

爱因斯坦用狭义相对论和广义相对论，一方面为我们提供了质能等价的证据，另一方面也展示了空间、时间和引力之间的紧密联系。如此一来，这已然短小的名单就概念而言又将再次缩减。简短，并不意味着简单，一如我们随后即将看到的那样。站在当代科学的角度上看，它们揭露了许多曾被古代思想家们所忽视但却对描述我们的宇宙有着非凡意义的惊人特性。

让我们来回忆一下力的概念：我们对什么是力有着直观的体验，它迫使物体以与不受力条件下不同的方式移动。牛顿在17世纪便以自己的力学定律解释了这一切。在这位伟大的英国物理学家之后，量子力学扩展了这一理论，引入了力场的概念，填补了相互作用的电荷之间的空间——它们通过被称为介质的粒子进行传播，与物质进行相互作用。想象一下空旷空间和超距作用，量子理论为力带来了一个截然不同的定义。目前我们已证实的基本力种类有限，准确来说仅有四种：引力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力（简称“强力”）。至于为什么只有四种，以及为什么它们的强度和覆盖范围天差地别，则无从知晓。不过我们知道，正是归功于它们，物质才能井然有序地分布于宇宙的各个尺度中。

至于质量，则在现代物理世界的描述中起着核心作用。自古希腊时期开始，我们便一直认为物质由微小不可分割并具有重量的点状粒子构成。直到牛顿的出现，才为我们揭露了质量和重量之间的差别：根据他的第二运动定律，惯性质量是联系力与加速度的物体属性，而在万有引力中，引力质量则是产生和承载重力的作用物。爱因斯坦在其广义相对论中将这两大质量统一，赋予引力扭曲时空的重要能力。

在狭义相对论的发展过程中，爱因斯坦注意到质量的另一个惊人属性——它可以转化为能量，反之亦然。著名的方程E=mc²讲的正是，如果我们取一定千克数的质量，乘以光速的平方（一个极大的数字），就可以得到（巨大的）能量（以焦耳为单位）。显然，想要实现这一转变，必须具备特定条件，如核聚变或核裂变。不过同时，我们也可以把粒子质量看作一个足以容纳巨大能量的容器，在适当条件下便会加以释放。此外，量子力学将具有质量的基本粒子视为波，采用了一种令人惊奇的概率性描述——虽然不易掌握，但却卓有成效。

能量，同样也是一个直观的概念：它与物质的运动（动能）及倾向（势能）相关，做功或是吸收。能量，甚至可以是正值或负值：动能即由物体运动所产生的正能量，重力势能即两个物体被彼此间的引力束缚时所产生的负能量。我们随后将看到，这一点在定义宇宙的最初时期起到了多么关键的作用。

惊喜还没有结束。我们所见证过的最深刻的概念革命，正是爱因斯坦对于空间和时间的定义，他将二者在狭义相对论和广义相对论中进行了统一。我们知道，时间，一直以来都是各个历史时期哲学家和思想家所热衷讨论的话题：从“我知道时间是什么，但当别人向我问起时我却无法解释”的奥古斯丁，到基于“绵延”区分了“意识时间”和作为“外部时间”表征的一系列并列瞬间的柏格森，以及不可忽视的康德——他提出时间和空间一样，并非源自经验的概念，而是“先天综合判断”。而爱因斯坦对时间的描述，同时也是我们在本书中唯一涉及的学说，则剥离了与人类思想或意识状态相关的所有特征。他以一种极为务实的方式，将时间（以及空间）的概念重新带回到物理世界规定严格的程序中：以光、时钟和规则为基础，精准地定义时间（或空间）间隔。爱因斯坦的方法将时间与空间引入了几何描述，因此它们的间隔也不再是绝对的而是相对的。测量这些间隔类似于从不同角度观察一个几何形体：在时间（和空间）中，这个观察视角则被一个观测者向另一个观测者移动时的相对速度所代替，而在存在引力场的情况下，还要加上质量对时空结构曲率所造成的影响——这意味着，在适当条件下，比如黑洞附近，时间将停止流动甚至消失。而在爱因斯坦的理论提出之前，这一切却从未被考虑在内。

最后我们终于来到了空间。表面上看来最显而易见的东西，也许却最为神秘莫测、难以捉摸。首先，物理空间被赋予了属性，并非简单的物体容器。在空间里，质量会进行移动，光会进行传播。真空，为量子力学的虚拟状态提供了发酵场所。空间可以自行曲折、自行闭合，排除任何外部空间对其进行观测的必要。不过，空间还有很多其他属性，它们都在爱因斯坦的广义相对论方程中被表述，其中之一便是度量，即定义距离尺度的量。为了理解这一点，让我们来假设一个具有一定半径的球体，我们在其表面上每隔10米做一个记号。接着让我们来设想一下改变这个球体的半径：假如将其翻倍，则每个标记之间的距离同样翻倍；假如将其减半，距离也随之按比例缩短。球体表面上两个记号之间的距离便是球面的度量。曲率的改变不会影响记号的数量，改变的只是它们之间的距离。广义相对论把引力的作用描述为对时空度量的影响：引力越强，曲率半径就越小，空间也就越扭曲，反之亦然。但是能量是始终守恒的。在曲率度量中所储存的能量，对应着引力场的能量：随着度量的改变，空间内的质量也随之开始进行能量交换。当球面的曲率半径发生变化，位于球面上的物体会怎么样？相较于体型庞大的球体而言，这些几乎可以被看作点状物体的内部并不受到变形的影响，改变的只是它们与遥远物体间的距离。同时，如果曲率半径随着时间持续变化，那么两个物体在球面上相距越远，则它们之间的相对速度就越大。

度量，作为空间的几何特性而非类似质量或能量的物理量，还享有另一大独特属性：它的变化速度不受狭义相对论的限制。正是得益于度量及其特性，爱因斯坦的时空才具备了在牛顿力学理论里不曾拥有的基本自由度。

爱因斯坦的空间就像游乐园的蹦床一样可以变形。自宇宙诞生以来，度量的变化就一直伴其左右，并随着宇宙演化的不同阶段显著改变着节奏：正如我们即将看到的，由于度量扩张的速度远超光速，宇宙在诞生之初经历了极其短暂的暴胀阶段。经过几十亿年的匀速扩张之后，约50亿年前，度量扩张又再次在宇宙距离内加速，并形成了与今日宇宙相当的大小。此外，正如引力波，那样，大质量物体的剧烈加速也会引发度量变化：爱因斯坦早在1915年广义相对论中便对其有所预言，但直到一个世纪后它才被揭开了神秘面纱。

时空、质能以及基本力，这场宇宙盛会的主角，都受制于相互作用力的基本定律。这些基本元素组成了千变万化、形态各异、晦涩复杂的宇宙——它并不是相似结构的无数次重复，而是少量元素之间无数次组合所演变而成的万千形式。正是在这样一个繁复且看似愈发混乱而急需秩序的宇宙之中，浮现了许多科学初次面对的课题，点燃了我们的好奇心：例如生命的起源以及生物的进化、宇宙中其他生命形态的存在，以及描述这一复杂整体的法则定律。

在随后的章节中，我们将对上述课题中的一部分进行介绍。不敢说是系统性讲解，只希望能激发诸位读者对宇宙这一话题的兴趣。当今科学急速发展，寥寥数语难以描述这个领域的持续性进步，相信每天的新闻报道都已经充分表明了这一点。为了在今天这样一个科学技术愈显重要的世界里摸清方向，当务之急，便是从海量激发我们好奇心但却无法满足我们求知欲的科技发展中，总结出关键内容，加深、拓展我们对基本元素的认知。