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廣義相對論發(fā)表100周年，愛因斯坦最經(jīng)典的9句話和五大發(fā)現(xiàn)
1915年愛因斯坦發(fā)表了震驚世界的廣義相對論，一舉成為這個藍色星球最聰明的人之一！今年將迎來《廣義相對論》論文發(fā)表100周年。為了紀(jì)念這一偉大理論的誕生，近期出版的世界頂級雜志《科學(xué)》刊發(fā)了一期?？稄V義相對論》。
本期特精選出愛因斯坦最經(jīng)典的9句話和五大發(fā)現(xiàn)，向愛因斯坦致敬，向科學(xué)致敬！
愛因斯坦提出相對論100周年 帶來五大發(fā)現(xiàn)
這個形式簡潔優(yōu)美的理論蘊藏了太多令人驚訝的內(nèi)容，100年來，人們時時從中悟出宇宙層出不窮的奧秘，直到今天，這里還有很多內(nèi)容沒有被我們悟透。
文/甘信風(fēng)
相對論的研究對象是超越我們?nèi)粘＝?jīng)驗的高速運動世界和廣闊的宇宙，這是我們難以理解相對論的主要原因。
自相對論誕生之日起，它所帶來的時空觀革命就極大地拓展了人類對宇宙的理解。從相對論中，人們發(fā)現(xiàn)了時間旅行的奧秘、原子裂變的巨大能量、宇宙的起源和終結(jié)、黑洞和暗能量等奇妙現(xiàn)象。幾乎宇宙所有的奧秘都隱藏在相對論那幾行簡單的公式中。
時間旅行
時間旅行也許意味著可以去修正或改變命運的發(fā)展，或是與歷史上的風(fēng)云人物們一起去見證偉大的歷史事件；人們當(dāng)然也有可能去未來旅行，比如去那里了解股市行情，探知科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)。時間旅行打開了一扇既可以回到過去又可以踏入未來的大門。
如果認(rèn)為時間旅行僅僅只是一個科幻小說的題材，那就大錯特錯了，因為相對論的思想表明，時間旅行是可能的。
狹義相對論證明高速旅行會使時間變慢，假定將來的某個時候，人們已解決了所有的技術(shù)難題，能夠制造一艘以亞光速飛行的宇宙飛船，一定意義上的時間旅行就變成可能了。如果飛船以亞光速從地球出發(fā)向遙遠(yuǎn)的星系飛去，來回的旅程僅僅幾年(按飛船上的時間)，但在此期間地球上卻已過去了幾千年，一切都發(fā)生了天翻地覆的變化。如果人類文明依然還存在的話，那又會是一個什么新的模樣呢？
廣義相對論表明，時空可以不是平坦的，而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠(yuǎn)的地方這兩點之間鑿出一個蟲洞，然后用某種“奇異物質(zhì)”把洞口撐開，使之成為一個突然出現(xiàn)在宇宙中的超空間管道，讓我們在瞬間到達遙遠(yuǎn)的彼岸。然后當(dāng)我們返回時，蟲洞的奇異性質(zhì)讓我們年輕了很多。
廣義相對論判定足夠的質(zhì)量能改變和扭曲時空，數(shù)學(xué)家法蘭克?提普勒據(jù)此設(shè)想了把時空卷起來的時間旅行方法。他認(rèn)為，如果太空中的一個巨大物體以一半光速旋轉(zhuǎn)，時空便會扭曲折回。因此，只要將來有人制造一個巨大的圓筒，它的長約為直徑的10倍，然后使圓筒以15萬公里/秒的速度旋轉(zhuǎn)，便會使圓筒中央附近產(chǎn)生一個扭曲折回的時空。
要將這圓筒當(dāng)時間機器使用，宇宙飛船一定要開到圓筒的中心沿圓筒內(nèi)壁盤旋飛行：逆圓筒旋轉(zhuǎn)的方向航行是駛?cè)脒^去，順圓筒旋轉(zhuǎn)的方向航行是駛?cè)胛磥?，每盤旋一周都使宇宙飛船更深入過去或未來一些。時間旅行者到達了目的時間，便將飛船駛離圓筒。有一件必須明了的事是，正像所有理論上的時間機器一樣，就是駛向過去無論怎樣也不能到達比制成圓筒更早的時間。
時間旅行是一個極具幻想色彩、也極具魅力的話題，長期以來，科學(xué)家們提出的方案一個又一個，時間旅行可能遇到的問題也被熱烈討論著。總有一天，相對論迷人的光芒會照耀著我們開始真正的時間旅行。
原子裂變
1905年11月，愛因斯坦同樣在德國《物理學(xué)紀(jì)事》雜志上發(fā)表了關(guān)于狹義相對論的第二篇文章：《物體的慣性同它所包含的能量有關(guān)嗎？》，這是一篇短文，在這篇論文中，他提出一個物體的質(zhì)量并不是恒定不變的，而是隨著運動速度的增加而增加。這就是運動中物體的“質(zhì)增效應(yīng)”。
現(xiàn)在我們想象我們在推一輛小板車，板車很輕，上面什么東西也沒有。假設(shè)這是一輛在真空中的“理想”板車，沒有任何摩擦力、也沒有任何阻力，因此，只要我們持續(xù)地推它，它的速度就越來越快，但隨著時間的推移，它的質(zhì)量也越來越大，起初像車上堆滿了鋼鐵，然后好像是裝著一座喜馬拉雅山、再然后好像是裝著一個地球、一個太陽系、一個銀河系……當(dāng)小板車接近光速時，好像整個宇宙都裝在它上面——它的質(zhì)量達到無窮大。這時，你無論施加多大力，無論推多長時間，它都不可能運動得再快一些。
由此可見，光子既然以光速傳播，它的靜止質(zhì)量就必須等于零，否則它的運動質(zhì)量就會無窮大。
當(dāng)物體運動接近光速時，我們不斷地對物體施加外力，供給能量，可物體速度的增加越來越困難，我們施加的能量去哪兒了呢？其實能量并沒有消失，而是轉(zhuǎn)化為了質(zhì)量。這就是說，物體質(zhì)量的增加與動能增加有著密切聯(lián)系，或者說物體的質(zhì)量與能量之間有著密切聯(lián)系。愛因斯坦在說明這種聯(lián)系的過程中，提出了著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2。
能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，即使是在不甚關(guān)心其實用價值的純理論型的物理學(xué)家看來也是驚心動魄的，而在絕大多數(shù)人眼里，能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，即能量是質(zhì)量的900萬倍，是多么誘人的前景呀！指甲蓋般大小的物質(zhì)的質(zhì)量如果完全消失，其釋放的能量是用以萬噸煤炭來計算的。
遺憾的是，沒人能隨便減少質(zhì)量，譬如一塊石頭，我們盡可以用錘子砸成小塊，然后碾成碎末，可是當(dāng)你仔細(xì)地收集這些碎末后就會發(fā)現(xiàn)它的質(zhì)量并未變化。
但是，十幾年后的1939年，約里奧?居里、費米、西拉德這三位科學(xué)家分別獨立發(fā)現(xiàn)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使人類找到了釋放巨大原子能的方法。鈾235的核收到中子轟擊就會發(fā)生裂變，分裂成兩個中等質(zhì)量的新原子核，放出1～3個中子，并釋放出巨大能量，這些中子又能引發(fā)其它鈾核再分裂，如此反復(fù)，形成連鎖反應(yīng)，不斷釋放巨大能量。這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使原子能成為殺傷力巨大的新武器。僅僅在幾年后，人類第一顆原子彈在美國爆炸成功，緊接著日本人遭受了人類歷史上最殘酷的懲罰，幾十萬人死傷，其中一部分人瞬間還被原成基本粒子，真成了魂飛魄散。E=mc2在給人間帶來希望之前，帶來的先是致命的創(chuàng)傷，這一切對于深愛和平的愛因斯坦來說無疑是一記重拳，直至臨死前他仍為此痛心不已。
宇宙大爆炸
令我們這些當(dāng)代人感到驚詫的是，遲至1917年，那些人類最具智慧的大腦仍然以為我們的銀河系就是整個宇宙，而這個銀河系大小的宇宙永遠(yuǎn)都是穩(wěn)定不變的，既不會變大也不會變小，這就是流傳了千百年的穩(wěn)恒態(tài)宇宙觀。
1917年，愛因斯坦試圖根據(jù)廣義相對論方程推導(dǎo)出整個宇宙的模型，但他發(fā)現(xiàn)，在這樣一個只有引力作用的模型中，宇宙不是膨脹就是收縮。為了使這個宇宙模型保持靜止，愛因斯坦在他的方程里額外增加了一個新的概念——宇宙常數(shù)，它表示的是一種斥力，同引力相反，它隨著天體之間距離的增大而增強。這是一個假想的、用以抵消引力作用的力。
然而，愛因斯坦很快發(fā)現(xiàn)自己錯了。因為科學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，宇宙實際上是膨脹的！
最早觀察到這一點的是20世紀(jì)的天文學(xué)之父哈勃。哈勃1889年出生于美國的密蘇里州，畢業(yè)于芝加哥大學(xué)天文系。1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)所有星系都在遠(yuǎn)離我們而去，這表明宇宙正在不斷膨脹。這種膨脹是一種全空間的均勻膨脹，因此，在任何一點的觀測者都會看到完全一樣的膨脹，從任何一個星系來看，一切星系都以它為中心向四面散開，越遠(yuǎn)的星系間彼此散開的速度越大。
宇宙的膨脹意味著，在早先，星體相互之間更加靠近，并且在更遙遠(yuǎn)過去的某一刻，它們似乎在同一個很小的范圍內(nèi)。
宇宙膨脹的消息傳到著名物理學(xué)家伽莫夫那里去的時候，立即引起了這位學(xué)者的興趣。喬治?伽莫夫出生于俄國，自小對詩歌、幾何學(xué)和物理學(xué)都深感興趣，在大學(xué)時期成為物理學(xué)家弗里德曼的得意門生。弗里德曼曾在愛因斯坦之后提出了重要的宇宙膨脹模型，伽莫夫也成為宇宙膨脹理論的熱心支持人之一。1945年，人類史上第一顆原子彈爆炸成功，看著蘑菇云升起的照片，伽莫夫突發(fā)靈感：把原子彈規(guī)?！胺糯蟆钡綗o窮大，不就成了宇宙爆炸嗎？他把核物理知識和宇宙膨脹理論結(jié)合起來，逐漸形成了自己的一套大爆炸宇宙理論體系。
1948年，伽莫夫和他的學(xué)生阿爾法合寫了一篇著名論文，系統(tǒng)地提出了宇宙起源和演化的理論。與我們慣常的想法不同，這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是發(fā)生在一個確定的點，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是空間本身在擴展，星系物質(zhì)隨著空間的擴展而分開。
根據(jù)大爆炸宇宙論，極早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。伽莫夫還作出了一個非凡的預(yù)言：我們的宇宙仍沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，不過溫度已降到6K左右。正如一個火爐雖然不再有火了，還可以冒一點熱氣。
1964年，美國貝爾電話公司年輕的工程師——彭齊亞斯和威爾遜，因一次偶然的機會發(fā)現(xiàn)了伽莫夫所預(yù)言的早期宇宙的殘余輻射，經(jīng)過測量和計算，得出這個殘余輻射的溫度是2.7K(比伽莫夫預(yù)言的溫度要低)，一般稱為3K宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)有力的佐證了宇宙大爆炸理論。
廣義相對論的智慧之處就在于，它從誕生起就能描述整個完整的宇宙，即使那些未知的領(lǐng)域也被全部囊括進去。讓它對付像太陽系這樣小小的、很普通的時空領(lǐng)域可真是大材小用了。
宇宙常數(shù)死而復(fù)生——暗能量
在發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹這個事實后，愛因斯坦就急急忙忙把他方程中的宇宙常數(shù)項去掉了，并認(rèn)為宇宙常數(shù)是他“一生中最大的錯誤”。隨后，宇宙常數(shù)被拋進歷史的垃圾堆。
然而造化弄人，幾十年后，宇宙常數(shù)又像鬼魂般的復(fù)活了。這次宇宙常數(shù)的復(fù)活要歸因于暗能量的發(fā)現(xiàn)。
1998年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴張，所有遙遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越來越快。那么一定有某種隱藏的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的方式撕扯開來，這是一種具有排斥力的能量，科學(xué)家們把它稱為“暗能量”。近年來，科學(xué)家們通過各種的觀測和計算證實，暗能量不僅存在，而且在宇宙中占主導(dǎo)地位，它的總量約達到宇宙總量的73%，而宇宙中的暗物質(zhì)約占23%、普通物質(zhì)僅約占4%。我們一直以為滿天繁星就已經(jīng)夠多了，宇宙中還有什么能比得上它們呢？而現(xiàn)在，我們才發(fā)現(xiàn)這滿天繁星卻是“弱勢群體”，剩下的絕大部分都是我們知之甚少或干脆一無所知的，這怎么不讓人感到驚心動魄呢！
事實上，早在1930年，就有天體物理學(xué)家指出，愛因斯坦那加入了宇宙常數(shù)的宇宙學(xué)方程并不能導(dǎo)出完全靜態(tài)的宇宙：因為引力和宇宙常數(shù)是不穩(wěn)定的平衡，一個小小的擾動就能導(dǎo)致宇宙失控的膨脹和收縮。而暗能量的發(fā)現(xiàn)告訴我們，愛因斯坦那作為與引力相抗衡的宇宙常數(shù)不僅確確實實存在，而且大大擾動了我們的宇宙，使宇宙的膨脹速率嚴(yán)重失控。在經(jīng)歷了一系列曲折后，宇宙常數(shù)正在時間中復(fù)活。
宇宙常數(shù)今日以暗能量的面目出現(xiàn)在世人面前，它所產(chǎn)生的洶涌澎湃的排斥力已令整個宇宙為之變色！暗能量和引力之間的角力戰(zhàn)自宇宙誕生起就沒有停止過，在這場漫長的戰(zhàn)斗中，最舉足輕重的就是彼此的密度。物質(zhì)的密度隨著宇宙膨脹導(dǎo)致的空間增大而遞減；但暗能量的密度在宇宙膨脹時，變化得非常緩慢，或者根本保持不變。在很久以前，物質(zhì)的密度是較大的，因此那時的宇宙是處于減速膨脹的階段；現(xiàn)今的暗能量密度已經(jīng)大于物質(zhì)的密度，排斥力已經(jīng)從引力手中徹底奪得了控制權(quán)，以前所未有的速度推動宇宙膨脹。根據(jù)一些科學(xué)家的預(yù)測，再過200多億年，宇宙將迎來動蕩的末日，恐怖的暗能量終將把所有的星系、恒星、行星一一撕裂，宇宙將只剩下沒有盡頭的寒冷、黑暗。
暗能量的發(fā)現(xiàn)，也充分地體現(xiàn)了人類認(rèn)知過程又走進了一個“悖論怪圈”：即宇宙中所占比例最多的，反而是最遲也是最難為我們所知曉的。一方面人類現(xiàn)在對宇宙奧秘的了解越來越多，另一方面我們所要面對的未知也越來越多。而這日益深遠(yuǎn)的未知又反過來不斷刺激著人類去探索宇宙背后的真相。
暗能量是怎么來的？它將如何發(fā)展？這已經(jīng)是21世紀(jì)宇宙學(xué)所面臨的最重大問題之一。
黑洞大發(fā)現(xiàn)
廣義相對論表明，引力場可以造成空間彎曲，強大的引力場可以造成強烈的空間彎曲，那么無限強大的引力場會產(chǎn)生什么情況呢？
1916年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論后不久，德國物理學(xué)家卡爾?史瓦西就用這個理論描繪了一個假設(shè)的完全球狀星體附近的空間和時間是如何彎曲的。他證明，假如星體質(zhì)量聚集到一個足夠小的球狀區(qū)域里，比如一個天體的質(zhì)量與太陽相同，而半徑只有3公里時，引力的強烈擠壓會使那個天體的密度無限增大，然后產(chǎn)生災(zāi)難性的坍塌，使那里的時空變得無限彎曲，在這樣的時空中，連光都不能逃逸！由于沒有了光信號的聯(lián)系，這個時空就與外面的時空分割成兩個性質(zhì)不同的區(qū)域，那個分割球面就是視界。
這就是我們今天耳熟能詳?shù)暮诙?，但在那個年代，幾乎沒有人相信有這么奇怪的天體存在，甚至包括愛因斯坦本人和愛丁頓這樣的相對論大師也明確表示反對這種怪物，愛因斯坦還說他可以證明沒有任何星體可以達到密度無限大。就連黑洞這個名稱也是一直到1967年才由美國物理學(xué)家惠勒命名。
歷史當(dāng)然不會因此而停止前進，時間進入20世紀(jì)30年代，美國天文學(xué)家錢德拉塞卡提出了著名的“錢德拉塞卡極限”，即：一顆恒星當(dāng)其氫核燃盡后的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的1.44倍以上時，將不可能變成白矮星，而會繼續(xù)坍塌收縮，變成體積比白矮星更小、密度比白矮星更大的星體，即中子星。1939年，美國物理學(xué)家奧本海默進一步證明，一顆恒星當(dāng)其氫核燃盡后的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的3倍以上時，其自身引力的作用將能使光線都不能逃出這個星體的范圍。
隨著經(jīng)驗的積累，關(guān)于黑洞的理論變得成熟起來，人們從徹底拒絕這個怪物到漸漸相信它，到20世紀(jì)60年代，人們已普遍接受黑洞的概念，黑洞的奧秘被逐漸研究出來。
嚴(yán)格而言，黑洞并不是通常意義下的“星”，而只是空間的一個區(qū)域。這是與我們?nèi)粘Ｓ钪婵臻g互不連通的區(qū)域，黑洞視界將這兩個區(qū)域隔絕開，在視界以外，可以由光信號在任意距離上相互聯(lián)系，這就是我們所居住的正常宇宙；而在視界以內(nèi)，光線并不能自由地從一個地方傳播到另一個地方，而是都朝向中心集聚，事件之間的聯(lián)系受到嚴(yán)格限制，這就是黑洞。
在黑洞的內(nèi)部，物體向黑洞墜落的過程中，潮汐力越來越大，在中心區(qū)域，引力和起潮力都是無限大。因此，在黑洞中心，除了質(zhì)量、電荷和角動量以外，物質(zhì)其他特性全部喪失，原子、分子等等都將不復(fù)存在！在這種情形下，無法談?wù)摵诙吹哪囊徊糠治镔|(zhì)，黑洞是一個統(tǒng)一體！
在黑洞中心，全部物質(zhì)被極為緊密地擠壓成為一個體積無限趨近于零的幾何點，任何強大的力量都不可能把它們分開，這就是所謂的“奇點”狀態(tài)。廣義相對論無法對此進行考察，而必須代之以新的正確理論——量子理論。諷刺的是，廣義相對論給我們導(dǎo)出了一個黑洞，卻在黑洞的奇點之處失效，量子理論取而代之，而量子理論和相對論卻根本互不相容！
