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什么樣的靈感產(chǎn)生相對(duì)論的呢？我們要從整個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)的開頭說起。 17世紀(jì)，物理學(xué)史上誕生了一個(gè)偉大的人物，艾薩克·牛頓。牛頓的力學(xué)體系，解釋了物體下落和行星運(yùn)轉(zhuǎn)的原因。他假設(shè)了萬物之中存在著一種相互吸引的力量，他稱之為“引力”。但是，這種力量如何吸引兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)，且中間又完全空無一物的物體的呢？牛頓并沒有解釋清楚。  牛頓的蘋果 牛頓想象物體是在空間中運(yùn)動(dòng)的，他認(rèn)為空間是一個(gè)大容器，是一個(gè)平面，所有物體都在其中做著平直運(yùn)動(dòng)。這個(gè)也成為了“牛頓力學(xué)”最重要的前提。至于這個(gè)想象的空間，到底有多大，又由什么構(gòu)成的，牛頓并沒有給出答案。  空間是平直的 到了19世紀(jì)，英國(guó)的兩位大物理學(xué)家，法拉第和麥克斯韋，發(fā)現(xiàn)了“電磁場(chǎng)”，為牛頓的冰冷的世界添加了最重要的一筆。所謂的“電磁場(chǎng)”，雖然看不見摸不著，卻是一種無處不在的真實(shí)存在。他可以傳遞無線電波，可以振動(dòng)，可以波動(dòng)，還可以將電力四處傳播。電磁學(xué)的產(chǎn)生，是對(duì)牛頓力學(xué)的一個(gè)非常大的補(bǔ)充，解釋了物體相互吸引的原因。于是，他們合并起來，統(tǒng)稱為“經(jīng)典力學(xué)”。  磁鐵的電磁場(chǎng) 愛因斯坦從小對(duì)于電磁場(chǎng)十分的著迷，可能源自于他那開發(fā)電廠的父親。很快，他想到，“電力”是由“電磁場(chǎng)”來傳播的，如果引力像電力一樣，那一定也存在一種類似于“電場(chǎng)”的“引力場(chǎng)”。于是，在那一剎那，靈光一現(xiàn)，愛因斯坦想出了一個(gè)極其大膽的想法：如果有“引力場(chǎng)”，那么“引力場(chǎng)”并不彌漫于整個(gè)空間，因?yàn)樗旧砭褪强臻g。這成為了廣義相對(duì)論的思想基礎(chǔ)。 其實(shí)，牛頓的承載萬物的空間，跟愛因斯坦提出的“引力場(chǎng)”，是同一個(gè)東西。這造就一個(gè)極其驚世駭俗的想法：空間不再是一種區(qū)別于其他物質(zhì)的存在，他本身就是構(gòu)成物質(zhì)的一部分，他可以波動(dòng)，可以彎曲，可以變形。我們不是在一個(gè)看不見的堅(jiān)硬的框架里面，而更像是在一個(gè)巨大的容易形變的軟體動(dòng)物中。 地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，并非是因?yàn)槟撤N神秘力量的作用，而是太陽巨大的質(zhì)量使得空間發(fā)生彎曲，地球繞著已經(jīng)彎曲的曲面運(yùn)行而已。就像一個(gè)漏斗，彈球在漏斗中滾動(dòng)，并非是因?yàn)槁┒分行挠惺裁瓷衩氐牧α?。所以，無論是行星的旋轉(zhuǎn)，還是物體的下落，都是因?yàn)榭臻g發(fā)生的彎曲。  引力場(chǎng) 當(dāng)然，一個(gè)原理單單能夠解釋現(xiàn)象時(shí)不行的，還需要有定量的分析和數(shù)學(xué)上的精確計(jì)算。那如何用數(shù)學(xué)的方式，去描述一個(gè)表面不平直的曲面呢？（我們一直學(xué)習(xí)的幾何學(xué)，都是“歐幾里得幾何學(xué)”，即表面是平直空間）。19世紀(jì)最偉大的數(shù)學(xué)家，“數(shù)學(xué)王子”高斯，已經(jīng)寫出了描述二維曲面的公式。他還讓他的得意門生將這一理論推廣到三維乃至更高的維度，這個(gè)學(xué)生就是波恩哈德·黎曼。他以此課題做為博士論文的題目，不過當(dāng)時(shí)看來完全無用。 愛因斯坦通過空間的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)以“引力場(chǎng)”為原型的計(jì)算，三角形的內(nèi)角和會(huì)大于180度，這就證明了空間更像一個(gè)球面。在得知黎曼的幾何學(xué)是以此為基礎(chǔ)之后，苦學(xué)黎曼幾何。后來傳說，廣義相對(duì)論問世的時(shí)候，全世界只有3個(gè)人看得懂，其實(shí)不在于相對(duì)論的內(nèi)容有多么艱澀。而是因?yàn)樗褂玫臄?shù)學(xué)工具，其他的物理學(xué)家完全沒有接觸過。  圖一：黎曼幾何，圖三是歐幾里得幾何 愛因斯坦通過黎曼幾何對(duì)于空間曲率等等的計(jì)算，建立了十個(gè)“二階非線性的偏微分方程組”。從此，一個(gè)空間彎曲的宇宙，被框在一個(gè)優(yōu)美的方程之下。它看似像瘋子一樣胡言亂語，但眾多預(yù)言確得到證實(shí)。 首先，這個(gè)方程描述了空間如何在恒星周圍發(fā)生彎曲的。他預(yù)測(cè)，這種空間彎曲，不僅僅使行星圍繞恒星轉(zhuǎn)，就連光也會(huì)發(fā)生偏折，不在走直線。這個(gè)預(yù)言，在1919年，被英國(guó)著名的物理學(xué)家亞瑟·斯坦利·愛丁頓，觀測(cè)證實(shí)。他還預(yù)測(cè)，不僅僅是空間，時(shí)間同樣也會(huì)發(fā)生彎曲。離大質(zhì)量物體近的地方，空間扭曲更嚴(yán)重，時(shí)間也會(huì)相應(yīng)變慢。這一預(yù)測(cè)后來也得到證實(shí)。例如我們的地球同步衛(wèi)星，每天會(huì)比地面慢8微秒，需要每天都對(duì)衛(wèi)星的時(shí)間做調(diào)整。如果不做調(diào)整，1個(gè)月之后，GPS給我們的導(dǎo)航，將會(huì)誤差數(shù)十米。  光線引力偏折 這幾個(gè)預(yù)言的證實(shí)，讓愛因斯坦成為了整個(gè)物理學(xué)界的明星。在第五屆索爾維會(huì)議，愛因斯坦攜帶相對(duì)論，以至高無上的物理學(xué)的地位，在全世界最著名的物理學(xué)家中，坐在最中心的位置。邊上就有偉大的居里夫人、盧瑟福，以及后來跟他爭(zhēng)執(zhí)半生，引領(lǐng)量子物理的泰斗人物---尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾。  第五屆索爾維會(huì)議 話說回來，廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。他還預(yù)測(cè)，當(dāng)一個(gè)恒星燒完所有燃料的時(shí)候，會(huì)因?yàn)樽陨淼闹亓Χ?，形成一個(gè)空間極度扭曲，最終連光都無法逃離的“暗星”（“暗星”這個(gè)名稱并非愛因斯坦提出，黑洞的預(yù)言也是起源于場(chǎng)方程中的一個(gè)奇點(diǎn)），這就是后來著名的“黑洞”。如今，雖然依然無法有效觀測(cè)黑洞，而且黑洞的數(shù)學(xué)模型也無法統(tǒng)一，但天文學(xué)家已經(jīng)通過現(xiàn)象確認(rèn)了黑洞的確是真實(shí)存在的。 不僅如此，還有更精彩的。在場(chǎng)方程計(jì)算時(shí)候，愛因斯坦意外的計(jì)算出，宇宙是在膨脹的。這個(gè)結(jié)果甚至把他自己都嚇了一跳。甚至不惜在方程中加一個(gè)常數(shù)，來避免這種情況。但這一點(diǎn)，在多年后被另一個(gè)偉大的物理學(xué)家愛德溫·哈勃所發(fā)現(xiàn)的“紅移現(xiàn)象”做證實(shí)。他觀測(cè)到，所有的星球都在遠(yuǎn)離我們，而且離我們?cè)竭h(yuǎn)的星體，遠(yuǎn)離的速度越快。這直接證明的宇宙膨脹理論。  紅移和藍(lán)移 而且，宇宙膨脹的證實(shí)，還產(chǎn)生的一個(gè)副產(chǎn)品。人們想象，既然宇宙這么大，是一直膨脹的結(jié)果，膨脹了130多億年，那宇宙的起始狀態(tài)，會(huì)不會(huì)是很小的一個(gè)點(diǎn)呢？這就誕生了另一個(gè)大膽的猜想---“宇宙大爆炸”。而這個(gè)猜想也被科學(xué)家觀測(cè)到的“宇宙背景輻射”所證實(shí)。所謂的背景輻射，簡(jiǎn)單說就是宇宙爆炸后產(chǎn)生的余溫，而且由于空間的彎曲，這個(gè)余溫一定是不均勻的。  宇宙背景輻射 此外，這個(gè)理論還說，空間并不平直，他是像海平面一樣起伏不平的。正如水波是一種能量，可以觀測(cè)。那么“引力場(chǎng)”中也應(yīng)該會(huì)有“引力波”的存在。這一個(gè)偉大的設(shè)想，在100年后的2016年，通過引力波探測(cè)器，得到證實(shí)。  空間產(chǎn)生的波紋 總之，愛因斯坦的理論為我們描述了一個(gè)絢麗多彩的顛覆式的世界。在這個(gè)世界既有爆炸的宇宙，又有坍縮的黑洞，還有彎曲的空間和扭曲的時(shí)間。而這一切的開始，僅僅來自于一個(gè)偉大科學(xué)家的奇思妙想。這里，也需要提醒一下，這并非說“萬有引力”是錯(cuò)誤的。在太陽系下，牛頓力學(xué)的預(yù)測(cè)程度，依然堪稱完美。人造衛(wèi)星的升天，還用不到相對(duì)論。相對(duì)論更多的是遇到極大天體，極遠(yuǎn)大星系時(shí)候，能夠使用到的理論。 最后將愛因斯坦的場(chǎng)方程，粘貼到這里  他解釋了宇宙中最宏大最復(fù)雜的現(xiàn)象，而本身就如此簡(jiǎn)單。也提醒著我們，這個(gè)世界的美妙，需要我們每個(gè)人自己去實(shí)踐和探尋。 |
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