1905年，26歲的德裔物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了具有劃時(shí)代意義的5篇物理學(xué)論文，這幾篇論文奠定了狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)。在之后的10年時(shí)間里，愛因斯坦不斷對(duì)自己的理論進(jìn)行探索、研究和完善。

1915年，愛因斯坦又提出了廣義相對(duì)論，終于完成了一項(xiàng)具有劃時(shí)代意義的偉大工程。由于廣義相對(duì)論理論十分嚴(yán)謹(jǐn)，而且獲得了天文觀測(cè)上的證實(shí)，在問世后不久便引起了極大的轟動(dòng)，現(xiàn)代物理學(xué)的大門從此正式開啟。

時(shí)至今日，廣義相對(duì)論已誕生整整100年，廣義相對(duì)論不僅改變了全人類對(duì)時(shí)空乃至整個(gè)宇宙的認(rèn)識(shí)，還大大推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?；蛟S，直到現(xiàn)在你根本不清楚什么是廣義相對(duì)論，但它的確已經(jīng)深刻地影響了整個(gè)人類社會(huì)，直接或間接地影響了我們每一個(gè)人。

顛覆傳統(tǒng)的時(shí)空觀

廣義相對(duì)論對(duì)人類思想的最大沖擊，便是它顛覆了人類傳統(tǒng)的時(shí)空觀。在愛因斯坦之前，牛頓經(jīng)典力學(xué)早已經(jīng)過了幾百年的發(fā)展，并被一些人認(rèn)為已經(jīng)臻于完美。然而，到了19世紀(jì)末，臻于完美的經(jīng)典物理學(xué)殿堂上空卻出現(xiàn)了一朵“烏云”，那就是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)尋找絕對(duì)參考系“以太”遭遇了失敗。在經(jīng)典力學(xué)時(shí)期，人們套用機(jī)械波的概念，想象宇宙中必然有一種能夠傳播光波的彈性物質(zhì)，物理學(xué)家稱之為“以太”，并把這種無處不在的“以太”看作絕對(duì)靜止參考系。這個(gè)絕對(duì)靜止的參考系便是牛頓經(jīng)典物理學(xué)最根本的基石。但是，這個(gè)理論面臨一個(gè)新的問題：地球以每秒30千米的速度繞太陽運(yùn)動(dòng)，那就必然會(huì)遇到每秒30千米的“以太風(fēng)”迎面吹來，同時(shí)，這個(gè)“以太風(fēng)”也必將對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。也就是說，如果存在“以太”，那么當(dāng)?shù)厍虼┻^“以太”繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，在地球通過“以太”運(yùn)動(dòng)的方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）應(yīng)該大于在與運(yùn)動(dòng)垂直方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們不對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）。

為了尋找“以太”，邁克爾遜和莫雷用邁克爾遜干涉儀反復(fù)測(cè)量了兩束垂直光的光速差值，結(jié)果卻證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果否認(rèn)了“以太”（絕對(duì)靜止參考系）的存在，經(jīng)典物理學(xué)開始動(dòng)搖。

20世紀(jì)初，愛因斯坦先后提出了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，證明了自然界根本不存在絕對(duì)靜止的參考系。他用一個(gè)簡單的“時(shí)空”代替了作為獨(dú)特實(shí)體的空間和時(shí)間，“時(shí)空”對(duì)于處在不同位置和不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的觀察者而言，看上去是不同的。

愛因斯坦指出，在像地球這樣的大質(zhì)量的物體附近，時(shí)間流逝得更慢一些。這是因?yàn)楣獾哪芰亢退念l率有一種關(guān)系，即能量越大，頻率越高。當(dāng)光從地球的引力場往上行進(jìn)，它失去能量后頻率下降，會(huì)表現(xiàn)為光波的兩個(gè)相鄰波峰之間的時(shí)間間隔變大。因此，在地球上空的某個(gè)人看來，下面發(fā)生的每一件事情都需要更長的時(shí)間。簡單地說，就是對(duì)于坐在地面上的一個(gè)人和坐著飛機(jī)旅行的另一個(gè)人而言，時(shí)間流逝速度并不相同。不難看出，相對(duì)論作為一種新的理論已經(jīng)徹底顛覆了牛頓力學(xué)的時(shí)空觀。后來，有人對(duì)比了位于水塔底和水塔頂?shù)膬蓚€(gè)時(shí)鐘，發(fā)現(xiàn)位于塔底那個(gè)更接近地球的鐘的確走得慢些。

愛因斯坦的時(shí)空觀被證實(shí)后，牛頓力學(xué)的時(shí)空觀“壽終正寢”。盡管牛頓力學(xué)在普通宏觀低速的情況下可以作為一種近似計(jì)算而運(yùn)用，但在概念上，牛頓力學(xué)對(duì)客觀世界的描述實(shí)際上已經(jīng)是一種錯(cuò)誤。

重新詮釋“運(yùn)動(dòng)”和“引力”

基于不同的時(shí)空觀，便會(huì)產(chǎn)生不同的物體運(yùn)動(dòng)理論。愛因斯坦指出，對(duì)于描述物理現(xiàn)象的自然定律，在任意運(yùn)動(dòng)的參考系中全都應(yīng)當(dāng)“平權(quán)”。也就是說，物理方程在任意坐標(biāo)變換下都必須是協(xié)變的，都應(yīng)具有相同的數(shù)學(xué)形式。這就是廣義相對(duì)性原理，也稱廣義協(xié)變?cè)怼榱速x予廣義協(xié)變性以具體的物理內(nèi)容，愛因斯坦從物體的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等價(jià)這一經(jīng)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，提出了在一個(gè)小體積局域內(nèi)的萬有引力和某一加速系統(tǒng)中的慣性力相互等效的所謂等效原理。根據(jù)等效原理，愛因斯坦認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)方程其實(shí)就是它在參考系中的“測(cè)地線方程”，而物體的“測(cè)地線方程”與其自身的固有性質(zhì)無關(guān)，只取決于時(shí)空區(qū)域的幾何性質(zhì)。這就涉及到了廣義相對(duì)論中對(duì)于“引力”的詮釋。

根據(jù)牛頓力學(xué)理論：物質(zhì)的存在，產(chǎn)生萬有引力。愛因斯坦卻認(rèn)為，時(shí)空本身就不是平坦的，引力只是時(shí)空的一種幾何屬性，即引力是由時(shí)空彎曲后的畸變引起的，引力場會(huì)影響時(shí)間和距離的測(cè)量。舉一個(gè)典型的例子，像地球這樣的行星并非是由于受到被稱為“引力”的力而沿著彎曲的軌道運(yùn)動(dòng)的，相反，它只是沿著彎曲空間中最接近于直線路徑的軌跡運(yùn)動(dòng)。只不過這個(gè)軌跡在“四維時(shí)空”中是一條直線的路徑，但在三維空間中看起來是一條彎曲的路徑而已。這就好比一架在峰巒起伏、凹凸不平的地面上空飛行的飛機(jī)，雖然它沿著“三維時(shí)空”中的直線飛，但它在二維地面上的影子卻是沿著一條彎曲的路徑運(yùn)動(dòng)?；谶@種對(duì)“引力”的全新解釋，愛因斯坦以純推理的方式推導(dǎo)出了一個(gè)比牛頓引力定律精確得多的、更為合理的引力場方程，這就是廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)。

可以說，廣義相對(duì)論是一種關(guān)于萬有引力本質(zhì)的理論，是人們對(duì)物質(zhì)、時(shí)空與引力場之間的關(guān)系在認(rèn)識(shí)上的進(jìn)一步深化和統(tǒng)一，它精確地證實(shí)了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和空間時(shí)間的不可分割性。廣義相對(duì)論認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)在引力場中是沿著彎曲時(shí)空的短程線運(yùn)動(dòng)，這種把引力場“幾何化”的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)理論在深度和廣度上都拓寬并發(fā)展了牛頓的引力理論。

“四大驗(yàn)證”驚世駭俗

廣義相對(duì)論誕生后，其顛覆性的“時(shí)空觀”和“引力說”首先便在天體物理學(xué)上得到了驗(yàn)證。其中最赫赫有名的就是水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、光線彎曲、引力紅移和雷達(dá)回波延遲這“四大驗(yàn)證”。

第一個(gè)是水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。早在19世紀(jì)中葉，天文學(xué)家便發(fā)現(xiàn)水星在近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的觀測(cè)值與根據(jù)牛頓定律計(jì)算的理論值存在一個(gè)每世紀(jì)43角秒的偏差。這個(gè)偏差在隨后的數(shù)十年內(nèi)都沒有得到合理的解釋，直到廣義相對(duì)論問世之后才迎刃而解。原來，水星是最接近太陽的內(nèi)行星，離中心天體越近，則引力場越強(qiáng)，時(shí)空彎曲的曲率就越大。愛因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論把行星的繞日運(yùn)動(dòng)看成是它在太陽引力場中的運(yùn)動(dòng)，他計(jì)算得到的水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的數(shù)值與實(shí)際的觀測(cè)值極其吻合。

第二個(gè)是光線彎曲。廣義相對(duì)論認(rèn)為，當(dāng)光線經(jīng)過一些大質(zhì)量的天體（例如太陽級(jí)別的恒星）時(shí)，它的傳播路線是彎曲的，這源于它沿著大質(zhì)量物體傳播時(shí)所形成的時(shí)空曲率。1919年，英國皇家天文學(xué)會(huì)派出的天文觀測(cè)隊(duì)對(duì)當(dāng)年的一次日全食進(jìn)行了系統(tǒng)觀測(cè)，他們不僅觀測(cè)到了光線彎曲，就連光線彎曲的角度也和廣義相對(duì)論的計(jì)算值基本一致。

第三個(gè)是引力紅移。按照廣義相對(duì)論，在強(qiáng)引力場中的時(shí)鐘會(huì)變慢，因此從恒星表面射到地球上的光線，其光譜線會(huì)發(fā)生紅移。1925年，美國威爾遜山天文臺(tái)的亞當(dāng)斯觀測(cè)了天狼星的伴星天狼星B并記錄下它發(fā)出的譜線，最終得到的數(shù)據(jù)與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)基本相符。

最后一個(gè)是雷達(dá)回波延遲。前面提到，光線經(jīng)過大質(zhì)量物體附近會(huì)彎曲，這種彎曲可以看成是一種折射，相當(dāng)于光速減慢。因此，我們可以推斷出，從空間某一點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)，如果途經(jīng)太陽附近，則它到達(dá)地球的時(shí)間將會(huì)有所延遲。1964年，美國天文學(xué)家夏皮羅領(lǐng)導(dǎo)的小組先后對(duì)水星、金星與火星進(jìn)行了雷達(dá)實(shí)驗(yàn)，證明了雷達(dá)回波確有延遲現(xiàn)象，并且檢測(cè)到的延遲值與廣義相對(duì)論的理論值相差不大?！八拇篁?yàn)證”在科學(xué)界傳開之后，廣義相對(duì)論理論的正確性得到了廣泛地承認(rèn)。

點(diǎn)燃天文學(xué)的革命

從“四大驗(yàn)證”中不難看出，愛因斯坦的廣義相對(duì)論提供了一個(gè)很好的框架和理論基礎(chǔ)，后世學(xué)者沿著這條道路建立并完善了一大批天文學(xué)理論，從而點(diǎn)燃了天文學(xué)領(lǐng)域的革命。

首先，廣義相對(duì)論對(duì)于研究天體結(jié)構(gòu)和演化具有重要意義。目前天文學(xué)領(lǐng)域非常流行的恒星演化理論便是基于廣義相對(duì)論。

根據(jù)恒星演化理論，恒星的誕生始于一團(tuán)體積非常巨大的氣狀云團(tuán)，這個(gè)氣狀云團(tuán)也被稱為星云。星云在其自身存在的電磁力和萬有引力的作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)著的渦旋星系壓縮星系物質(zhì)，迫使星云凝聚收縮，凝聚過程中釋放的引力勢(shì)能會(huì)使凝聚物質(zhì)的內(nèi)核溫度急劇上升，并最終引起由氫原子轉(zhuǎn)變成氦原子的核聚變反應(yīng)，同時(shí)釋放巨大的能量，恒星便被點(diǎn)燃，之后才正式誕生。恒星一旦形成，就會(huì)進(jìn)入一個(gè)持續(xù)達(dá)幾十億年的由氫轉(zhuǎn)變成氦的平穩(wěn)燃燒過程。比如，我們的太陽已經(jīng)燃燒了約45億年，這種穩(wěn)定的燃燒過程還可以維持50億年。在這個(gè)過程中，恒星核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的向外輻射的壓力與向內(nèi)的引力保持平衡，恒星的溫度和體積便基本恒定。當(dāng)核燃料減少到一定程度時(shí)，引力使星體體積收縮，恒星會(huì)形成以氦為主具有較重原子核的核心，此時(shí)恒星會(huì)進(jìn)入“紅巨星”狀態(tài)。如目前發(fā)現(xiàn)的獵戶座A和天蝎座A，都已發(fā)展到紅巨星階段。等到氦燃燒殆盡之后，恒星會(huì)進(jìn)入“晚年期”，也同時(shí)完成了它的初級(jí)演化，之后的恒星能否繼續(xù)進(jìn)入高級(jí)演化階段則取決于它的質(zhì)量。1931年，天體物理學(xué)家錢德拉首先計(jì)算出了這個(gè)質(zhì)量的臨界點(diǎn)，這個(gè)臨界點(diǎn)大約是半個(gè)太陽的質(zhì)量。對(duì)大于臨界點(diǎn)質(zhì)量的恒星，星體體積會(huì)產(chǎn)生更高層次的收縮，氦繼續(xù)轉(zhuǎn)變成碳、氧和硅，其表面溫度非常高，可達(dá)太陽表面溫度的數(shù)萬倍，恒星便進(jìn)入“白矮星”狀態(tài)。1967年，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的喬絲琳和安東尼發(fā)現(xiàn)了有規(guī)律的無線電脈沖，這些電脈沖最終被推斷來自于旋轉(zhuǎn)中的中子星。中子星也是恒星演化到末期可能成為的少數(shù)終點(diǎn)之一。

其次，是黑洞理論的建立?；趶V義相對(duì)論理論的恒星演化模型，一般認(rèn)為，具有幾十倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星在進(jìn)入中子星階段之后，還會(huì)進(jìn)一步塌陷成密度趨近于無窮大的“黑洞”。所謂黑洞，就是當(dāng)一個(gè)星體足夠致密時(shí)，其引力會(huì)使時(shí)空中的某些區(qū)域發(fā)生極度的扭曲以至于連光都無法逸出。在天文學(xué)上，致密星體的最重要屬性之一是它們能夠極有效率地將引力能量轉(zhuǎn)換為電磁輻射。恒星質(zhì)量黑洞或超大質(zhì)量黑洞對(duì)星際氣體和塵埃的吸積過程被認(rèn)為是某些非常明亮的天體的形成機(jī)制。例如，星系尺度的活動(dòng)星系核以及恒星尺度的微類星體。在對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行建立模型的過程中，廣義相對(duì)論都起到了關(guān)鍵作用。目前，黑洞也是引力波探測(cè)的重要目標(biāo)之一：黑洞雙星的合并過程可能會(huì)輻射出能夠被地球上的探測(cè)器接收到的某些最強(qiáng)的引力波信號(hào)，這成為在大尺度上探測(cè)宇宙膨脹的一種手段;恒星質(zhì)量黑洞等小質(zhì)量致密星體落入超大質(zhì)量黑洞的這一過程所輻射的引力波，能夠直接并完整地還原超大質(zhì)量黑洞周圍的時(shí)空幾何信息。這些都是目前利用黑洞理論所開展的研究應(yīng)用。

另外，廣義相對(duì)論還促進(jìn)了量子場論的革新。作為現(xiàn)代物理中粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)，通常意義上的量子場論是建立在平直的閔可夫斯基時(shí)空中的，這對(duì)于處在像地球這樣的弱引力場中的微觀粒子而言是一個(gè)非常好的近似描述。但是，在某些情形中，引力場的強(qiáng)度足以影響到其中的量子化的物質(zhì)，但不足以要求引力場本身也被量子化，為此物理學(xué)家發(fā)展了彎曲時(shí)空中的量子場論。這些理論借助于廣義相對(duì)論來描述彎曲的背景時(shí)空，并定義了廣義化的彎曲時(shí)空中的量子場理論。通過這種理論，可以證明黑洞也在通過黑體輻射釋放出粒子，這就是“霍金輻射”。黑洞有可能通過這種機(jī)制導(dǎo)致自身最終蒸發(fā)，可以說，“霍金輻射”在黑洞熱力學(xué)的研究中起到了關(guān)鍵作用。

重新認(rèn)識(shí)宇宙

廣義相對(duì)論最為震撼的影響，便是促使了大爆炸宇宙論的建立。愛因斯坦試著用廣義相對(duì)論從大尺度來考察宇宙，得到了與牛頓力學(xué)完全不同的結(jié)果。這是因?yàn)椋?dāng)恒星的運(yùn)行速度達(dá)到或接近光速，相互距離達(dá)到上億光年時(shí)，牛頓力學(xué)已經(jīng)無法下手，廣義相對(duì)論便推算出了與牛頓力學(xué)經(jīng)典宇宙觀完全不同的動(dòng)態(tài)宇宙。后來，經(jīng)過科學(xué)家的進(jìn)一步研究，又得到了令牛頓理論時(shí)期無法想象的一個(gè)結(jié)論，即動(dòng)態(tài)宇宙必然有著起源、演化和未來。也就是說，我們的宇宙和時(shí)間有一個(gè)起點(diǎn)，而且也不一定是永恒的。這就形成了大爆炸宇宙論：宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于137億年前一次大爆炸后膨脹形成的。爆炸之初，物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子核、原子、分子，并復(fù)合成為氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們?nèi)缃袼吹降挠钪妗?/p>

大爆炸宇宙論的出現(xiàn)改變了整個(gè)20世紀(jì)，甚至是人類有史以來對(duì)客觀世界最基本的認(rèn)識(shí)。從此，相對(duì)論和天文學(xué)的最后一個(gè)領(lǐng)域“宇宙學(xué)”相結(jié)合，指導(dǎo)了現(xiàn)代天文學(xué)近百年的發(fā)展，也指導(dǎo)了今天人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。這是愛因斯坦的廣義相對(duì)論理論在天體物理學(xué)中最為重要的一個(gè)推論，也創(chuàng)造出了廣義相對(duì)論的另一場高潮。

鏈接2：

愛因斯坦研究廣義相對(duì)論時(shí)做過的“蠢事”

由于廣義相對(duì)論博大精深，其推論和預(yù)言實(shí)在太多，愛因斯坦本人在廣義相對(duì)論的研究過程中也做過一些“蠢事”。這些“蠢事”在一定程度上影響了愛因斯坦的威望，也間接地影響了愛因斯坦憑借相對(duì)論而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的可能。第一件事發(fā)生在1916年2月，也就是在廣義相對(duì)論確立僅僅3個(gè)月后，一位名叫史瓦西的德國科學(xué)家寫信給愛因斯坦，他提出根據(jù)廣義相對(duì)論，如果星體的質(zhì)量聚集到一定程度時(shí)，那么可能連星體本身發(fā)出的光都無法從該星體逃逸出來，這其實(shí)就是黑洞的第一個(gè)簡單模型。但愛因斯坦憑直覺認(rèn)為這不可能，還在很多年后的1939年，寫了一篇論文解釋為什么黑洞不可能存在。到了20世紀(jì)50年代，很多科學(xué)家都認(rèn)為黑洞是可能存在的，但愛因斯坦還堅(jiān)持認(rèn)為那是“不允許的”。當(dāng)然，現(xiàn)在我們都知道，黑洞是存在的，愛因斯坦是錯(cuò)的。

還有一件事發(fā)生在1917年2月。根據(jù)廣義相對(duì)論的推論，愛因斯坦在一篇論文中提出了“無邊卻有限”的宇宙模型，但該推論直接說明宇宙不能是靜態(tài)的，要么膨脹，要么收縮。這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)離經(jīng)叛道之說，愛因斯坦自己也不愿相信，于是在引力場方程中人為地加入了一個(gè)所謂的“宇宙常數(shù)”，以保證宇宙處于靜態(tài)。論文發(fā)表后不久，蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦證明過程中的一個(gè)低級(jí)錯(cuò)誤（在等式兩邊作除法時(shí)，除數(shù)有可能為0），并于1922年發(fā)表論文明確提出了“膨脹著的宇宙”的觀點(diǎn)。很久以后，愛因斯坦承認(rèn)引入“宇宙常數(shù)”是他一生中最大的蠢事。

很明顯，對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論做進(jìn)一步的深入探討，在之前的100年以至今后的100年無疑都是一項(xiàng)意義重大的工作。我們相信，在未來的許多年里，廣義相對(duì)論本身不僅可以得到充實(shí)和完善，而且將在與之有關(guān)的眾多科學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮極其重要的作用，并不斷帶給我們新的驚喜。