统一时空
爱因斯坦发表了这些非同凡响的研究结果后,引起了德国科学界的关注。不过,这距离他获得国际声誉还有一段时间。这些成果的较早支持者中有物理学家马克斯·冯·劳厄,当时其在柏林做普朗克的助手。1906年夏,冯·劳厄计划去拜访尚在专利局工作的爱因斯坦。他坐在等候室里,急切地想要一睹这位继承牛顿桂冠的天才的真容。
冯·劳厄回忆道:“当时来见我的那个年轻人,给人印象平平,让我根本想不到,他竟然就是相对论之父。他从我身边走过,我没有叫住他,直到他从等候室里又转过身来,我们才算见面认识。”[11]
冯·劳厄尽己所能宣传爱因斯坦的相对论,并探索它的含义。后来他写出了第一本关于相对论的初级读本,于1911年发表。爱因斯坦非常感谢他的情谊和支持,二人毕生交往亲厚。
另一位支持爱因斯坦的人是闵可夫斯基,此时他对他这位学生的看法来了个180度大转弯。他的“懒汉”学生竟然解决了长期以来有关麦克斯韦方程组的解释的疑团,闵可夫斯基对此非常惊讶,决定在数学层面上重新架构这个理论,使之更加严密。那个时候他已经在哥廷根的数学圣地任职,在那里,颇具影响的逻辑学家和几何学家大卫·希耳伯特认为克莱因平面是该领域主要的创新。在那个超越欧几里得的中心,明可夫斯基所处的职位可以很好地利用开创性的几何方法。
闵可夫斯基智慧过人,他坚定地认为爱因斯坦的理论若有四维几何来锦上添花,会更加完善。他对欧几里得空间做了改造,有两大不同。第一,将时间(乘以光速得到正确单位)囊括进来,作为第四个维度。描述自然时,长宽高之外加上时间。他称这一融合为“时空”。
第二个改变是把用来计算距离的毕达哥拉斯定理加上负项。一千年来,它的标准版本一直用来计算直角三角形的斜边,两个直角边的平方之和等于斜边的平方和。比如一个三条边分别为3、4、5的直角三角形,3和4的平方和等于5的平方。闵可夫斯基将其改进,加入了时间,证明空间距离之和减去第四个坐标的平方(时间乘以光速)等于“时空间隔”的平方。四个维度中,时空间隔是最短的路径长度,是空间距离的概括,空间和时间都计算在内。它代表了两个事件即不同的空间和不同的时间中发生的事件的近似值,通过测量四维路线中彼此之间的最小距离得之。
知道两个事件之间的时空间隔,可以告诉你两者之间是否有因果联系,意思就是其中一个可以影响另一个。一方面,如果时空间隔为零,称为“类光”,为负数则称作“类时”,稍前的事件可能会影响后者。另一方面,如果时空间隔为正,称为“类空”,则可能没有因果联系,因为像这种情况需要有信号超越光速。因此,假设一位女演员在2016年奥斯卡颁奖典礼上身着独特风格的礼服,而一位4光年之外的(半人马星座的)比邻星人在2017年也穿了同款,那她就不会被冠上盲目跟风的帽子,因为二者之间的间隔为“类空”,不存在因果联系的可能。毕竟信号传输至少要4年,而非1年。比邻星上的时尚穿着也将仅仅是个宇宙巧合。
通过把狭义相对论设计成时空中的四维理论,闵可夫斯基证明时间膨胀和长度收缩可以解释成将空间转化成时间的旋转。为了了解这种旋转如何发生,我们可以把时空间隔想象成类似风标的东西,“北”代表时间,而“东”代表空间。两个不同观测点的转换就像是将风向标从东北偏东方向转向东北偏北方向——将部分朝东的组件拆掉,取而代之的是使之能更偏北的组件。同样的,时空间隔的旋转可能带走两个事件的空间距离,而相应地增加两者的时间间隔。
在科隆举行的第80届德国自然科学家及物理学家会议上,闵可夫斯基宣布了他的发现,反响强烈,强调了这些成果突破性的一面:
最初爱因斯坦对闵可夫斯基对自己的理论进行的改造未予理会,认为这些太学究气了,但不出几年,他就深刻领会了其中的奥妙。这对他的思想将产生深远的影响,让他认识到更高等的数学对于推进物理学是至关重要的。
1908年,也就是闵可夫斯基发表演说的那一年,爱因斯坦收到了“特许任教资格”,开始在伯尔尼大学任教。第二年苏黎世大学邀请他任职。在那里他开始研究狭义相对论的后续:有关引力的综合理论,称为“广义相对论”。要想达到目标,他需要重新考虑对高等数学的看法。
是时候跨越童年时的局限了。那本几乎被看成海带卷的几何书,里面的欧几里得平面几何学陪伴了少年时期的爱因斯坦,但要推进自己的理论,他需要敞开胸怀去拥抱非欧几何和第四维度。爱因斯坦的进步后来启发了薛定谔,那个童年时期与小姨一起跳“行星舞”,痴迷于天文学的人,将会对采用相对论方法研究引力深感兴趣。正当欧洲处于动荡年代之时——战争、经济崩溃、政治动荡,以及更多的战争,这两个人则陷入了理论问题的探索之中。