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慢慢来,一步到位未必好 精选

已有 11910 次阅读 2016-4-28 09:46 |个人分类:谈点正事|系统分类:科普集锦|关键词:局域性,瞬时性,引力波| 引力波, 局域性, 瞬时性

物理学中有个很重要的概念:局域性(Locality)。所谓局域性,简单说就是,某处发生的事件只受该处附近正在发生的事件的影响,而不受远处正在发生的事件的影响。

空间上的局域性对应时间上的非瞬时性:如果局域性成立,那么影响(或作用)从空间某处传递到另一处就需要时间,即这种影响的传递是非瞬时的;反之,如果影响从空间某处传递到另一处不需要时间,则这种影响的传递是瞬时性的。

打个比方,混沌理论有个著名的蝴蝶效应:“南美洲一只蝴蝶扇一扇翅膀,就会在佛罗里达引起一场飓风。”但是,佛罗里达此时此刻刮不刮飓风,与南美洲的蝴蝶此时此刻扇不扇翅膀没有任何关系。再如,高速公路上的一个交通事故可能造成数公里长的塞车,这种塞车是逐渐传递和累积的,所以这个事故即使此时此刻解除了,后方数公里处的车辆此时此刻也将继续被堵,它们要过一段时间才能动起来。这就是局域性和非瞬时性。

最近池塘和石头很辛苦,经常被用来解释引力波。我们也用它们来说说局域性。扔一块石头到池塘里平静的水中,会形成一种以石头落水点为中心由内向外的水波。波是什么东西?在这里,波不是“东西”,水才是“东西”,所谓波动,其实是水动,即水的起伏。

水是如何动才形成了波的景观呢?微观看,水是由水分子组成的,石头投入水中后,首先激起与石头接触的水分子动了起来,这些动起来的水分子又激起它们附近的水分子动起来,如此以动带静,由近及远,及至最后接力的水分子因受到刺激太小而无动于衷——这个距离取决于石头的初始威力。正是所有这些水分子的集体行动,制造了“波在水中行进”的景观。

站在池塘岸边观察,你会发现,石头在池塘中央激起的波纹(涟漪)并不是马上到达岸边,而是逐渐向岸边拓展。这就是局域性在起作用: 石头不会立即影响池塘里所有的水,它只会影响其周边的水分子,然后通过周边的水分子影响稍远点的水分子,如此传递,形成一个直到池塘岸边的涟漪链(如果石头威力足够大的话)。由于这种局域性,水波的传递是非瞬时的,即需要时间。

社会事件往往也有物理学中的这种局域性和非瞬时性。例如,一个平凡人感动了中国,那是因为他首先感动了身边;一个科学家誉满全球,那是因为他首先影响了一个领域。再如,一个组织的领导,不管职位多高、权力多大,他的发号施令很难同时影响该组织中的所有人,他只能靠上传下达影响组织链条中的每个人。在这个链条中,每个层面的人都影响有限,这就是局域性;因为局域性,导致从顶层领导到其下各层面人员响应的非瞬时性。

目前看,几乎所有的物理学事件都是局域的、非瞬时的(All physics is local,只有量子力学中有例外。例如量子纠缠,它被称为“鬼魅般的超距作用(spooky action at a distance”:两个粒子互相纠缠,即使相距遥远,一个粒子的行为也会同时影响另一个的状态。

局域性也统治引力和引力波,但在爱因斯坦之前人们不这么认为。在爱因斯坦之前,牛顿理论是最好的引力理论。当然,直到今天它依然算得上最好的引力理论,尽管有其局限性。牛顿理论认为引力作用是瞬时的,而时间上的瞬时变化意味着空间上的“超距作用”,也就是可以一步到位。

如果牛顿理论正确,那么最近LIGO探测到的引力波是离地球13亿光年远的两个黑洞在测量时刻发出的,而不是13亿年前发出的,也就是说,那两个离地球13亿光年远的黑洞一打架,地球人可以马上就知道。

不知牛顿是否怀疑过其理论的正确性,但他本人的确很不喜欢这种“一根篙子撑到底”的“超距作用”。然而,牛顿对其理论不满意的地方,还不是引力传播的瞬时性本身,而是这种力为什么不通过诸如空气的媒质而能在空荡荡的空间(empty space)传播。牛顿最终没有解决这个问题,他说把最终解决方案留给“我的读者去思考(to the consideration of my readers)”。这做法就像老文在课堂上碰到了自己搞不懂的问题时,就说“这个问题请同学们课后去思考”。

爱因斯坦同学做了牛顿老师的思考题。在他看来,牛顿对其引力理论不满意之处应该要反过来,也就是说,牛顿理论令人不满意之处恰恰是其瞬时性部分,而不是缺乏一种可以传播引力的媒质。

爱因斯坦于是创立了广义相对论,引入了时空概念。他说时空可以弯曲,而我们感觉到的这种弯曲的影响就是引力。把宇宙比作池塘,把时空比作池塘中的水,两个黑洞合二为一就像两头水牛在池塘中厮杀,它激起的时空“涟漪”(引力波)像水波一样向地球(相当于池塘的岸边)传来,经过13亿年才到达地球,被LIGO“听”到。

今天的普通人似乎都很容易接受对引力和引力波的这种解释,这多亏爱因斯坦同学做了牛顿老师的思考题,而人类今天还能探知十几亿年前的宇宙事件,这要多亏局域性。

对现代物理学来说,时空本身已经足够,无需所谓传播引力的媒质。时空充满了各种各样的场(包括电磁场和引力场),其中的波动(光、X射线、微波、无线电波等电磁波以及新发现的引力波)可以在空荡荡的空间传播,其传播的速度有个上限——光速。再快点不行吗?不行,欲速不达!

为什么有速度上限?这也是局域性在起作用:无论是电磁场还是引力场,都像池塘中的水波一样,只能靠一环带动一环地向远处传播,不能一步到位。孙悟空一个筋斗十万八千里,在常人无法企及的十万八千里的跨度上,可以令人艳羡地一步到位,但超过十万八千里呢?而且,更重要的,不管悟空的步子迈多大,每一步都要花时间。事实上,《西游记》中多处描述悟空翻筋斗在天上地上之间来回,尽管神速,但都用了“须臾之类的词。如果“须臾”以秒计,悟空的神速比光速差远了。

局域性意味着一步难到位、欲速则不达,它对物质世界乃至社会事件的制约有如孙悟空头上的紧箍咒。人们还无法解释为什么有这么个紧箍咒,只能接受它是一个残酷事实。世间事,追求快快快、一步到位的众生众多,这究竟是好还是不好呢?谁也说不清。不过,如果相信物理学,那么什么都想一步到位则未必是好事。一方面,像孙悟空那样企图突破紧箍咒,这样的努力不仅是徒劳的,甚至带来痛苦;另一方面,像引力波那样,慢慢来,一步一个脚印,走个十几亿年也没关系,一路上说不定就有美妙奇遇,这等奇遇,快了也许就错过了。




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