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文/陳敏（微信公眾號：科學世界） 100年前的今天，愛因斯坦發表了用幾何語言描述的引力理論——廣義相對論。廣義相對論闡明了物體的質量使時空（時間和空間）扭曲，扭曲的時空產生了使物體互相吸引的引力的道理。那么，這一偉大理論是怎樣誕生的呢？ 1915年11月25日，一位天才物理學家提出了一個顛覆人類常識的大理論——廣義相對論。簡單地說，廣義相對論就是這樣一條理論：任何一個物體的重量（質量）都能引起時空的扭曲，產生引力。 那么，天才物理學家阿爾伯特•愛因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）是如何建立這個偉大理論的呢？ 改變物理學的“狹義相對論” 在廣義相對論誕生大約10年前，1905年，愛因斯坦發表了“狹義相對論”。狹義相對論極大地改變了當時物理學對時間和空間的認識。 英國物理學家艾薩克•牛頓（Isaac Newton，1642～1727）確立的物理學基礎—牛頓力學認為，空間的間隔（物體的長度）和時間的流逝是絕對的，從任何時間點、對任何觀察者來說都是一樣的。即，1米的尺，任何時候、任何人看都是一樣長的；1秒，任何時候、在宇宙的任何地方經過的都是1秒。 但是，狹義相對論認為，物體的長度和時間的流逝，是隨著不同的狀況變化的。運動越快的物體長度越短，時間流逝得越慢。 取代牛頓力學的“廣義相對論” 狹義相對論和牛頓力學之間有很大的矛盾。根據狹義相對論，自然界的最高速度是真空中的光速，每秒為30萬千米。而牛頓力學認為，所有物體之間，都有與之成正比例的“萬有引力”互相吸引（萬有引力定律）。并且無論兩個物體離開多遠，這個萬有引力的相互作用都不需要花時間。也就是說，力的傳遞速度比光速還要快。 實際上，已經觀測到用牛頓力學解釋不了的自然現象。牛頓力學的毀滅就在眼前。 因而愛因斯坦就想，能不能把引力和相對論結合起來。在重組相對論的過程中，他采用了自己的老師、德國數學家赫爾曼•閔可夫斯基（Hermann Minkowski，1864～1909）提出的時空理論，把時間和空間結合在一起。這樣，就提出了前所未有的、物體的質量使得周圍的時空發生扭曲的新概念。為了研究扭曲時空，需要曲面數學。因此他接受了共同研究者、數學家馬塞爾•格羅斯曼（Marcell Grossmann，1878～1936）的提議，不用歐幾里得幾何學（Euclidean geometry，在平面和非扭曲空間上研究圖形的數學），而是用研究曲面上圖形的黎曼幾何（Riemannian geometry）進行研究。 牛頓力學和廣義相對論中的引力、時間、空間的概念是不同的。因此，對行星公轉運動的解釋也不同。在牛頓力學中，時間和空間是絕對不變的。并且，物體之間有彼此吸引的萬有引力存在。行星因為和太陽之間存在著萬有引力，所以圍繞太陽公轉。另一方面，根據廣義相對論，物體的質量使時空扭曲，產生引力。因此，行星沿著由太陽的質量扭曲的時空“旋渦”(凹陷），圍繞太陽公轉。 
↑↑ 牛頓力學和廣義相對論中的引力、時間、空間的概念是不同的。因此，對行星公轉運動的解釋也不同。在牛頓力學中，時間和空間是絕對不變的。并且，物體之間有彼此吸引的萬有引力存在。行星因為和太陽之間存在著萬有引力，所以圍繞太陽公轉。另一方面，根據廣義相對論，物體的質量使時空扭曲，產生引力。因此，行星沿著由太陽的質量扭曲的時空“旋渦”(凹陷），圍繞太陽公轉。 時空扭曲的觀點，極大地改變了對引力的認識。愛因斯坦認為，物體受到引力彼此靠近，是因為物體的質量使得周圍的時空發生扭曲的緣故。這就和在橡膠墊子上隔開些距離放兩個球，當球周圍的橡膠墊子開始凹陷時，球就開始沿著凹陷轉動、互相接近的原理一樣。 愛因斯坦認為，不僅是物體，光的傳播路線也受引力的影響發生彎曲。光為了沿著扭曲的空間“筆直地”前進，自然就彎曲了。也就是說，愛因斯坦認為：物質的質量使時空扭曲，扭曲的時空產生和引力一樣的作用，使得物體接近或者使光彎曲。并且，在巨大的質量旁邊，時間的流逝也會變慢。
↑↑ 《廣義相對論》原稿第一頁。1915年，36歲的愛因斯坦在柏林大學當教授時，發表了有關廣義相對論的最初論文。翌年，在德國的《物理年報》上發表了廣義相對論。 這樣，廣義相對論在1915年誕生。實際上，在廣義相對論發表的當時，還沒有發現它適用于解釋什么現象，根本沒有人認為它是能夠被實驗證明的理論。但是到了20世紀60年代，發現了除用廣義相對論之外幾乎不能夠解釋的天體和現象，后來又經過了各種各樣的實驗檢驗，它的實用性得到了證明。 實際上，除了取代牛頓力學的廣義相對論之外，還出現了其他解釋引力的各種理論。例如，排除作為廣義相對論特征的“扭曲的時空”的理論、空間扭曲方式不同的理論，還有像美國物理學家羅伯特•迪克（Robert Henry Dicke，1916～1997）提倡的那樣，在廣義相對論中加入了新要素的理論。但是，它們要么沒有通過實驗的驗證，要么不能解釋觀測到的事實，從而得不到支持。 廣義相對論需要修正嗎 在快要進入到21世紀的時候，人們認識到宇宙是加速膨脹的。這是因為宇宙中充滿著一種名為“暗能量”的未知能量，它能夠把空間撐大。也有不設暗能量，而修改廣義相對論來解釋的動向。但是，廣義相對論能夠順利解釋各種現象，在數學上也是非常完美的，修正廣義相對論的動向得不到廣泛的支持。 時至今日，多數科學工作者都根據廣義相對論理解宇宙。世界各地都在試圖探測廣義相對論預言的引力波等現象。廣義相對論誕生的100周年中，人們對它的評價也發生了巨大的變化。下個100年，廣義相對論又將會走上怎樣的旅程呢？ 本文節選自《科學世界》2015年第5期《廣義相對論100年》。 |
