關于轉動，沒有那么簡單。

撰文 | 保羅 · 戴維斯（Paul Davies）

翻譯 | 柏江竹

很多人害怕坐飛機，尤其在起飛時會感到很緊張。而我面臨的問題與他們不盡相同：我的壓力來源于擔心錯過航班，哪怕及時上了飛機，我也會在臨近起飛時因緊張過度而陷入沉睡，半小時后醒來的我常常搞不清楚飛機是仍然停在跑道上還是已經在飛往洛杉磯的途中。

關鍵問題是，我們無法在飛機內部判斷飛機是否在移動。當然，如果飛機正處于爬升或下降階段，就很容易感覺出來；但當它在空中平穩地飛行時，這種運動是很難被察覺出來的。伽利略是第一個明確提出這一問題的人，并指出只能在有參照物的情況下對均勻的速度進行測量。例如，汽車儀表盤上顯示的速度是汽車相對于道路的運動速度，飛機的速度是它相對于地面或空氣的運動速度。

雖然物理學家很早以前就已經確定勻速運動只是相對的，但仍有一些人想知道，當地球繞太陽公轉并隨之在銀河系中運動時，其速度有多快。我們感覺不到這種運動，但我們的確在空間中穿行，這意味著如果以我們自身為參照物，空間正在不斷地穿過我們的身體，我們卻意識不到這一點。那么，空間的運動速度是多少呢？每秒有多少升空間在我們毫無察覺的情況下穿過了我們的身體？在伽利略指出參照物的問題之后，人們認識到似乎沒有任何物質設備能對空間的勻速運動進行測量， 我們甚至無法將手伸入周遭的虛空去探測空間掠過時的 " 氣流 "。那么，有沒有什么非物質的測量方法呢？

19 世紀末，一種新的可能性出現了：也許我們可以借助光來測量地球在空間中的運動速度？當時的物理學家想象空間中充滿了一種幽靈般的果凍狀物質，并稱之為 " 以太 "，他們把光波看作以太中以特定速度（光速）傳播的振動。物理學家發明了各式各樣的光學儀器，試圖測量地球在以太中的運動速度。經過幾年的努力，他們得出的結果竟然是 0。這一結果表明，地球在空間（以太）中根本就沒有移動！這顯然是講不通的。伽利略的勻速運動相對性原理和光以固定速度傳播的理論之間存在著明顯的矛盾，必須有人站出來對空間、時間和運動的本質以及光的性質重新進行評估。愛因斯坦接受了這 個挑戰，并在 1905 年發表了他的第一篇有關相對論的著名論文后聲名鵲起。愛因斯坦駁斥了以太的概念，宣稱光速恒定不變，但測量光速的觀察者處于運動之中。與此同時，他重申了伽利略的立場，認定勻速運動總是相對于其他物體而言的。他指出，探究物體相對于空間的運動速度非但是不可能完成的任務，而且毫無意義。

這一切都很順利，但對非勻速運動（存在加速度的運動）而言，情況又如何呢？我們可以毫不費力地測量這種運動，比如，如果我的咖啡因為飛機遇上氣流而潑灑出來，我無須看向舷窗外就能感知到飛機在空中的勻速運動受到了干擾。加速度就是速度的變化，我們可以感知到它的發生。如果你在開車的時候猛踩剎車，你的身體就會向前傾斜；如果你猛拉一把方向盤，你的身體就會狼狽地撞在車門上。這兩個都是加速度的例證，前者是速率的改變，后者則是方向的改變。

以固定不變的速度旋轉也會產生加速度，牛頓舉過一個相關的例子：水在一個旋轉的桶中會形成旋渦，中間低、四周高。我們通常將這個現象歸因于離心力。要回答 " 水桶是否在旋轉？" 的問題，只需觀察水面是否平靜就能立刻得到答案，而無須確認它是否存在相對于地面的運動。這個例子讓牛頓想到，轉動和加速運動并不需要以其他物質系統為參照物就能進行測量，這些運動是絕對的。一言以蔽之，加速度是相對于絕對空間（absolute space）本身的。

但并非人人都同意他的觀點，直到 20 世紀還有一些科學家認為，哪怕是轉動，我們也必須將其理解為相對運動。那么，參照物是什么呢？以前的物理學家常會說是相對于 " 固定的恒星 "。然而，恒星并不是永恒不變的，它們只是距離我們太遠了，以至于我們忽略了它們的運動。也許更好的說法是：轉動是相對于宇宙中的遙遠天體而言的。為了更好地理解這句話，你可以想象自己正閉著眼睛坐在游樂場的大擺錘上，并隨之以非常快的速度轉著圈。現在睜開眼睛向上看，你會看到什么？你看見了旋轉的恒星。當恒星停止旋轉的時候，你就會知道這趟大擺錘冒險之旅終于結束了，趕緊解開安全帶下來吧！

這種日常生活中的體驗讓一些人將遙遠的恒星視為加速度的體驗感的來源，其中最著名的就是奧地利物理學家、哲學家恩斯特 · 馬赫。沒錯，那個用于描述飛機速度的單位就是以他的名字命名的。馬赫說，你之所以會在游樂場的旋轉座椅上感覺到自己被拉向座椅的邊緣，或在電梯突然下降時感覺到胃里翻江倒海，都是因為恒星在牽拉著你。這是一個令人入迷的理論，現在我們稱之為馬赫原理。很多人都對它十分追捧，其中就包括愛因斯坦，他認為并非只有勻速運動是相對的，所有運動都是相對的。愛因斯坦希望能將馬赫原理融入他的廣義相對論，他認為所有遙遠的恒星和星系的作用加在一起會在局部產生可探測的效應，離心力就是其中一種。

有史以來最美的理論

廣義相對論被譽為人類智力的最高成就，它既是一個科學理論，也是一件精美絕倫的藝術品。它用一系列方程巧妙地將空間、時間、物質和力結合在一起。與許多自下而上的物理理論不同，廣義相對論源于一些極為宏大的原理，比如，所有物理性質必須從用于描述它們的指標中獨立出來。物體的幾何結構是由空間中物質和能量的排列方式決定的。牛頓提出的引力并不是一種具體的東西，真實存在的只有不斷演化、永不停歇的幾何結構，物質在其中翻騰，光穿行其間。牛頓的稍顯呆板的 " 絕對虛空 "（immutable void）概念被空間的概念取代：空間是一種充滿活力的動態實體，它可以伸展、收縮、扭轉、彎曲、脈動和震顫，并且會以振動的形式將能量傳遞的波動以光速向全宇宙傳播。廣義相對論到目前為止是無懈可擊的，即使在愛因斯坦創建這一杰出理論 100 年后的今天，也沒有出現任何與之相矛盾的觀測結果。

很遺憾，這項工作最終沒有成功。愛因斯坦的廣義相對論預測，如果一顆行星在真空中自轉，即便我們不參照任何 " 固定的恒星 " 來測量它的運動，它的赤道也會像地球一樣因自轉而隆起。愛因斯坦的理論是截至目前對引力最確切的描述，在轉動的問題上，它證實了牛頓的觀點，即轉動是絕對的而不是相對的。雖然我們無法就空間的速度進行有意義的討論，但討論真空中物體的加速度仍然是有價值的。

然而，這還不是這個問題的全貌。一些物理學家和宇宙學家正在嘗試修補馬赫原理的一些更微妙的方程式，這一難題目前尚未解決。事實上，我的許多同事有時會像牛頓那樣將空間想象成某種東西，有時又會將空間視為一片虛無。馬赫原理的魅力在于，它將人類的日常生活（比如跟隨大擺錘體驗旋轉的感覺）和宇宙的結構聯系在一起。詩人弗朗西斯 · 湯普森用詩句贊頌了這種美好的關聯：

萬物神創，

或近或遠；

朦朧神秘，

彼此相連；

一花既拈，

萬星睒閃。

作者簡介

理論物理學家、天體生物學家保羅 · 戴維斯（Paul Davies，1946-）是亞利桑那州立大學科學基本概念超越中心主任，主持搜尋地外文明計劃（SETI）后探測任務小組。他也是科學作家，撰寫 20 余本著作，包括 God and the New Physics, The Mind of God, The Last Three Minutes, About Time: Einstein's Unfinished Revolution, How to Build a Time Machine 等。

本文經授權摘自《誰會吃掉我們的宇宙》（中信出版社 · 鸚鵡螺）第七章。