爱因斯坦的伟大理论背后，是一个关乎万物的简单思想

一百多年前，爱因斯坦的相对论革新了物理学，帮助物理学家提出了关于空间、时间甚至信息的基本问题。然而，爱因斯坦理论中最具革命性的部分很少受到关注。它与引力波无关，与黑洞的引力无关，甚至与夸克的魅力无关。但是隐藏在这些奇怪现象背后的是一个看似简单的想法。它连接一切，照亮前方的道路。

“关系”是最重要的

简单的理论是，外部变化并不意味着真正的变化。尽管大自然似乎以各种意想不到的方式改变了它的外部形态，但它最基本的核心却没有改变。例如，爱因斯坦1905年关于相对论的论文得出了一个无可争议的结论:尽管能量和质量可以有完全不同的形式，但能量和质量之间的关系是不变的。太阳能到达地球，通过光合作用创造食物，并为我们的思维提供能量。(“我们的想法是什么？这些有意识的原子是什么？”理查德·费曼曾经问，“答案是上周的土豆！”)

这就是E = mc2的意思。c代表光速，是一个非常大的数字，所以从公式中可以看出，在没有太多物质的情况下，可以产生大量的能量。事实上，太阳每秒钟将数百万吨的质量转化为能量。

无限的物质被转化为能量(反之亦然)，为宇宙、物质和生命提供能量。然而，在所有这些之后，宇宙中能量和物质的总量从未改变。这很奇怪，但却是事实:物质和能量之间的关系更重要。

布朗大学的物理学家斯蒂芬·亚历山大说，我们倾向于认为现实的核心是物体本身，而不是关系。但在大多数情况下，情况恰恰相反。

爱因斯坦也证明了这一点。即使空间缩小了，时间扩大了，空间和时间之间的关系仍然保持不变。就像能量和物质一样，空间和时间只是可以改变的表象，它们的背后是两者之间不变的关系。

"爱因斯坦深知空间和时间是由事物之间的关系建立起来的."物理学家罗布特·迪克格拉夫说。他是普林斯顿高等研究院的院长，爱因斯坦在那里度过了他生命的最后几十年。

对爱因斯坦理论影响最大的关系是对称性。科学家经常将对称性描述为“一种不会真正改变、不会导致差异、并且会保持深层关系不变的变化。”虽然听起来很复杂，但生活中有很多例子:一片六边形雪花旋转60度，看起来还是一样的；在跷跷板上改变位置不会打破平衡。更复杂的对称性使物理学家发现了从中微子到夸克的一切，甚至帮助爱因斯坦发现万有引力是时空曲率的一种表现。

然而，在过去的几十年里，基于对称性理论预测的新粒子并没有如期通过实验发现。探测到的希格斯玻色子太轻，不符合任何已知的对称结构。这使得一些物理学家质疑对称性是否仍然像过去一样有效。对称性也无法解释为什么重力如此微弱，为什么真空如此之小，以及为什么暗物质是透明的。

“在粒子物理学中，对称性通常被认为是自然的基础，但这是一种偏见，”宾夕法尼亚大学的物理学家贾斯汀·库利说。“对称性非常强，但也许我们应该放弃这些迄今为止行之有效的原则。这是一个非常有趣的时刻。”

光速不变

1905年，爱因斯坦在写他的第一篇关于相对论的论文时没有考虑不变性或对称性。但是历史学家推测，他后来在瑞士专利局任职期间与现实世界的隔绝可能帮助他看透了一切。

像他同时代的其他物理学家一样，爱因斯坦也在思考一些看似无关的问题。例如，麦克斯韦方程揭示了电场和磁场之间的密切关系，在不同的参照系中，无论观察者是运动还是静止，它看起来都非常不同。此外，电磁场在空间中的传播速度几乎与光速相同，不会以任何方式改变。观察者可能向光跑去或冲出光，速度不变。

爱因斯坦将这些观点联系起来:光速是电场和磁场之间对称关系的一种可测量的表现形式，这是一个比空间本身更基本的概念。光的运动不需要穿过其他物质；它本身就是一个运动的电磁场。这样，“静止”的概念就显得多余和荒谬了。事件可能在一个观察者的眼中同时发生，但在另一个观察者的眼中不会发生，两种观点都是正确的。

爱因斯坦关于相对论的第二篇论文讨论了追逐光束时的另一种奇怪效应。"物体的惯性取决于它所包含的能量吗？"答案是肯定的。质量是粒子惯性的量度。质量越大，惯性越大。当一个物体接近光速时，它的质量将变得无限。因此，运动的能量转化为质量。"质量和能量之间没有本质的区别。"爱因斯坦写道。

"他还没有在时间和空间上形成一种完全统一的思维方式."麻省理工学院的物理学家和科学历史学家大卫·凯泽说。事实上，爱因斯坦花了几年时间才真正接受时间和空间是不可分割的。

时间和空间的统一是一个难以理解的概念。然而，如果我们思考“速度”的真正含义，它就会变得有意义。光速和任何速度一样，是一种关系——随着时间推移而移动的距离。但是光速的特殊之处在于它是恒定的。因此，距离和时间的观测结果会因一个人的运动状态而改变，导致所谓的“空间收缩”和“时间膨胀”。然而，保持不变的是，无论两个人相对移动的速度有多快，“时空间隔”都是不变的。坐在办公桌前，你穿越了时间，却没有穿越空间。宇宙射线以接近光速的速度飞行很长一段距离，但它们几乎不穿越时间，永远保持“年轻”。无论如何，这种关系将保持不变。

重力:时空的曲率

狭义相对论也被称为“狭义相对论”，因为它只适用于时间和空间的稳定运动，而不是像地球上物体下落那样的加速运动。令爱因斯坦烦恼的是，他的理论不包括重力，他试图包括重力，使对称性成为他思想的核心。

如果重力取决于质量，物体的质量越大，其下落速度就应该越快。但事实并非如此。把一团皱巴巴的纸和一串沉重的钥匙并排扔在地上，你会发现它们几乎同时掉在地上。伽利略也曾通过从比萨斜塔上投掷不同质量的铁球得出结论:忽略空气阻力，所有物体将以同样的速度下落。

爱因斯坦有一个著名的思想实验。他想象着一个人从楼上掉下来。这个人将像宇航员一样漂浮在太空中，直到地面挡住他的去路。当他意识到*落体的人会感到失重时，他称这一发现是他一生中最快乐的想法。尽管他花了很多时间来阐明广义相对论中的所有数学细节，但当他证明重力是空间和时间本身的曲率时，重力之谜就被解开了。“下落”的物体，如爱因斯坦的想象中的人或伽利略的铁球，都沿着弯曲的时空路径运动。

狭义相对论出现十年后，广义相对论首次发表，这提出了一个新问题:在强弯曲的时空中保存能量似乎是不可能的。众所周知，自然界中的一些量总是守恒的，比如能量(包括质量形式的能量)、电荷和动量。德国数学家艾米·诺特证明了每个守恒量都对应于一种特殊的对称性，这种对称性的变化不会带来真正的变化。

北约证明了广义相对论的对称性，它在不同参考系之间转换时的不变性确保了能量总是守恒的。爱因斯坦的理论被保存了下来。从那以后，北约和对称性占据了物理舞台的中心。

粒子的正规对称性

继爱因斯坦之后，对称性的吸引力只会变得更强。保罗·狄拉克试图使量子力学符合狭义相对论的对称性要求。他在一个方程中发现了一个负号，表明“反物质”一定存在。它确实存在。不久之后，沃尔夫冈·泡利试图解释为什么放射性粒子在衰变过程中会失去能量。他推测丢失的能量可能被某个未知的粒子带走了。是的，这些粒子是中微子。

自20世纪50年代以来，不变性有了自己的生命，变得越来越抽象。用凯泽的话说，“跳出”空间和时间的对称性。凯泽说，这种新的对称被称为“典范对称”，已经变得非常有效。凯泽说，从W和Z玻色子到胶子的一切都是必需的，“因为我们认为必须不惜一切代价保护这种基本对称性，我们发明了一些新东西。”规范性对称决定了你必须引入的其他成分。"

规范对称性描述了粒子系统的内部结构，这些粒子构成了我们的世界。物理学家可以以各种方式改变、旋转、扭曲和扰乱方程，而不会改变任何重要的东西。亚历山大说:“对称性告诉你有多少种方法可以翻转一个物体，改变力的作用方式，但它不会改变任何东西。”

调节对称性的抽象思维在某些方面导致了一些问题。“你没有看到整个装置，你只看到了结果，”戴克·格拉夫说。“我认为关于典范对称，仍有许多事情难以理解。”

规范对称以许多不同的方式描述了一个简单的物理系统。正如宾夕法尼亚大学的物理学家马克·德登所说，这是多余的。规范场理论的特点使得计算极其复杂。无数复杂的计算得出了一个简单的答案。这就提出了一个问题:为什么？这种复杂性从何而来？

这种内在的复杂性违背了一般对称的简单原则。对后者来说，这就像贴瓷砖一样，不停地重复，“你只能通过看到一小部分来预测其余部分。”戴克·格拉夫说。你不需要满足能量守恒定律或其他物质守恒定律。宇宙是对称的，因为它在大范围内是均匀的。它没有左、右、上、下等。"如果没有，宇宙学将是一片混乱."库里说。

打破对称

最大的问题是，我们目前对对称性的理解似乎没有解决物理学中一些最重要的问题。诚然，对称性告诉物理学家如何找到希格斯玻色子和引力波，这无疑是两个伟大的发现。然而，与此同时，一系列基于对称性预测的问题尚未在实验中得到证实，包括“超对称”粒子。这些粒子可以作为宇宙中的暗物质，并解释为什么重力与电磁力和其他力相比如此之弱。

在某些情况下，现实似乎打破了自然界基本规律的对称性。例如，当能量按照E = mc2凝结成物质时，结果是等量的物质和反物质——这是一种对称性。然而，如果大爆炸的能量产生了等量的物质和反物质，它们应该会相互湮灭而不会留下任何物质的痕迹。然而，我们确实存在。

完美的对称性应该存在于早期宇宙的高温时刻，但是当它冷却下来时，这种对称性就被打破了，就像完全对称的水滴在冻结时失去了部分对称性一样。(雪花在六个不同的方向看起来可能一样，但是融化的雪花在每个方向看起来都一样。)

是什么打破了物质和反物质之间的对称性？

如果今天的物理学证明是误导我们的，这并不奇怪，就像爱因斯坦误导人们关于“真空”的概念一样。有些人认为今天的误导甚至可能与对对称性本身的痴迷有关。

许多物理学家一直在探索一个与对称性密切相关的概念。二元性在物理学中并不新鲜。自量子力学诞生以来，波和粒子的双重性(称为“波-粒子双重性”)就一直存在。然而，新发现的二元性揭示了一种令人惊讶的关系。例如，一个没有重力的三维世界在数学上等同于一个有重力的四维世界。

如果用不同的空间维度来描述世界是正确的，那么“在某种意义上，一个维度可以被认为是可替换的”。洛登说。

“在我们看来，包含在这些二元性中的元素，也就是维度的数量，应该保持不变，”戴克·格拉夫说，“但它们不是。”两个等价描述的存在和随后的所有计算提出了“一个非常深刻的，几乎是哲学的问题:有没有一个恒定的方法来描述物理现实？”

没有人放弃对称性，部分是因为它非常强大，对许多物理学家来说，放弃对称性意味着放弃“自然”，放弃探索宇宙和事物运行的方式。

显然，自然的某些方面是历史和偶然的结果，而不是对称性，例如行星的轨道。生物进化是一种已知的机制和偶然的组合。作为对爱因斯坦“上帝不掷骰子”的回应，梅克斯·玻恩指出，“自然和人类事务似乎都受必然性和偶然性的支配。”也许他是对的。

物理学的某些方面必须保持不变——比如因果关系。"结果不能先于原因。"亚历山大说。

光速奠定了爱因斯坦理论的基础，但它在未来不应起任何关键作用。爱因斯坦在一个世纪前编织了空间和时间的平滑结构，但是在黑洞中，或者在大爆炸时，这种结构将不可避免地被撕成碎片。“如果时空正在崩溃，光速不可能保持不变，”亚历山大说。"如果时空正在崩溃，什么是常数？"

一些二元性表明，时空起源于一种更基本、更奇怪的关系，即爱因斯坦所说的纠缠量子粒子之间的“幽灵”联系。许多研究人员认为，这些长程关联将时间和空间缝合在一起。正如凯泽所说，“我希望像时空连续体这样的东西能够成为更基本关系的次要影响，包括纠缠。”在这种情况下，经典而连续的时空将是一种幻觉。

新思想的高门槛是它们不能与一致可靠的理论如量子力学和相对论相矛盾，包括支持它们的对称性。

爱因斯坦曾经把新理论的建立比作爬山。站在高处，你可以看到旧的理论仍然存在，但它已经改变了，它有一个更包容的景观。与费曼对“上周的土豆”的类比不同，在未来，思想家们可能会利用量子纠缠中编码的信息来思考物理。量子纠缠直接将空间和时间交织在一起，并在一开始培育出“土豆”。