科學研究探索的是萬物之本。萬物之本是什么？上帝是如何設計這個世界的？這是愛因斯坦的困惑。首先簡單概括了牛頓力學及麥克斯韋電磁理論。從經(jīng)典理論碰到的困難，引出愛因斯坦建立相對論的思考和歷史過程。第一章主要介紹狹義相對論的基本概念。第二章介紹廣義相對論少不了的數(shù)學工具：黎曼幾何。從幾何直觀和物理應用的意義上來引進黎曼幾何，并重點突出內蘊幾何思想的重要性。第三章中解釋了狹義相對論引發(fā)的有趣佯謬及質能關系式。第四章介紹廣義相對論的基本思想，第五章則是主要介紹了宇宙學中的大爆炸理論、暗物質、暗能量等假設的來龍去脈、最新研究狀況等等。從《上帝如何設計世界：愛因斯坦的困惑》中也可看到這些偉大發(fā)現(xiàn)背后的故事和科學家的思路歷程�？茖W家們是如何發(fā)現(xiàn)問題的？他們歷經(jīng)了一些什么樣的困難？他們又是如何想到了解決問題的方法的？探討發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的歷史，領略其背后隱藏著的生動靈感和科學精神。
作者簡介：
張?zhí)烊�，女，科普作家，美國得州奧斯汀大學理論物理博士，現(xiàn)住美國芝加哥。研究課題包括廣義相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、毫微微秒激光、集成電路EDA軟件等。發(fā)表專業(yè)論文三十余篇。2008年出版科普小說《新東方夜譚》；2010年11月出版懸疑小說《美國房客》。2012年開始，在科學網(wǎng)發(fā)表一系列科普博文，其文風深入淺出，趣味盎然，亦保持科學的嚴謹性，深得讀者喜愛。是第六版《十萬個為什么》物理卷參編者之一。已出版多部暢銷科普讀物：《蝴蝶效應之謎：走近分形與混沌》《世紀幽靈：走近量子糾纏》《電子，電子？誰來拯救摩爾定律？》《數(shù)學物理趣談：從無窮小開始》《噴頭下的世界：漫談3d打印》。
目錄：
造物者的奧秘：寫在廣義相對論誕生100周年
第一章時間空間之謎
1.牛頓點亮的火把
2.電磁交響曲
3.尋找以太
4.相對性原理
5.什么是“同時”？
6.萬有引力
7.量子革命
第二章黎曼幾何
1.幾何幾何
2.迷人的曲線和曲面
3.爬蟲的幾何
4.愛因斯坦和數(shù)學造物者的奧秘：寫在廣義相對論誕生100周年第一章時間空間之謎1.牛頓點亮的火把2.電磁交響曲3.尋找以太4.相對性原理5.什么是“同時”？6.萬有引力7.量子革命第二章黎曼幾何1.幾何幾何2.迷人的曲線和曲面3.爬蟲的幾何4.愛因斯坦和數(shù)學5.矢量的平行移動6.阿扁的世界7.測地線和曲率張量第三章相對論佯謬知多少1.雙生子佯謬2.同時的相對性3.閔可夫斯基時空中的固有時4.四維時空5.勻加速參考系上的Alice6.飛船佯謬7.質能關系E=mc2第四章引力和彎曲時空1.等效原理2.圓盤佯謬和場方程3.實驗證實4.時空中的奇點5.霍金輻射6.黑洞的戰(zhàn)爭第五章茫茫宇宙1.宇宙常數(shù)的故事2.大爆炸模型3.永不消失的電波4.探索引力波5.暗物質6.引力透鏡7.暗能量8.路在何方？前言當你仰望繁星密布的夜空，環(huán)顧神秘莫測的宇宙，你可能會提出種種疑問：星星到底有多少？宇宙究竟有多大？實際上，從遠古時代起，人類就開始了對天體運行及宇宙起源的探索和思考，無論是西方舊約中的上帝創(chuàng)世紀，還是中國神話中的盤古開天地，都將天地宇宙描述成是處于永恒的運動和變化之中。即使后來人類掌握了科學這個銳利的武器，也仍然賦予宇宙以動態(tài)的圖像，而非靜止和一成不變的。既然宇宙處于不停的變化之中，那么，它變化的歷史如何？它是否有一個起點和終點？它是如何演化成我們現(xiàn)在所觀察到的這種形態(tài)的？它未來的命運如何？對這一大串問題，也許每種宗教、甚至每個人，都有自己的說法，但我們這兒感興趣的，是科學家們如何回答這些問題，更為具體地說，物理學家們是如何回答這些問題的？
科學是人類走向文明過程中創(chuàng)造的奇跡，是古往今來成百上千個科學家心血和智慧的結晶�？茖W研究探索的是萬物之本。萬物之本是什么？從古到今，不同學派給出不同答案。畢達哥拉斯認為“萬物皆數(shù)”。但萬物皆由物質構成，萬物之本應與研究物質的物理學有關。物理學是“究物之理”的科學，探討研究從無限小的微觀世界到無限大的宏觀世界，擔當了“上窮碧落下黃泉”的艱巨任務。
在物理學中，有一個偉大的物理學家的名字，印在了每一個現(xiàn)代基礎物理理論的篇章中，他就是：愛因斯坦。當你仰望繁星密布的夜空，環(huán)顧神秘莫測的宇宙，你可能會提出種種疑問：星星到底有多少？宇宙究竟有多大？實際上，從遠古時代起，人類就開始了對天體運行及宇宙起源的探索和思考，無論是西方舊約中的上帝創(chuàng)世紀，還是中國神話中的盤古開天地，都將天地宇宙描述成是處于永恒的運動和變化之中。即使后來人類掌握了科學這個銳利的武器，也仍然賦予宇宙以動態(tài)的圖像，而非靜止和一成不變的。既然宇宙處于不停的變化之中，那么，它變化的歷史如何？它是否有一個起點和終點？它是如何演化成我們現(xiàn)在所觀察到的這種形態(tài)的？它未來的命運如何？對這一大串問題，也許每種宗教、甚至每個人，都有自己的說法，但我們這兒感興趣的，是科學家們如何回答這些問題，更為具體地說，物理學家們是如何回答這些問題的？科學是人類走向文明過程中創(chuàng)造的奇跡，是古往今來成百上千個科學家心血和智慧的結晶�？茖W研究探索的是萬物之本。萬物之本是什么？從古到今，不同學派給出不同答案。畢達哥拉斯認為“萬物皆數(shù)”。但萬物皆由物質構成，萬物之本應與研究物質的物理學有關。物理學是“究物之理”的科學，探討研究從無限小的微觀世界到無限大的宏觀世界，擔當了“上窮碧落下黃泉”的艱巨任務。在物理學中，有一個偉大的物理學家的名字，印在了每一個現(xiàn)代基礎物理理論的篇章中，他就是：愛因斯坦。其實，何止是物理學。在偉大的科學巨匠中，愛因斯坦在公眾中的影響力無人能比，他的頭像連小學生都認識，他的名字家喻戶曉。如今，這位偉人離開這個世界已經(jīng)超過了半個世紀，他所作出的幾項最杰出的貢獻，包括1905年提出光電效應和狹義相對論，以及1915年建立的廣義相對論，也都已經(jīng)是100年之前的故事了。盡管每個人都知道愛因斯坦的名字，但卻未必了解他的工作。就此而言，愛因斯坦和牛頓在公眾心目中的印象不一樣。經(jīng)典的牛頓力學實例，在日常生活中隨處可見：當你坐在加速運動的汽車上，能感覺到力的作用，你知道如何運用牛頓第二定律來計算加速度和力的關系；當你和對面跑過來的朋友撞在一起，大家都感覺傷害痛楚時，你會用牛頓第三定律，即作用力等于反作用力來解釋這個現(xiàn)象，因為那是中學物理的內容。但如果問你，愛因斯坦對物理學的貢獻到底是些什么呢？那就不是人人都能說出一個所以然的了。也許很多人都能用一個詞匯來回答這個問題：相對論啊。然而，相對論又是什么呢？愛因斯坦為什么想到了要創(chuàng)立兩個相對論呢？相對論在物理學中以及各門科學、各行各業(yè)中有哪些應用？這兩個理論與我們的現(xiàn)實生活能關聯(lián)起來嗎？大多數(shù)人可能就難以回答了。1905年，被稱為愛因斯坦的奇跡年，這一年內他發(fā)表了6篇有影響力的論文，分別引領了物理學三個不同領域中的研究方向。其中的狹義相對論徹底改變了人們的經(jīng)典時空觀；有關光電效應的文章揭開了量子革命的篇章；另一篇則從分子運動的理論解釋了布朗運動，對統(tǒng)計物理有所貢獻。100年前，1915年，愛因斯坦提出了他最引為得意的廣義相對論，這個理論至今仍然是天體物理及宇宙學中建立天體星系運動模型以及宇宙演化模型的理論基礎。近年來該領域中熱門研究的大爆炸理論、暗物質、暗能量等等，也都是與此有關。愛因斯坦曾經(jīng)說過一句名言：“我想知道上帝是如何設計這個世界的。”我們不妨將上文中的“上帝”理解為“大自然”。因此，愛因斯坦提出了物理學的，也是科學研究的一個最基本問題：大自然的秘密是什么？大自然的脈搏如何跳動？大自然在造物時遵循哪些基本原理？上帝是如何設計這個世界的？這是愛因斯坦的困惑，也是對科學感興趣的廣大讀者的困惑。中國是數(shù)學物理大國，喜歡思考物理中“大”問題的成年人和青少年都不少。中國人從古時候開始，就對造物主的秘密，宇宙的起源等問題潛心探索、追尋不止。本書的目的便是向廣大讀者介紹兩個相對論的基本概念，帶領讀者探索了解愛因斯坦建立相對論的大概思路歷程。此外，作為相對論的應用，也簡單介紹與這兩個理論相關的天文、宇宙學方面的最新進展。使讀者體會到科學家“認識自然規(guī)律，探索大自然造物秘密”的科學方法，從而啟發(fā)公眾對科學的興趣和思考。十分令人感到遺憾，愛因斯坦將他天才的后半生貢獻給了一項前途渺茫的研究。他一直在理論物理中尋找一條統(tǒng)一之路，企圖將所有的物質及各種基本的相互作用，囊括在一個單一的理論框架中，那是愛因斯坦最后的夢想。盡管愛因斯坦為此奮斗了幾十年沒有獲得成功，但這個大統(tǒng)一之夢，已經(jīng)深深扎根在理論物理學家們的心中，一直是理論物理學研究的中心問題之一。在這本小小的通俗讀物中，作者首先用短短的篇幅，簡單概括了牛頓力學及麥克斯韋電磁理論。然后，從經(jīng)典理論碰到的困難，引出愛因斯坦建立相對論的思考和歷史過程。第一章主要介紹狹義相對論的基本概念。第二章介紹廣義相對論少不了的數(shù)學工具：黎曼幾何。對此，作者盡量少用公式，而是從幾何直觀和物理應用的意義上來引進黎曼幾何，并重點突出內蘊幾何思想的重要性。作者在第三章中敘述解釋了幾個狹義相對論引發(fā)的有趣佯謬，及質能關系式。第四章介紹廣義相對論的基本思想，第五章則是主要介紹了宇宙學中的大爆炸理論、暗物質、暗能量等假設的來龍去脈、最新研究狀況等等。本書使用輕松有趣的語言，配以精美的圖片，由物理專業(yè)人士寫成，適合各個領域的大學本科生，研究生，對科學感興趣的高中學生，以及所有渴求科學知識的大眾閱讀。作者在書中盡量避免使用技術術語和令人心煩的數(shù)學公式，而代之以優(yōu)美流暢、引人入勝的文筆，以及圖解的方法，來介紹看起來深奧的物理理論。因為公式都可以在相關的教科書里找到，科普書不同于教科書，科普書的目的是激發(fā)讀者對該學科的興趣，進而也帶領讀者輕松入門。實際上，很多學生所缺少的不是公式和運用公式來進行計算的技巧，而是建立公式和理論時，科學家們的思路歷程。科學家們是如何發(fā)現(xiàn)問題的？他們歷經(jīng)了一些什么樣的困難？他們又是如何想到了解決問題的方法的？因此，本書將少量的公式和推導，放到了附錄中。并且，寫出這些式子的重點也不是公式本身，而是通過敘述公式背后的故事，探討發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的歷史，使讀者從看起來枯燥無味的數(shù)學中，發(fā)現(xiàn)其背后隱藏著的生動靈感和科學精神。此外，本書雖然是一本科普書，卻著眼于追尋自然和宇宙的本質問題，因而也包含一些具有真正學術價值的材料，涉及許多奮戰(zhàn)在科研前線的科學家正在思考、解決的問題。而且處處以物理學理論為根基。令一般讀者感到別開生面，值得一讀；令專業(yè)人士也會感到分外親切，輕松了解或重溫黎曼幾何、相對論，這些聽起來神秘高深的理論。本書也將介紹與愛因斯坦相對論思想有關的幾個基本物理學原理：最小作用量原理、對稱性原理、相對性原理、等效原理等。廣義而言，這幾個基本原理已經(jīng)超越了物理原理的范圍，可以說成是大自然的基本原理，也許這就是愛因斯坦所追求的“上帝造物”的部分秘密？當你讀完這本小書之后，可能你對愛因斯坦的疑問，能得出一些你自己的新理解和新結論。一百年過去了，偉人是否后繼有人？理論物理、天文、及宇宙學路向何方？這些不是容易回答的問題。然而，廣義相對論建立后的這段歷史時期中，為了繼承這位先輩的衣缽，眾多科學家們始終在努力奮斗。況且，誰能說本書的讀者中，就沒有將來的第二個愛因斯坦呢？霍金輻射物理學的專業(yè)詞匯中，恐怕很難找出別的術語，能比“黑洞”一詞更深入公眾之心，黑洞又和那個輪椅上歪歪倒倒的傳奇人物霍金的名字連在一起。因此，兩者都廣為人知。40年之前，英國物理學家史蒂文·霍金將量子論引入黑洞的經(jīng)典理論【30】，提出hawkingradiation的觀點。而2014年1月，據(jù)說這位著名科學家在一篇文章中否定了自己對黑洞的看法，認為黑洞不存在。但是仔細研究了一下霍金的文章之后【31】，感覺霍金的原意與媒體渲染下造成的公眾影響大相徑庭。量子力學和相對論是上世紀物理學的兩項重大成果。100年左右的歷史中，大量實驗事實和天文觀測資料分別在微觀和宏觀世界驗證了這兩個理論的正確性。然而，當這兩個理論碰到一起的場合，卻總是水火不相容，這其中的根本原因，都得歸罪于“引力”（gravitation）這個桀驁不馴的家伙。從1687年牛頓發(fā)表萬有引力定律，到愛因斯坦1915年的廣義相對論，直到現(xiàn)在……。幾十上百年來，一代又一代的理論物理學家們，傾注了無數(shù)心血，花費了寶貴光陰，至今仍然對它的本質知之甚少，難以駕馭。所幸的是，需要同時用到兩個理論來解決引力問題的場合不多，可以說是非常之少。在研究宇宙和天體運動的大尺度范圍內，廣義相對論可用于解決引力問題，而在量子理論大顯神通的微觀世界中，引力非常微弱，大多數(shù)情況都可以對其效應不予考慮。然而，有兩個例外的情況，必須既要用到量子力學，又要應用引力理論。它們之中的一個是宇宙的開始時刻，即大爆炸的起點；另一個就是黑洞。在這兩種情況下，尚未被物理學家統(tǒng)一在一起的引力和量子，便打起架來了�；艚饘诙磫栴}發(fā)表的最新說法，便是為了解決理論上的矛盾而提出的一種方案。廣義相對論的核心是引力場方程。方程的一邊是物質的能量動量張量，另一邊則是由四維空間的曲率及其導數(shù)組成的愛因斯坦張量。著名美國物理學家約翰惠勒曾經(jīng)用一句話來概括廣義相對論：“物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動”【32】。這句話的意思就是說，時空和物質通過引力場方程聯(lián)系到了一起。這種聯(lián)系可以利用圖1來說明。左圖中，極重的天體使得周圍空間彎曲而下凹，這種下凹的空間形狀又影響了這個天體以及周圍其它物體的運動軌跡。還可以進一步用一個日常生活中容易理解的現(xiàn)象來作比喻：一個重重的鉛球放在橡皮筋繃成的彈性網(wǎng)格上，使橡皮筋網(wǎng)下陷。然后，另外一些小球掉到網(wǎng)上，它們將自然地滾向鉛球所在的位置。如何解釋小球的這種運動？牛頓引力理論說：小球被鉛球的引力所吸引。而廣義相對論說，是因為鉛球造成了它周圍空間的彎曲，小球不過是按照時空的彎曲情形運動而已。兩個圖則表明：天體質量越大，空間彎曲將會越厲害。大到一定的程度，蹦蹦網(wǎng)被撐破而形成了一個東西全往下掉再也撿不起來的“洞”，即黑洞。在上世紀70年代以前，物理學家一直沿用黑洞的上述廣義相對論模型。但是，黑洞的引力是如此之巨大，尺寸又是如此之小，對引力的量子理論躍躍欲試的理論物理學家們，自然而然地將手伸進了這個迷宮。70年代初，理論物理學家JacobBekenstein研究了黑洞的熵及其熱力學性質；史蒂芬霍金則提出黑洞也有輻射，即霍金輻射�；艚鹫J為，在黑洞的事件視界邊緣，由于真空漲落，將不斷發(fā)生粒子反粒子對的產(chǎn)生和湮滅。因為處于視界邊緣，很大的可能性，這兩個粒子中的一個將掉入黑洞，另一個則表現(xiàn)為像是黑洞的輻射。由于這種被稱之為霍金輻射的現(xiàn)象，黑洞將不斷地緩慢地損失能量。最終的結果會導致所謂的“黑洞蒸發(fā)”而消失不見。真空漲落產(chǎn)生的粒子反粒子對，有點像上一節(jié)所舉例子中的艾麗絲和鮑勃。只不過正反粒子對是憑空隨機產(chǎn)生的，不像兩個活人，是父母生出來的。但它（他）們符合的經(jīng)典運動圖像可以類比。既然霍金開了一個頭，將量子論引入了黑洞研究中，人們便蜂擁而至。然而，至今40年過去了，除了遭遇到許多困難，提出了幾個悖論之外，可以說成果甚少。首先，黑洞由星體塌縮而形成，形成后能將周圍的一切物體全部吸引進去，因而黑洞中包括了大量的信息。而根據(jù)“霍金輻射”的形成機制，輻射是由于真空漲落而隨機產(chǎn)生的，所以并不包含黑洞中任何原有的信息。但是，這種沒有任何信息的輻射最后卻導致了黑洞的蒸發(fā)消失，那么，黑洞原來的信息也都全部丟失了�？墒橇孔恿W認為信息不會莫名其妙地消失。這就是黑洞的信息悖論。此外，形成“霍金輻射”產(chǎn)生的一對粒子是互相糾纏的。量子糾纏態(tài)是量子理論最基礎的概念之一，已經(jīng)被各種實驗所證實。處于量子糾纏態(tài)的兩個粒子，無論相隔多遠，都會相互糾纏，即使現(xiàn)在一個粒子穿過了黑洞的事件視界，也沒有理由改變它們的糾纏狀態(tài)，這點顯然與相對論預言的結果相矛盾。黑洞戰(zhàn)爭理論物理學家們一直為解決信息悖論及與黑洞相關的其它問題而努力，提出了各種方案和理論。美國斯坦福大學教授倫納德·薩斯坎德（LeonardSusskind，1940年－）是一個幽默風趣的美國理論物理學家，頗有理查德·費曼的風格。據(jù)薩斯坎德自己回憶，因為高中時候是一個“壞小子”而大學階段學了工程，后來才立志成為一個理論物理學家。薩斯坎德是弦論的創(chuàng)始人之一，他著有一本《黑洞戰(zhàn)爭》【48】，精彩地描述了物理學界30年來有關黑洞本質特性的一場論戰(zhàn)。論戰(zhàn)中的一方是薩斯坎德和1999年諾貝爾物理獎得主，荷蘭物理學家赫拉德·特霍夫特，另一方則是公眾熟悉的霍金。如上一節(jié)中介紹的，霍金提出了霍金輻射以及黑洞蒸發(fā)的理論，造成信息悖論。然而，薩斯坎德等意識到，這種觀點不符合量子力學，將使物理學陷入危機。而薩斯坎德等認為，并非理論本身有問題，而是由于霍金對量子論的概念有錯而造成的危機。黑洞的確是一個令物理學家們著迷而又困惑的研究對象。物理學家霍金似乎已經(jīng)成了大眾心目中“黑洞”一詞的代表，將他視為研究黑洞的最高權威。然而，你可能沒有聽說過，霍金因為對黑洞問題的理解上3次與物理學界的同行們打賭，但有趣的是，每次都以霍金輸?shù)糍�局而告終。在當今世界上研究引力理論的眾多物理學家當中，美國理論物理學家基普·索恩（KipStephenThorne，1940-）（《星際穿越》電影的科學顧問）被認為是權威之一。索恩是加州理工學院教授，和費曼一樣，他也是當年約翰·惠勒在普林斯頓大學的博士學生之一。索恩喜歡以黑洞問題為目標與人打賭，而且每次都贏。除了其中的三次贏了霍金之外，還有最早一次是贏了印度裔美國物理學家、諾貝爾物理獎得主錢德拉塞卡，那次，他們是就黑洞穩(wěn)定性的問題打賭。由此可知索恩對黑洞概念功底之深。1997年，索恩與霍金就以上所述的黑洞信息丟失問題打賭�；艚鹫J為黑洞蒸發(fā)后信息沒有了，而索恩和普雷斯基爾認為黑洞可以隱藏它內部的信息。三人打賭的賭注是一本百科全書。黑洞信息悖論實質上也是因為廣義相對論與量子理論的沖突而產(chǎn)生的，霍金站在廣義相對論一邊，薩斯坎德等則站在量子論一邊，索恩和普雷斯基爾其實都算是引力方面專家，不過，他們獨具慧眼，將賭注下到了薩斯坎德一邊。薩斯坎德和特霍夫特從計算黑洞熵而悟出了一個全息原理，從而解釋了信息悖論。全息原理認為，信息不會丟失，黑洞的邊界儲存了進到黑洞中的包括物質組成和相互作用的所有信息。另外，薩斯坎德熱衷于互補原理。類似于量子力學中認為光“既是波又是粒子”互補的觀點，薩斯坎德認為黑洞內外的兩個觀測者觀察到的現(xiàn)象也是互補的。比如說，故事中的Alice可以既在黑洞內，又在黑洞外。不要非得取其一，完全可以同時“既是此又是彼”，是互補的兩者。換言之，物質落入黑洞的過程，完全可以用邊界上的量子理論來理解和描述。物理學家們使用全息原理直接計算出了多種黑洞的熵，計算表明霍金蒸發(fā)并非隨機的，其中包含了進入黑洞的物質的所有信息。全息原理的成功，使得霍金本人也認輸了。2004年一次廣義相對論和引力國際會議上，霍金宣布，黑洞的演化是符合因果律的，并沒有丟失信息，他承認輸?shù)袅诉@場賭賽。2013年，美國加州大學圣芭芭拉分校四位理論物理學家（AMPS）發(fā)表了一篇論文：《BlackHoles：ComplementarityorFirewalls？》【33】。文章的四個作者，以理論物理學家約瑟夫玻爾欽斯基（JosephPolchinski）為首。他們提出“黑洞火墻”悖論。（作者注：Firewall可以翻譯成防火墻，但在這兒的意思不是“防火”的墻，而是“著火”的墻，故翻為“火墻”）。他們認為，在黑洞的視界周圍，存在著一個因為霍金輻射而形成的能量巨大的火墻。當量子糾纏態(tài)的粒子之一，或者說愛麗絲，穿過視界掉到這個火墻上的時候，并不是像廣義相對論所預言的，悠悠然什么也不知道，毫無知覺地穿過視界被拉向奇點，而是立即就被火墻燒成了灰燼。原來的量子糾纏態(tài)也在穿過視界的瞬間便會立即被破壞掉。這篇論文把矛盾集中到了黑洞的邊界—事件視界（EventHorizon）上。就此爭論表態(tài)，霍金于2013年8月份在加州圣巴巴拉卡維利理論物理研究所召開的一次會議上發(fā)表了講話。而霍金2014年1月22日發(fā)表的文章便是基于這個會議發(fā)言。為了解決這個矛盾，霍金提出了一個新的說法，認為事件視界不存在，而代之以一個替代視界叫做apparenthorizon（表觀視界），認為這個所謂的表觀視界才是黑洞真正的邊界。并且，這一邊界只會暫時性地困住物質和能量，但最終會釋放它們。因此，霍金沒有否定黑洞的存在，只是重新定義了黑洞的邊界。黑洞問題爭論的實質，是廣義相對論和量子理論產(chǎn)生的矛盾。只有當有了一個能將兩者統(tǒng)一起來的理論，才能真正解決黑洞的問題。統(tǒng)一路在何方？談到物理學史的時候，我們常常說到20世紀初物理學天空中的兩朵烏云，一朵發(fā)展為量子力學，一朵發(fā)展成了相對論。一百多年來，這兩個理論分別在理論物理學中的兩個極端：微觀世界和宇觀世界中叱咤風云。然而，當它們碰到一起的時候，卻顯得水火不相容，似乎弄得物理學家們啞口無言，手腳無措。歷史總是呈現(xiàn)某種螺旋式的循環(huán)。有時候，事情轉來轉去又回到看起來是非常古老的問題。如今我們碰到的問題是：世界是由什么構成的？100多年前，人們就相信所有的物質都是由原子組成的，但那時候對原子結構的細節(jié)卻還知道很少，直到1911年盧瑟福提出原子的行星模型，才使得人們能夠在腦海中對原子勾畫出一個具體直觀的圖像。而這五、六十年來粒子物理的發(fā)展，使我們了解到更深層的物質結構。粒子物理的標準模型告訴我們，我們能觀察到的所有一切物質，包括地球、太陽、星星，都是由12種基本粒子組成的，其中包括6種夸克和6種輕子，可以將它們分成4個家族。然而，近年來宇宙學的長足進展，給理論物理學提出了許多新問題。特別是宇宙學家們對宇宙物質成分絕大部分是暗物質和暗能量的新看法，完全是標準模型未曾預料到的。物理學家們好像又回到了100多年之前的困惑，不過這次面對的不是原子，而是暗物質和暗能量。這些奇怪的“暗貨”，構成宇宙96%的成分，主宰了宇宙的動力學，關系著宇宙的過去和未來。物理學家接受它們的存在，卻不知道它們到底是什么�？茖W的規(guī)律永遠如此，任何時候都有數(shù)不清的疑問和困惑。正如人們所說的：疑問和困惑才能啟發(fā)靈感，危機就是轉機和生機�；蛟S，暗物質和暗能量就是新時代天空中的兩片烏云，它們有可能引發(fā)物理理論新的革命。當感覺“山窮水盡疑無路”時，才有可能迎來“柳暗花明又一村”的景象。也有學者認為，相對論和量子理論本來就只是20世紀尚未完成的物理學革命的第一步。從這兩個理論的研究繼而提出的“引力量子”統(tǒng)一理論才是21世紀物理學中真正的難題。只有徹底解決這個問題，才能解決宇宙學中的暗物質和暗能量等等問題。這似乎又有些類似于愛因斯坦后半生所追求的統(tǒng)一之夢，當然，此夢非彼夢，時間已經(jīng)過去了大半個世紀，無論是在基礎物理學的理論方面，還是在宇宙學天文學的實驗觀測方面，都有了許多愛因斯坦無從預料的進展和結果。不過，追求統(tǒng)一理論的愿望是一致的。也許這是一個只能無限逼近，但卻永不可及的遙遠目標，是上帝精心策劃的造物秘密之一，它讓物理學家們前仆后繼，孜孜以求，永不放棄，追尋那個渺茫又美麗的夢。不過，物理學家們心甘情愿，義不容辭，因為他們從尋夢中滿足了自我，得到了無窮的樂趣。物理學家們企圖從不同的途徑來邁向大統(tǒng)一之路，有的人從量子理論開始，想將相對論包括進來，這條路發(fā)展出了弦論；有的從廣義相對論出發(fā)，企圖將經(jīng)典引力理論量子化，然后再修正量子理論；有的人則傾向于干脆放棄原來的兩個理論，另辟捷徑。這多條道路有時分道揚鑣，有時又會聚在一起。無論走哪一條路，起碼的要求是既要考慮愛因斯坦理論中“新穎的時空觀”，也得兼顧量子論中的“奇談怪論”，需要既是物質的理論，又是時空的理論；既能詮釋微觀粒子的運動，又能解釋宇宙演化的歷史；能夠包羅各種理論，解釋所有實驗結果，這是一個艱巨的任務。前進的方向很多，曙光也許就在前方。何時才能到達勝利的彼岸呢，取決于年輕一代科學家的加入和努力。
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