【宇宙中是否有引力】
Flection timespace 我相信，單純的思考足以了解世界觀。
——阿爾伯特·愛因斯坦
愛因斯坦狹義相對論中的內(nèi)容，他解釋了引力作用和加速度作用沒有差別的原因。還解釋了引力是如何和時(shí)空彎曲聯(lián)系起來的，利用數(shù)學(xué)，愛因斯坦指出物體使周圍空間、時(shí)間彎曲，在物體具有很大的相對質(zhì)量（例如一顆恒星）時(shí)，這種彎曲可使從它旁邊經(jīng)過的任何其它事物，即使是光線，也改變路徑。廣義相對論指出，時(shí)空曲率將產(chǎn)生引力。當(dāng)光線經(jīng)過一些大質(zhì)量的天體時(shí)，它的路線是彎曲的，這源于它沿著大質(zhì)量物體所形成的時(shí)空曲率。因?yàn)楹诙词菢O大的質(zhì)量的濃縮，它周圍的時(shí)空非常彎曲，即使是光線也無法逃逸。
愛因斯坦的廣義相對論認(rèn)為，由于有物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲，而引力場實(shí)際上是一個(gè)彎曲的時(shí)空。愛因斯坦用太陽引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)中一直無法解釋的43秒。廣義相對論的第二大預(yù)言是引力紅移，即在強(qiáng)引力場中光譜向紅端移動(dòng)，20年代，天文學(xué)家在天文觀測中證實(shí)了這一點(diǎn)。廣義相對論的第三大預(yù)言是引力場使光線偏轉(zhuǎn)，。最靠近地球的大引力場是太陽引力場，愛因斯坦預(yù)言，遙遠(yuǎn)的星光如果掠過太陽表面將會(huì)發(fā)生一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。1919年，在英國天文學(xué)家愛丁頓的鼓動(dòng)下，英國派出了兩支遠(yuǎn)征隊(duì)分赴兩地觀察日全食，經(jīng)過認(rèn)真的研究得出最后的結(jié)論是：星光在太陽附近的確發(fā)生了一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。
愛因斯坦在1905年既復(fù)活了光的微粒說，又維護(hù)了麥克斯韋電磁理論的正確性，但是他發(fā)覺自己進(jìn)退維谷。關(guān)于輻射的這兩個(gè)概念是相互矛盾的：如果光是由粒子組成，那么按照萬有引力定律，它就會(huì)受別的物質(zhì)影響，果若如此，光速又怎能如狹義相對論要求的那樣是絕對恒星呢？
這個(gè)矛盾當(dāng)然應(yīng)歸根于引力。引力在宇宙中無處不有，并使所有物質(zhì)加速，而狹義相對論的慣性系是嚴(yán)格地沒有加速度的。愛因斯坦很清楚這個(gè)癥結(jié)，并認(rèn)識(shí)到，要使引力能與狹義相對論的電磁時(shí)空相協(xié)調(diào)，首先必須重新理解“力”的概念本身。
牛頓萬有引力定律要求一切物體都具有一種稱為引力質(zhì)量的內(nèi)在屬性，用以量度每個(gè)物體所能產(chǎn)生的引力。此外，牛頓還用三個(gè)基本定律概括了物體在任何力（引力或別的力）作用下的行為。第一定律簡單地說就是笛卡兒的慣性原理：不受力的物體保持靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)；第二定律規(guī)定使一個(gè)物體加速的力與物體的加速度和質(zhì)量都成正比（即人們熟知的公式F＝ma）；第三定律陳述作用與反作用的平等性：每一個(gè)力（例如人推墻的力）都伴之以一個(gè)大小相等、方向相反的力（墻也推人）。所以，牛頓的力是使物體偏離其慣性運(yùn)動(dòng)的原因。物體總是反抗對其慣性狀態(tài)的改變，這種反抗由其慣性質(zhì)量來量度。按照這個(gè)思路，萬有引力同其他任何力一樣，也是一種力，而引力質(zhì)量之于引力恰如電荷之于電力。
我們知道，慣性質(zhì)量相同而帶電荷不同的物體在同一電場中受到不同的加速，因而在牛頓理論中就沒有理由認(rèn)為引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量必定相等。但是，伽利略和牛頓所觀察到的引力的基本性質(zhì)，正是地心引力同樣地加速所有物體，而與物體的慣性質(zhì)量或引力質(zhì)量、體積以及化學(xué)性質(zhì)都無關(guān)。一片羽毛、一個(gè)分子或是一塊磚，在地球表面附近釋放后都同樣具有約9.8米／秒的加速度（也就是說，假如沒有空氣阻力，它們的速度每秒鐘都增加9.8米／秒，在第一秒末是9.8米／秒，在第二秒末是19.6米／秒，等等。這個(gè)恒定的加速度正是地球表面的引力加速度）。
這意味著，不僅根本不存在“引力中性”的物體，而且所有物體都具有完全一樣的相應(yīng)引力荷。這只有在引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量嚴(yán)格相等時(shí)才可能。這種相等性于是被接受為一條公理，稱為等效原理。這種相等起初被認(rèn)為只是近似的，后來卻經(jīng)受住了整個(gè)科學(xué)史上最高精度的核查。
匈牙利男爵羅蘭·馮·厄伍（Lorand von E6tvbs）先在1889年，后又在1922年對等效原理作了驗(yàn)證，精度達(dá)十億分之一?，F(xiàn)在，檢驗(yàn)精度已經(jīng)提高了1000倍。由于一個(gè)物體中的所有能量都對慣性質(zhì)量有貢獻(xiàn)（把電子和核束縛在原子中的電磁能就很顯然），我們就能得出結(jié)論：所有能量都有重量，尤其是，光也有重量。
愛因斯坦意識(shí)到，等效原理是理解引力的關(guān)鍵。引力與電磁力大不相同，包括進(jìn)引力，將給狹義相對論帶來實(shí)質(zhì)性的擴(kuò)充。讓我們來進(jìn)一步考慮等效原理的物理意義。
在愛因斯坦看來，引力質(zhì)量與慣性的等效只是一個(gè)更強(qiáng)得多的等效性的弱形式，而強(qiáng)等效性是把均勻引力和加速統(tǒng)一起來。愛因斯坦指出：
1.任何加速都相當(dāng)于引力:一個(gè)坐在加速度與地心引力（即g＝9.8米／秒’）相等的飛船里的人感覺不出與站在地面上有什么區(qū)別。
2.引力的作用可以通過選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)募铀賲⒖枷祦硐Ｋ闹邮且患芡蝗粩嗔死|繩的電梯，其中的人將覺得失重，與在太空中已脫離地球引力的人的感覺一樣。我們在這里看到引力與自然界所有其他的力（如電力）之間的巨大差異。不可能用加速來冒充電力，因?yàn)橐粋€(gè)電場中的物體并不受到同樣的加速，加速度與物體的電荷有關(guān)。準(zhǔn)確地說，引力實(shí)際上不是一種作用于時(shí)空中的不同物體之間的力，而是時(shí)空自身的一種性質(zhì)。引力對人們早已熟悉的時(shí)空結(jié)構(gòu)摧毀性地入侵的結(jié)果，就是廣義相對論。
【新慣性】
物理學(xué)的自洽性要求一種相對性，即要求參考系中的物理規(guī)律能取相同的形式。在這個(gè)意義上，廣義相對論可說是推翻了狹義相對論。狹義相對論里的參考系都以恒定速度運(yùn)動(dòng)，不受力，沒有加速度。時(shí)空連續(xù)體是一種平坦的不毛之地，沒有任何局部特征，這種空虛性保證了位置和速度的相對性。但在引力存在的情況下，所有參考系都受到加速。因此在廣義相對論中沒有普適的慣性參考系。時(shí)空連續(xù)體變得坑洼不平，而位置和速度只能相對于這樣的時(shí)空來確定。所有的參考系，無論是慣性系與否，只要我們知道如何從一個(gè)參考系正確地過渡到另一個(gè)，就能用來描述自然定律。從這個(gè)意義上講，愛因斯坦引力理論的名稱是取錯(cuò)了，因?yàn)閺V義相對論的相對性比狹義相對論是減小了。由于一個(gè)均勻引力場能由一個(gè)加速來消除或代替，并且反之亦然，一個(gè)在這個(gè)場中下落的物體就不受任何力（人之沒有落向地心是因?yàn)樗_下地面壓力的阻擋）。恒定引力場中的自由下落因而就是物體的“自然”運(yùn)動(dòng)。對宇宙中任何一個(gè)足夠小的區(qū)域而言，引力的變化不大，則自由下落運(yùn)動(dòng)定義出一個(gè)局域慣性參考系，其中的物理定律取其最簡單的形式，即由狹義相對論所給出的形式。狹義相對論并沒有被完全拋棄，它是被包括到一個(gè)更廣泛的理論中，而仍保持在一定范圍內(nèi)的適用性。
【宇宙高爾夫球場】
我們今天都知道時(shí)空是彎曲的，可是這個(gè)奇怪而又迷人的陳述究竟是什么意思呢？雙生子佯謬很好地描繪了狹義相對論時(shí)空的剛性結(jié)構(gòu)如何使空間和時(shí)間由于觀測者的運(yùn)動(dòng)而各自改變（收縮或延緩）。廣義相對論則完全變革了我們的宇宙觀，它斷言引力會(huì)使整個(gè)時(shí)空變形。如果在一個(gè)給定點(diǎn)上直接的引力效應(yīng)已被消除，我們?nèi)阅軠y量相鄰兩點(diǎn)之間的微分效應(yīng)。在一個(gè)纜繩已斷掉的電梯里，兩個(gè)“自由”物體的軌跡在一級(jí)近似上是平行的，但實(shí)際上兩條軌跡線將在6400公里遠(yuǎn)處的地心相交，因此兩軌跡之間就有一個(gè)相對加速度（因?yàn)樗鼈兿嗷ピ诳拷?，對?yīng)著一個(gè)微分引力場。顯示直接引力與微分引力之間區(qū)別的一個(gè)鮮明事例是海洋潮汐的幅度。雖然太陽對地球表面的直接引力比月亮的強(qiáng)180倍，太陽潮卻比月亮潮弱得多。這是因?yàn)槌毕⒉皇怯芍苯右υ斐桑怯商柡驮铝翆Φ厍蛏喜煌c(diǎn)的引力的差異造成。對月亮來說這種差異是6％，而對太陽則只有1.7％。牛頓理論把微分引力效應(yīng)稱作潮汐力。在太陽系里潮汐力是很弱的，而黑洞所產(chǎn)生的潮汐力卻能把整個(gè)恒星撕碎。然而對廣義相對論來說，用潮汐力來描述微分引力是完全多余的，因?yàn)檫@不是一種力學(xué)效應(yīng)而純粹是一種幾何效應(yīng)。為理解這一點(diǎn)，且看兩只開始時(shí)沿平行路線滾動(dòng)且相隔不遠(yuǎn)的高爾夫球。如果地面完全平坦，它們的軌跡將保持平行，否則它們的相對位置就會(huì)改變，一個(gè)鼓包會(huì)使它們離遠(yuǎn)，一個(gè)凹坑則會(huì)使它們靠攏。在宇宙高爾夫球場里，微分引力可以用時(shí)空“場地”的彎曲來表示。而且，由于引力總是吸引，這種彎曲就總是凹下而不是隆起。因此，時(shí)空彎曲的深刻含義是指由等效原理所造就的引力與幾何之間的聯(lián)系。物體不是在引力迫使下在“平直”時(shí)空中運(yùn)動(dòng)，而是沿著彎曲時(shí)空的恒值線自由地行進(jìn)。
【彎曲幾何】
上帝以彎曲來顯平直。
——共濟(jì)會(huì)思想象（1782）
“彎曲”是一個(gè)日常用詞。三維空間里的歐幾里德幾何允許我們講一維的曲線和二維的曲面。圓是一個(gè)一維幾何圖形（只有長度，沒有寬度和深度），其半徑越短，則彎曲程度越大。反之，如果半徑增至無限長，圓就變成了直線，失去了彎曲性。同樣地，一個(gè)球面隨其半徑的無限增長也會(huì)變成一個(gè)平面（若不計(jì)地面的粗糙，則在局域尺度上看地球表面是平的）。
彎曲因而是有精確的幾何定義的。但當(dāng)維數(shù)增加時(shí)，定義變得復(fù)雜多了，彎曲程度不能再像圓的情況那樣用一個(gè)數(shù)來描述，而必須講“曲率”。且看一個(gè)簡單情況即圓柱面，這是一個(gè)二維曲面（圖約，平行于其對稱軸所量度的曲率為零，而在垂直方向上的曲率則與截出的那個(gè)圓相等。
盡管曲率有多重性，仍然可以定義出一個(gè)固有曲率。在二維面上的每一個(gè)點(diǎn)都可以量出兩個(gè)相互垂直方向上的彎曲半徑，二者乘積的倒數(shù)就是曲面的固有曲率。如果兩個(gè)彎曲半徑是在曲面的同一側(cè)，固有曲率就是正的；如果是在兩側(cè)，那就是負(fù)的。圓柱面的固有曲率為零，事實(shí)上它可以被切開平攤在桌面上而不會(huì)被扯破，而對一個(gè)球面就不可能這樣做。
球面、圓柱面及其他任意二維曲面都“包理”在三維歐幾里德空間里。這種來自現(xiàn)實(shí)生活的具體形象使我們覺得可以區(qū)分“內(nèi)部”和“外部”，并且常說是一個(gè)面在空間里彎曲。但是，在純粹的幾何學(xué)里，一個(gè)二維曲面的性質(zhì)可以不需要關(guān)于包含空間的任何知識(shí)而完全確定，更高維的情況也是如此。我們可以描繪四維宇宙的彎曲幾何，不需要離開這個(gè)宇宙，也不需要參照什么假想的更大空間，且看這是如何做到的。
彎曲空間的數(shù)學(xué)理論是在19世紀(jì)，主要由本哈?黎曼（Bernhard Riemann）發(fā)展出來的。即使是最簡單的情況，彎曲幾何的特性也是歐幾里德幾何完全沒有的。再次考慮一個(gè)球面。這是一個(gè)二維空間，曲率為正值且均勻（各點(diǎn)都一樣），因?yàn)閮蓚€(gè)曲率半徑都等于球面的半徑。連接球面上兩個(gè)分離點(diǎn)的最短路線是一個(gè)大圓的一段弧，即以球心為中心畫在球面上的一個(gè)圓的一部分。大圓之于球面正如直線之于平面，二者都是測地線，就是最短長度的曲線。一架不停頓地由巴黎飛往東京的飛機(jī)，最省時(shí)間的路線是先朝北飛，經(jīng)過西伯利亞，再朝南飛，這才是最短程路線。由于所有大圓都是同心的，其中任何兩個(gè)都相交于兩點(diǎn)（例如，子午線相交于兩極），換句話說，在球面上沒有平行的“直線”。
已可看出歐幾里德幾何是被無情地踐踏了。熟知的歐氏幾何定律只能應(yīng)用于沒有任何彎曲的平坦空間，一旦有任何彎曲，這些定律就被完全推翻了。球面最明顯的幾何性質(zhì)是：與平面上直線的無限延伸不同，如果誰沿著球面上的直線（即沿著大圓）運(yùn)動(dòng)，他將總是從相反方向上回到出發(fā)點(diǎn)。因此，球面是有限的，或者說封閉的，盡管它沒有終極，沒有邊界（大圓是沒有終端的）。球面正是具有任何維數(shù)的有限空間的理想原型（由于自轉(zhuǎn)、地形及潮汐等因素，地球表面不是精確的球面，但它同樣具有上述性質(zhì)）。
現(xiàn)在來考查一下負(fù)曲率空間的情況。為簡單起見，限于二維，典型的例子是雙曲面，形如馬鞍。如果也沿著這個(gè)面上的一條直線運(yùn)動(dòng)，一般說來不會(huì)再返回出發(fā)點(diǎn)，而是無限地遠(yuǎn)離。像平面一樣，雙曲面也是開放面，但僅此而已。作為一個(gè)曲面，雙曲面根本不再是歐幾里德型的。大多數(shù)曲面并不像球面或雙曲面那樣具有處處都為正或?yàn)樨?fù)的曲率，而是曲率值逐點(diǎn)變化，正負(fù)號(hào)在面上不同區(qū)域也會(huì)改變。
【幾何與物質(zhì)】
物質(zhì)所在，幾何所在（Ubi materia，ibi geometria）。
——約翰斯·開普勒（Johaunes Kopler）
我們現(xiàn)在來考慮廣義相對論的四維幾何。重要的是，時(shí)空是彎曲的，而不僅是空間。黎曼曾試圖以彎曲空間來使電磁學(xué)和引力相和諧，他之所以未成功，是因?yàn)闆]有扭住時(shí)間的“脖子”。設(shè)想我們把石塊擲向地面上10米外的靶子。在地球引力作用下石塊將沿連接出手處和靶子的拋物線飛行，其最大高度取決于初始速度。如果石塊以10米／秒的速度擲出，并將用1．5秒鐘落到目標(biāo)，則其最大高度為3米。如果改成用槍射擊，且子彈初速為500米／秒，則子彈將沿高為0．5毫米的弧線用0．02秒鐘擊中目標(biāo)；如果子彈被射到12公里高的空中再落到靶子上（忽略空氣的影響和地球自轉(zhuǎn)），它的總飛行時(shí)間就大約是100秒。由此推至極限，也可以用速度為30萬公里／秒的光線來射靶子，這時(shí)的軌道彎曲變得難以覺察，幾乎成了一條直線。顯然，所有這些拋物線的曲率半徑各不相同。
現(xiàn)在加進(jìn)時(shí)間維度。無論對石塊、于彈還是光子，在時(shí)空中量度的曲率半徑都精確地相等，其值為1光年的星級(jí)。因此，更合理的說法是，時(shí)空軌道是“直”的，而時(shí)空本身被地心引力所彎曲，不受任何其他力的拋射體將沿測地線運(yùn)動(dòng)（等價(jià)于說沿彎曲幾何中的直線運(yùn)動(dòng)）。
上面的例子表明時(shí)空是怎樣在時(shí)間上彎曲得比在空間上厲害得多的。一旦所涉及的速度開始增大，時(shí)間曲率就變得重要。公路上凸起了一小塊，只是空間曲率的一點(diǎn)小小不整齊，一個(gè)徒步慢行的人很難覺察到，但對一輛以120公里／小時(shí)的速度行駛的汽車來說卻很危險(xiǎn)，因?yàn)樗斐蓵r(shí)間維度上大得多的變化。
阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）計(jì)算出，l噸的質(zhì)量放在一個(gè)半徑為5米的圓中心所造成的空間曲率改變，僅僅影響圓周與直徑比值（即歐幾里德幾何中的…的小數(shù)點(diǎn)后第24位。
因此，要給時(shí)空造成可觀的變化，就得有巨大的質(zhì)量。地球表面的時(shí)空曲率半徑如此之大（約1光年，即其自身半徑的10億倍）的事實(shí)說明地球的引力場，盡管給物體以98米／秒’的加速度，卻是不夠強(qiáng)的。對于地球附近的絕大多數(shù)物理實(shí)驗(yàn)，我們可以繼續(xù)采用明可夫斯基時(shí)空和狹義相對論；歐幾里德空間和牛頓力學(xué)在涉及的速度較小時(shí)也足夠精確。
盡管局域地看來似乎平直，我們的宇宙實(shí)際上是被物質(zhì)弄彎曲了。然而，彎曲效應(yīng)變得明顯僅僅是在高度集中的質(zhì)量附近（例如黑洞），或者是在很大的尺度上（數(shù)百萬光年，例如研究對象是由數(shù)千個(gè)星系組成的團(tuán)）。最近發(fā)現(xiàn)的多重類星體是彎曲時(shí)空真實(shí)性的一個(gè)最好證據(jù)。一個(gè)遙遠(yuǎn)光源發(fā)出的光線沿不同路徑穿過彎曲時(shí)空，使天文學(xué)家看到同一個(gè)天體的幾個(gè)像柔軟的光。
【光】
光……更多的光！
——歌德（Goethe）最后的話（1832）
狹義相對論時(shí)空的剛性結(jié)構(gòu)也像牛頓空間一樣被引力的沖擊完全破壞了。時(shí)空連續(xù)體變得柔軟了，被它所包含的物質(zhì)扭曲了，而物質(zhì)又按照它的彎曲而運(yùn)動(dòng)。不過，光線的軌跡仍然是沿著最短路徑。這個(gè)時(shí)空“軟體”的結(jié)構(gòu)仍然是由光編織的，廣義相對論的本質(zhì)也仍能由光錐來表示出來。
另一種使彎曲時(shí)空及其對物質(zhì)的影響形象化的有用辦法是用一塊橡皮片。設(shè)想將時(shí)空的一部分縮減成二維，且由彈性材料構(gòu)成。在沒有任何別的物體時(shí)，橡皮保持平直。如果把一個(gè)球放在它上面，它就會(huì)變形，凹下一個(gè)坑，球的質(zhì)量越大，凹得就越深。這種似乎是空想的表示方式，可以用所謂鑲嵌圖來使之具有數(shù)學(xué)上的嚴(yán)格性。
【愛因斯坦方程】
隨著愛因斯坦的預(yù)言被首次宣布獲得證實(shí)，關(guān)于物理學(xué)家將必須研究張量理論的觀點(diǎn)才真正激起他們的巨大熱情。
——（ A·Whitehead）（ 1920）
所有理論都有自己的方程式。愛因斯坦引力場方程把時(shí)空變形的程度與引力源的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系了起來，物質(zhì)告訴時(shí)空必須如河彎曲，而時(shí)空告訴物質(zhì)必須如何運(yùn)動(dòng)。愛因斯坦方程是極為復(fù)雜的，其中涉及的物理量不再只是力和加速度，而是還有距離和時(shí)間間隔。它們是張量，這種量的每一個(gè)都像一張有著多項(xiàng)條目的表格，包含著關(guān)于幾何和物質(zhì)的所有信息。
引力對物質(zhì)的作用比電力更為復(fù)雜，從而需要有比標(biāo)量（純數(shù)）和矢量（有三個(gè)分量）更復(fù)雜的數(shù)學(xué)術(shù)語來進(jìn)行描述。為認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)，我們可回顧在牛頓引力理論中只有物體的引力質(zhì)量才是引力源，這個(gè)質(zhì)量是由一個(gè)固著地聯(lián)系于物體的純數(shù)來表示的。在愛因斯坦理論中，引力質(zhì)量只是與物體相聯(lián)系的總引力量的一個(gè)分量。狹義相對論（它對于一個(gè)引力可看作均勻的小時(shí)空區(qū)域總是適用的）已經(jīng)證明，所有形式的能量都與質(zhì)量等價(jià)，從而都能產(chǎn)生引力。一個(gè)物體的能量是與觀測者的相對運(yùn)動(dòng)有關(guān)的。對于一個(gè)靜止物體，所有的能量都包括在它的“靜質(zhì)量”中（E＝thC‘?。?；但物體一且運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量，從而產(chǎn)生引力。要計(jì)算一個(gè)物體的引力效應(yīng)，就必須把它的靜止能量與描述其運(yùn)動(dòng)的“動(dòng)量矢量”結(jié)合起來，這就是對引力源的完整描述需要使用“能量一動(dòng)量張量”的緣故。
更有甚者，對時(shí)空中的每一點(diǎn)都需要20個(gè)數(shù)來描述其彎曲情況。時(shí)間和空間的幾何變形因此需要有“曲率張量”（我們記得，曲率隨著維數(shù)的增多變得越來越復(fù)雜）。愛因斯坦方程正是描述曲率張量與能量一動(dòng)量張量之間的關(guān)系，把二者分別放在一個(gè)等式的兩邊：物質(zhì)制造曲率，而曲率使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。
并不試圖詳細(xì)講述愛因斯坦方程。曲率張量和能量一動(dòng)量張量的不同分量是如此緊密地相互聯(lián)系著，以至于一般說來不可能找到方程的精確解，甚至不可能從整體上定義什么是空間，什么是時(shí)間。我們不得不把引力源加以理想化，才有可能算出一點(diǎn)什么來。有鑒于此，迄今已找到的解（描述著各種彎曲時(shí)空）大多與真實(shí)的時(shí)空毫不相干。在這個(gè)意義上，愛因斯坦方程的內(nèi)涵是太豐富了，它允許無數(shù)個(gè)有著稀奇古怪性質(zhì)的理論上的宇宙。
這種豐富性或許損害了愛因斯坦理論的可信性，但是，我們不要由此以為廣義相對論只預(yù)言那些不可能觀測或是超越人類理解力的東西。恰恰相反，愛因斯坦既是一位物理學(xué)家，也是一位哲學(xué)家，他試圖描述我們的這個(gè)宇宙，并且從太陽系開始。運(yùn)用他的方程的近似解，他首先計(jì)算出了太陽系里三個(gè)不能由牛頓引力定律得出而又可觀測的引力效應(yīng)：太陽附近光線的偏折，水星軌道的異常，引力場中電磁波頻率的變小。
除此之外，還有一些自然界存在的情況，其中對引力源所作的簡化被證明是完全合理的，相應(yīng)得出的愛因斯坦方程精確解就能對宇宙的這一部分或那一部分給出很好的描述?？此破婀值氖?，這種簡化在兩個(gè)極端的距離尺度上最富成效。我們能夠計(jì)算真空中一個(gè)孤立物體所產(chǎn)生的引力場（也就是該物體周圍的時(shí)空變形）。一顆恒星的周圍區(qū)域（例如太陽系）或一個(gè)黑洞的附近，都能由這個(gè)解來很好地描述，因?yàn)檫@些情況的物質(zhì)高度集中于一個(gè)小時(shí)空區(qū)域，周圍近乎真空。在另一個(gè)極端，我們能夠計(jì)算宇宙整體的平均引力場（宇宙的整體幾何），因?yàn)樵诤艽蟮某叨壬衔镔|(zhì)是大致均勻地鋪開的，星系就像是均勻的宇宙氣體中的分子。廣義相對論因而使我們能建立宇宙學(xué)，即研究宇宙整體的形狀和演化。在相對論天體物理學(xué)于70年代出現(xiàn)之前，宇宙學(xué)是廣義相對論真正得到應(yīng)用的唯一領(lǐng)域，當(dāng)然，是和黑洞一起。
廣義相對論的第三個(gè)主要應(yīng)用，即引力波，恐怕不得不等到對世紀(jì)。愛因斯坦方程在引力理論中的地位，相當(dāng)于麥克斯韋方程之于電磁學(xué)?，F(xiàn)在我們都知道電荷的加速產(chǎn)生電磁波，類似地，廣義相對論預(yù)言引力源的運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生波，即曲率的起伏在彈性時(shí)空結(jié)構(gòu)中以光速傳播。
【檢驗(yàn)廣義相對論】
檢驗(yàn)廣義相對論在許多意義上，理論物理學(xué)家只是穿了工作服的哲學(xué)家。
——（ I·BerylhaPll）（ 1949）
愛因斯坦提議用來檢驗(yàn)廣義相對論的三項(xiàng)觀測是光線在太陽附近的偏折，水星軌道的異常和引力場中原子譜線的紅移。光線經(jīng)過太陽附近時(shí)的偏折結(jié)果與愛因斯坦的計(jì)算值一致。第二項(xiàng)檢驗(yàn)涉及行星運(yùn)動(dòng)。按照牛頓天體力學(xué)，一個(gè)孤立行星是在一個(gè)固定的橢圓軌道上圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)（橢圓的主軸不動(dòng)）。由于其他行星的存在，這個(gè)運(yùn)動(dòng)受到干擾，橢圓軌道會(huì)緩慢地進(jìn)動(dòng)。1859年，法國天文學(xué)家勒維葉發(fā)現(xiàn)，水星的近日點(diǎn)（即其軌道上離太陽最近的點(diǎn)）進(jìn)動(dòng)得比牛頓理論預(yù)期的要快。對外層行星（主要是木星）弓l起的擾動(dòng)的詳細(xì)計(jì)算得出，水星進(jìn)動(dòng)速率應(yīng)為每百年5514角秒，而實(shí)際進(jìn)動(dòng)是每百年5557角秒，多出43角秒（一個(gè)圓是360“，每一度是3600角秒）。這個(gè)異常顯然很?。拷?jīng)過三百萬年水星軌道才會(huì)比理論值超前一圈），但是牛頓理論在它所運(yùn)用的領(lǐng)域是如此精確，因而必須對這一現(xiàn)象作出解釋。
最自然的設(shè)想似乎是還存在一個(gè)擾動(dòng)物體，可能是一個(gè)圍繞太陽的物質(zhì)環(huán)，或者甚至是一個(gè)未知行星。類似的考慮已經(jīng)使勒維葉成名，他在1846年通過對天王星軌道擾動(dòng)的分析預(yù)言了另一個(gè)行星即海王星的存在，隨后很快就被證實(shí)。勒維葉試圖重顯輝煌，說是在太陽與水星之間還有一個(gè)行星，并取名為火神星。他計(jì)算出火神星會(huì)很罕見地越過太陽盤面（只有這時(shí)才有希望由它投在日面上的陰影來探測它）。但在1877年，剛巧在他預(yù)言的火神星超過日面的時(shí)間之前，他去世了，因而不會(huì)知道自己的失敗。那一天所有的望遠(yuǎn)鏡都對著太陽，但是火神星固執(zhí)地拒不出現(xiàn)。以解釋水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)為唯一目標(biāo)，出現(xiàn)了許多稍加修改的牛頓式引力理論。當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道，其他行星也有類似的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，如金星、地球和小行星伊卡魯斯，但那些能解釋一個(gè)行星行為的理論卻不適用于別的行星。
后來，由于注意到顯示近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的是最靠近太陽的那些行星，天文學(xué)家開始尋找由太陽內(nèi)部產(chǎn)生的擾動(dòng)力。太陽顯然不是精確球形的，這種變形原則上能引起近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。然而實(shí)際上太陽還是太圓了，牛頓引力理論，無論經(jīng)過修改與否，仍然被這一小撮古怪行星挫敗。
1916年愛因斯坦廣義相對論終于為行星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)提供了一個(gè)目洽的統(tǒng)一的解釋。進(jìn)動(dòng)并不是由一種來自太陽的神秘引力所引起，行星是在由太陽質(zhì)量所彎曲的時(shí)空中自由運(yùn)動(dòng)。它們的軌道是測地線，而由太陽質(zhì)量所彎曲的時(shí)空連續(xù)體的測地線并不是嚴(yán)格的橢圓或雙曲線，軌線的軸會(huì)隨時(shí)間而緩慢進(jìn)動(dòng)，理論計(jì)算的進(jìn)動(dòng)速率精確等于觀測值愛因斯坦提出的第三項(xiàng)檢驗(yàn)是關(guān)于光在引力場中的表觀“慢化”。電磁輻射的頻率減小，波長相應(yīng)地增大，即所謂“紅化”（紅光在可見光譜中波長最長）。要以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)精度來檢驗(yàn)廣義相對論，太陽上的這種效應(yīng)就太微弱了，即使是密度比太陽大得多，能給光線施加更強(qiáng)束縛力的恒星，由于其光譜受磁場和星體內(nèi)部物質(zhì)不明運(yùn)動(dòng)的影響很大，因而很難把各種效應(yīng)區(qū)分開來。
這第三項(xiàng)檢驗(yàn)簡單地就是引力場中時(shí)間彈性的另一種說法。狹義相對論已經(jīng)證明，加速使鐘變慢（雙生子佯謬）。按照等效原理，就可以得出結(jié)論，引力也會(huì)使鐘變慢：一樓的鐘就會(huì)走得比二樓的鐘慢。直到愛因斯坦逝世以后，才能造出足夠精確的鐘來測量地球這樣弱的引力場中的時(shí)間彈性。
1960年，哈佛大學(xué)的物理學(xué)家以千分之一的精度測出了沿垂向下落23米的伽瑪射線的頻率移動(dòng)（伽瑪射線是一種高能電磁輻射）。觀測太陽附近光線的偏折必須等日食到來，檢驗(yàn)水星近日點(diǎn)是否進(jìn)動(dòng)得太快需要一個(gè)世紀(jì)的觀測資料積累，而現(xiàn)在有了可按設(shè)計(jì)重復(fù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測量。一個(gè)繁榮的實(shí)驗(yàn)引力時(shí)代開始了。從1976年起，超穩(wěn)定即精確度為一千萬億分之一的鐘被放到了高空飛機(jī)上，那里的引力比地面上減弱的程度應(yīng)當(dāng)可以測量出來。這種飛行的電磁鐘與在地面實(shí)驗(yàn)室里同樣的鐘作了比較。二者的速率確有差別，而且與廣義相對論預(yù)言的結(jié)果完全一致?？臻g探測器的出現(xiàn)使得測量太陽引力場更顯著一些的時(shí)間彈性效應(yīng)成為可能。用雷達(dá)發(fā)射器向位于太陽另一側(cè)的一個(gè)空間探測器發(fā)出一個(gè)無線電訊號(hào)，訊號(hào)被探測器反射并返回地球，全程的時(shí)間在地球上記量，被太陽引力變曲的幾何使得這個(gè)時(shí)間與訊號(hào)在平坦真空中傳播的時(shí)間不同。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在1971年用水手號(hào)探測器進(jìn)行的，它再次證實(shí)了時(shí)間延遲效應(yīng)。
也許有人要問，為什么要做這么多很花錢的實(shí)驗(yàn)去證實(shí)一個(gè)看來已經(jīng)很好的理論？回答是，所有這些廣義相對論實(shí)驗(yàn)都只涉及太陽系的引力場，而這個(gè)場是處處都很弱的，也是定常態(tài)的（即不隨時(shí)間變化）。這個(gè)繁榮的實(shí)驗(yàn)引力時(shí)代激發(fā)了理論家們的想象，許多引力理論被提出來與愛因斯坦理論競爭。那些理論大多含有一些附加參量，可以由發(fā)明者隨意調(diào)節(jié)。這類理論中最著名的一個(gè)是由德國物理學(xué)家帕索?約丹（PascualJordan）和法國物理學(xué)家葉維?舍里（Yves Thir對提出，后來由美國物理學(xué)家卡爾?布蘭斯（Carl Brans）和羅伯特?迪克（Robert Dick）所發(fā)展的（迪克本人對實(shí)驗(yàn)引力的發(fā)展有著卓越的貢獻(xiàn)）。由于附加參量的靈活性，那些理論可以被調(diào)節(jié)得能說明太陽系里觀測到的所有效應(yīng)。
那么，怎么能確定究竟那一個(gè)理論是正確的呢？
只有通過分析所有這些理論對強(qiáng)的、動(dòng)態(tài)的（即隨時(shí)間迅速變化）引力場情況所作的預(yù)測，才得作出回答。然而在相當(dāng)長的時(shí)期里，自然界并未給我們提供合適的檢驗(yàn)場所，直到1974年雙脈沖星的發(fā)現(xiàn)，情況才有大變。這兩個(gè)靠得很近且相互繞轉(zhuǎn)的中子星的軌道周期在變短，觀測結(jié)果與愛因斯坦理論一致，而與所有其他參與競爭的理論都不相符。
【理論的魅力】
這個(gè)理論的魅力在于，一旦對它有了恰當(dāng)?shù)睦斫?，就不可能不為之深深吸引?/div>
——阿爾伯特?愛因斯坦
廣義相對論無疑是人類有史以來最輝煌的智力業(yè)績之一，而且是由一個(gè)人單獨(dú)完成的。
1911年，在布拉格大學(xué)工作的愛因斯坦首次計(jì)算了光線在引力場中的偏折。他的結(jié)果本應(yīng)在1914年日食時(shí)檢驗(yàn)，但是第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)使這個(gè)計(jì)劃擱淺。這對愛因斯坦來說倒是幸運(yùn)的，因?yàn)樗睦碚撛诋?dāng)時(shí)還不成熟，他的預(yù)測是錯(cuò)的。然而，他沒有因挫折而喪氣，他承認(rèn)自己是一個(gè)科學(xué)上的“偏執(zhí)狂”。英國物理學(xué)家泡爾·狄拉克（Paul Dirac）后來說道：“科學(xué)完全占據(jù)了愛因斯坦的思維。如果他給你一杯茶，當(dāng)你在用匙攪動(dòng)時(shí)，他就會(huì)在思考如何對杯中茶葉的運(yùn)動(dòng)作出科學(xué)解釋。”
愛因斯坦于1915年11月完善了他的廣義相對論方程，并陸續(xù)于11月4日、11日、18日和25日在《柏林報(bào)告》（BerlinerBench比）上發(fā)表，他的理論從此走上了燦爛的歷程。最早的兩本有關(guān)專著于1918年出版，一本是在倫敦，作者是阿瑟·愛丁頓（那時(shí)，因?yàn)橛⒌玛P(guān)系緊張的原因，德國科學(xué)在英國受到冷遇，英國圖書館不再接收德國期刊。愛丁頓讀到的愛因斯坦論文，是他的一個(gè)德國朋友郵寄的，可能是英國僅有的一份）；另一本是在柏林，由赫曼?魏爾出ermann We 周寫成。光線經(jīng)過太陽附近時(shí)的偏折，是1919年5月29日日食時(shí)在巴西的索布拉爾觀測到的，這應(yīng)感謝弗蘭克·戴森（Frank Dvson）和愛丁頓的熱忱。對愛因斯坦預(yù)言的證實(shí)是皇家學(xué)會(huì)于1919年間月6日在倫敦舉行的一次著名會(huì)議上宣布的。
那時(shí)，第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束。整個(gè)世界惡夢初醒、疲憊不堪，而又在尋求著新的理想。愛因斯坦理論以其關(guān)于彎曲空間的稀奇思想抓住了公眾的想象，盡管一般人連其中的一個(gè)字都不懂。無數(shù)的科普文章出現(xiàn)在通俗的和專業(yè)的期刊上，人們都被迷住了，相對論成了時(shí)髦的話題。愛因斯坦成了世界上最負(fù)盛名的思想家，無論是什么方面的問題，都有人去問他的觀點(diǎn)。美國以隆重的儀式歡迎了他，他成了公眾的偶像科學(xué)界的反應(yīng)就復(fù)雜得多。有的人為愛因斯坦獨(dú)行俠式的創(chuàng)造所傾倒，贊美之詞超過以前之于牛頓。“思辨威力的一個(gè)最美妙的例證”，赫曼?魏爾這樣宣稱，并且又毫不猶豫地加上：“遮掩真理的墻已被推倒”。馬克斯?玻恩（Max Born）則在1955年說是“人類智慧最偉大的成就”。值得強(qiáng)調(diào)的是，在物理學(xué)家中，對廣義相對論最強(qiáng)烈支持的是那些能夠理解它的人。
另一方面，那些拒不接受這個(gè)理論的人也是太過分了。很難不提一位物理學(xué)家波阿色（H?Bouasse）的令人驚訝的評論：“這種在我看來將是短命的贊譽(yù)，是由于愛因斯坦理論不屬于物理理論的范疇，它是一種先驗(yàn)的、凌駕于一切之上的、不可理解的假設(shè)，給它的成功予以模棱兩可的理由……最后，我們實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家要說的是：我們只接受那些適合我們的理論，我們拒絕那些我們不能理解因而對我們無用的理論。”
廣義相對論的另一個(gè)激烈反對者阿爾瓦·古爾斯勝（AllvarGullstrand），是瑞典的眼科學(xué)家和數(shù)學(xué)家，1911年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，也是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)成員。這或許就是為什么1921年授予愛因斯坦諾貝爾獎(jiǎng)是“特別由于他對支配光電效應(yīng)的定律的發(fā)現(xiàn)”，而不是由于他的相對論。
法國物理學(xué)家約翰·愛森斯塔（Jean Eisenstaedt）評論道：“這種偏見就像正派的紳士們憎恨本世紀(jì)產(chǎn)生的立體派、非圖形派和達(dá)達(dá)派繪畫。那些納土們慶賀自己不懂新藝術(shù)，而嘲笑表示贊揚(yáng)的人是不懂裝懂的假內(nèi)行。”這里，對科學(xué)和藝術(shù)創(chuàng)造二者的對照是恰當(dāng)?shù)?。廣義相對論常被比作一項(xiàng)優(yōu)美的抽象藝術(shù)創(chuàng)作，然而一個(gè)理論的優(yōu)美并不保證它的正確，注重實(shí)用的物理學(xué)家需要時(shí)間來確認(rèn)它符合自己的原則。國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（它每三年舉行一次全世界天文學(xué)家的大會(huì)）于1922年熱情地設(shè)立了一個(gè)“相對論”委員會(huì)，它只開過一次會(huì)，然后就決定再繼續(xù)活動(dòng)是無益的。
時(shí)至今日，論爭仍未結(jié)束。然而相對論是在發(fā)展壯大，尤其是在過去的近30年里，其起因則是來自奇特的遙遠(yuǎn)星球的閃爍信號(hào)首次進(jìn)入了大型射電望遠(yuǎn)鏡。
【蟲洞】
60多年前，阿爾伯特·愛因斯坦提出了“蟲洞”理論。那么，“蟲洞”是什么呢？簡單地說，“蟲洞”是連接宇宙遙遠(yuǎn)區(qū)域間的時(shí)空細(xì)管。它可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連接起來，并提供時(shí)間旅行的可能性。
早在20世紀(jì)50年代，已有科學(xué)家對“蟲洞”作過研究，由于當(dāng)時(shí)歷史條件所限，一些物理學(xué)家認(rèn)為，理論上也許可以使用“蟲洞”，但“蟲洞”的引力過大，會(huì)毀滅所有進(jìn)入的東西，因此不可能用在宇宙航行上。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的研究發(fā)現(xiàn)，“蟲洞”的超強(qiáng)力場可以通過“負(fù)質(zhì)量”來中和，達(dá)到穩(wěn)定“蟲洞”能量場的作用?？茖W(xué)家認(rèn)為，相對于產(chǎn)生能量的“正物質(zhì)”，“反物質(zhì)”也擁有“負(fù)質(zhì)量”，可以吸去周圍所有能量。像“蟲洞”一樣，“負(fù)質(zhì)量”也曾被認(rèn)為只存在于理論之中。不過，目前世界上的許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地證明了“負(fù)質(zhì)量”能存在于現(xiàn)實(shí)世界，并且通過航天器在太空中捕捉到了微量的“負(fù)質(zhì)量”。 （在進(jìn)行空間穿梭的飛船上放反物質(zhì)？）
據(jù)美國華盛頓大學(xué)物理系研究人員的計(jì)算，“負(fù)質(zhì)量”可以用來控制“蟲洞”。他們指出，“負(fù)質(zhì)量”能擴(kuò)大原本細(xì)小的“蟲洞”，使它們足以讓太空飛船穿過。他們的研究結(jié)果引起了各國航天部門的極大興趣，許多國家已考慮撥款資助“蟲洞”研究，希望“蟲洞”能實(shí)際用在太空航行上。
宇航學(xué)家認(rèn)為，“蟲洞”的研究雖然剛剛起步，但是它潛在的回報(bào)，不容忽視。科學(xué)家認(rèn)為，如果研究成功，人類可能需要重新估計(jì)自己在宇宙中的角色和位置?，F(xiàn)在，人類被“困”在地球上，要航行到最近的一個(gè)星系，動(dòng)輒需要數(shù)百年時(shí)間，是目前人類不可能辦到的。但是，未來的太空航行如使用“蟲洞”，那么一瞬間就能到達(dá)宇宙中遙遠(yuǎn)的地方。
據(jù)科學(xué)家觀測，宇宙中充斥著數(shù)以百萬計(jì)的“蟲洞”，但很少有直徑超過10萬公里的，而這個(gè)寬度正是太空飛船安全航行的最低要求。“負(fù)質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)為利用“蟲洞”創(chuàng)造了新的契機(jī)，可以使用它去擴(kuò)大和穩(wěn)定細(xì)小的“蟲洞”。
科學(xué)家指出，如果把“負(fù)質(zhì)量”傳送到“蟲洞”中，把“蟲洞”打開，并強(qiáng)化它的結(jié)構(gòu)，使其穩(wěn)定，就可以使太空飛船通過。
蟲洞的概念最初產(chǎn)生于對史瓦西解的研究中。物理學(xué)家在分析白洞解的時(shí)候，通過一個(gè)阿爾伯特·愛因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)宇宙時(shí)空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞，那么時(shí)空在史瓦西半徑，也就是視界的地方與原來的時(shí)空垂直。在不平坦的宇宙時(shí)空中，這種結(jié)構(gòu)就意味著黑洞視界內(nèi)的部分會(huì)與宇宙的另一個(gè)部分相結(jié)合，然后在那里產(chǎn)生一個(gè)洞。這個(gè)洞可以是黑洞，也可以是白洞。而這個(gè)彎曲的視界，就叫做史瓦西喉,它就是一種特定的蟲洞。
自從在史瓦西解中發(fā)現(xiàn)了蟲洞，物理學(xué)家們就開始對蟲洞的性質(zhì)發(fā)生了興趣。
蟲洞連接黑洞和白洞，在黑洞與白洞之間傳送物質(zhì)。在這里，蟲洞成為一個(gè)阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋，物質(zhì)在黑洞的奇點(diǎn)處被完全瓦解為基本粒子，然后通過這個(gè)蟲洞（即阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋）被傳送到白洞并且被輻射出去。
蟲洞還可以在宇宙的正常時(shí)空中顯現(xiàn)，成為一個(gè)突然出現(xiàn)的超時(shí)空管道。
蟲洞沒有視界，它只有一個(gè)和外界的分界面，蟲洞通過這個(gè)分界面進(jìn)行超時(shí)空連接。蟲洞與黑洞、白洞的接口是一個(gè)時(shí)空管道和兩個(gè)時(shí)空閉合區(qū)的連接，在這里時(shí)空曲率并不是無限大，因而我們可以安全地通過蟲洞，而不被巨大的引力摧毀。理論推出的蟲洞還有許多特性，限于篇幅，這里不再贅述。
黑洞、白洞、蟲洞仍然是目前宇宙學(xué)中“時(shí)空與引力篇章”的懸而未解之謎。黑洞是否真實(shí)存在，科學(xué)家們也只是得到了一些間接的旁證。當(dāng)前的觀測及理論也給天文學(xué)和物理學(xué)提出了許多新問題，例如，一顆能形成黑洞的冷恒星，當(dāng)它坍縮時(shí)，其密度已然會(huì)超過原子核、核子、中子……，如果再繼續(xù)坍縮下去，中子也可能被壓碎。那么，黑洞中的物質(zhì)基元究竟是什么呢？有什么斥力與引力對抗才使黑洞停留在某一階段而不再繼續(xù)坍縮呢？如果沒有斥力，那么黑洞將無限地坍縮下去，直到體積無窮小，密度無窮大，內(nèi)部壓力也無窮大，而這卻是物理學(xué)理論所不允許的。
總之，目前我們對黑洞、白洞和蟲洞的本質(zhì)了解還很少，它們還是神秘的東西，很多問題仍需要進(jìn)一步探討。目前天文學(xué)家已經(jīng)間接地找到了黑洞，但白洞、蟲洞并未真正發(fā)現(xiàn)，還只是一個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)在科幻作品中的理論名詞。
蟲洞也是霍金構(gòu)想的宇宙期存在的一種極細(xì)微的洞穴。美國科學(xué)家對此做了深入的研究。目前的宇宙中，“宇宙項(xiàng)”幾乎為零。所謂的宇宙項(xiàng)也稱為“真空的能量”，在沒有物質(zhì)的空間中，能量也同樣存在其內(nèi)部，這是由愛因斯坦所導(dǎo)入的。宇宙初期的膨脹宇宙，宇宙項(xiàng)是必須的，而且，在基本粒子論里，也認(rèn)為真空中的能量是自然呈現(xiàn)的。那么，為何目前宇宙的宇宙項(xiàng)變?yōu)榱隳?？柯爾曼說明：在爆炸以前的初期宇宙中，蟲洞連接著很多的宇宙，很巧妙地將宇宙項(xiàng)的大小調(diào)整為零。結(jié)果，由一個(gè)宇宙可能產(chǎn)生另一個(gè)宇宙，而且，宇宙中也有可能有無數(shù)個(gè)這種微細(xì)的洞穴，它們可通往一個(gè)宇宙的過去及未來，或其他的宇宙。
旋轉(zhuǎn)的或帶有電荷的黑洞內(nèi)部連接一個(gè)相應(yīng)的白洞，你可以跳進(jìn)黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。
最后，即使蟲洞存在并且是穩(wěn)定的，穿過它們也是十分不愉快的。貫穿蟲洞的輻射（來自附近的恒星，宇宙的微波背景等等）將藍(lán)移到非常高的頻率。當(dāng)你試著穿越蟲洞時(shí)，你將被這些X射線和伽瑪射線烤焦。蟲洞的出現(xiàn)，幾乎何以說是和黑洞同時(shí)的。
物理學(xué)家一直認(rèn)為，蟲洞的引力過大，會(huì)毀滅所有進(jìn)入它的東西，因此不可能用在宇宙旅行之上 。但是，假設(shè)宇宙中有蟲洞這種物質(zhì)存在，那么就可以有一種說法：如果你于12：00站在蟲洞的一端（入口），那你就會(huì)于12：00從蟲洞的另一端（出口）出來。
黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連接，當(dāng)然，這種連接無論是如何的將強(qiáng)，它還是僅僅是一個(gè)連通的“宇宙監(jiān)獄”。
蟲洞(Wormhole),又稱愛因斯坦-羅森橋,是宇宙中可能存在的連接兩個(gè)不同時(shí)空的狹窄隧道。
蟲洞有幾種說法
一是空間的隧道，就像一個(gè)球，你要沿球面走就遠(yuǎn)了但如果你走的是球里的一條直徑就近了，蟲洞就是直徑
二是黑洞與白洞的聯(lián)系
三是你說的時(shí)間隧道，根據(jù)愛因斯坦所說的你可以進(jìn)行時(shí)間旅行，但你只能看，就像看電影，卻無法改變發(fā)生的事情，因?yàn)闀r(shí)間是線行的，事件就是一個(gè)個(gè)珠子已經(jīng)穿好，你無法改變珠子也無法調(diào)動(dòng)順序
到現(xiàn)在為止，我們討論的都是普通“完美”黑洞。細(xì)節(jié)上，我們討論的黑洞都不旋轉(zhuǎn)也沒有電荷。如果我們考慮黑洞旋轉(zhuǎn)同時(shí)/或者帶有電荷，事情會(huì)變的更復(fù)雜。特別的是，你有可能跳進(jìn)這樣的黑洞而不撞到奇點(diǎn)。結(jié)果是，旋轉(zhuǎn)的或帶有電荷的黑洞內(nèi)部連接一個(gè)相應(yīng)的白洞，你可以跳進(jìn)黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。
白洞有可能離黑洞十分遠(yuǎn)；實(shí)際上它甚至有可能在一個(gè)“不同的宇宙”--那就是，一個(gè)時(shí)空區(qū)域，除了蟲洞本身，完全和我們在的區(qū)域沒有連接。一個(gè)位置方便的蟲洞會(huì)給我們一個(gè)方便和快捷的方法去旅行很長一段距離，甚至旅行到另一個(gè)宇宙?；蛟S蟲洞的出口停在過去，這樣你可以通過它而逆著時(shí)間旅行?？偟膩碚f，它們聽起來很酷。
但在你認(rèn)定那個(gè)理論正確而打算去尋找它們之前，你因該知道兩件事。首先，蟲洞幾乎可以肯定不存在。正如我們上面我們說到白洞時(shí)，只因?yàn)樗鼈兪欠匠探M有效的數(shù)學(xué)解并不表明它們在自然中存在。特別的，當(dāng)黑洞由普通物質(zhì)坍塌形成（包括我們認(rèn)為存在的所有黑洞）并不會(huì)形成蟲洞。如果你掉進(jìn)其中的一個(gè)，你并不會(huì)從什么地方跳出來。你會(huì)撞到奇點(diǎn)，那是你唯一可去的地方。
還有，即使形成了一個(gè)蟲洞，它也被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。即使是很小的擾動(dòng)（包括你嘗試穿過它的擾動(dòng)）都會(huì)導(dǎo)致它坍塌。
即使蟲洞存在并且是穩(wěn)定的，穿過它們也是十分不愉快的。貫穿蟲洞的輻射（來自附近的恒星，宇宙的微波背景等等）將藍(lán)移到非常高的頻率。當(dāng)你試著穿越蟲洞時(shí)，你將被這些X射線和伽瑪射線烤焦。蟲洞的出現(xiàn)，幾乎何以說是和黑洞同時(shí)的。
在史瓦西發(fā)現(xiàn)了史瓦西黑洞以后，理論物理學(xué)家們對愛因斯坦常方程的史瓦西解進(jìn)行了幾乎半個(gè)世紀(jì)的探索。包括上面說過的克爾解、雷斯勒——諾斯特朗姆解以及后來的紐曼解，都是圍繞史瓦西的解研究出來的成果。我在這里將介紹給大家的蟲洞，也是史瓦西的后代。
蟲洞在史瓦西解中第一次出現(xiàn)，是當(dāng)物理學(xué)家們想到了白洞的時(shí)候。他們通過一個(gè)愛因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)時(shí)空可以不是平坦的，而是彎曲的。在這種情況下，我們會(huì)十分的發(fā)現(xiàn)，如果恒星形成了黑洞，那么時(shí)空在史瓦西半徑，也就是視界的地方是與原來的時(shí)空完全垂直的。在不是平坦的宇宙時(shí)空中，這種結(jié)構(gòu)就以為著黑洞的視界內(nèi)的部分會(huì)與宇宙的另一個(gè)部分相結(jié)合，然后在那里產(chǎn)生一個(gè)洞。這個(gè)洞可以是黑洞，也可以是白洞。而這個(gè)彎曲的視界，叫史瓦西喉，也就是一種特定的蟲洞。
自從在史瓦西解中發(fā)現(xiàn)了蟲洞，物理學(xué)家們就開始對蟲洞的性質(zhì)感到好奇。
我們先來看一個(gè)蟲洞的經(jīng)典作用：連接黑洞和白洞，成為一個(gè)愛因斯坦——羅森橋，將物質(zhì)在黑洞的奇點(diǎn)處被完全瓦解為基本粒子，然后通過這個(gè)蟲洞（即愛因斯坦——羅森橋）被傳送到這個(gè)白洞的所在，并且被輻射出去。
當(dāng)然，前面說的僅僅是蟲洞作為一個(gè)黑洞和白洞之間傳送物質(zhì)的道路，但是蟲洞的作用遠(yuǎn)不只如此。
黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連接，當(dāng)然，這種連接無論是如何的將強(qiáng)，它還是僅僅是一個(gè)連通的“宇宙監(jiān)獄”。
蟲洞不僅可以作為一個(gè)連接洞的工具，它還開宇宙的正常時(shí)空中出現(xiàn)，成為一個(gè)突然出現(xiàn)在宇宙中的超空間管道。
蟲洞沒有視界，踏有的僅僅是一個(gè)和外界的分解面。蟲洞通過這個(gè)分解面和超空間連接，但是在這里時(shí)空曲率不是無限大。就好比在一個(gè)在平面中一條曲線和另一條曲線相切，在蟲洞的問題中，它就好比是一個(gè)四維管道和一個(gè)三維的空間相切，在這里時(shí)空曲率不是無限大。因而我們現(xiàn)在可以安全地通過蟲洞，而不被巨大的引力所摧毀。
那么蟲洞都有些什么性質(zhì)呢？
利用相對論在不考慮一些量子效應(yīng)和除引力以外的任何能量的時(shí)候，我們得到了一些十分簡單、基本的關(guān)于蟲洞的描述。這些描述十分重要，但是由于我們研究的重要是黑洞，而不是宇宙中的洞，因此我在這里只簡單介紹一下蟲洞的性質(zhì)，而對于一些相關(guān)的理論以及這些理論的描述，這里先不涉及。
蟲洞有些什么性質(zhì)呢？最主要的一個(gè)，是相對論中描述的，用來作為宇宙中的告訴火車。但是，蟲洞的第二個(gè)重要的性質(zhì)，也就是量子理論告訴我們的東西又明確的告訴我們：蟲洞不可能成為一個(gè)宇宙的告訴火車。蟲洞的存在，依賴于一種奇異的性質(zhì)和物質(zhì)，而這種奇異的性質(zhì)，就是負(fù)能量。只有負(fù)能量才可以維持蟲洞的存在，保持蟲洞與外界時(shí)空的分解面持續(xù)打開。當(dāng)然，狄拉克在芬克爾斯坦參照系的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了參照系的選擇可以幫助我們更容易或者難地來分析物理問題。同樣的，負(fù)能量在狄拉克的另一個(gè)參照系中，是非常容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槟芰康谋憩F(xiàn)形式和觀測物體的速度有關(guān)。這個(gè)結(jié)論在膜規(guī)范理論中同樣起到了十分重要的作用。根據(jù)參照系的不同，負(fù)能量是十分容易實(shí)現(xiàn)的。在物體以近光速接近蟲洞的時(shí)候，在蟲洞的周圍的能量自然就成為了負(fù)的。因而以接近光速的速度可以進(jìn)入蟲洞，而速度離光速太大，那么物體是無論如何也不可能進(jìn)入蟲洞的。這個(gè)也就是蟲洞的特殊性質(zhì)之一。
但是蟲洞并沒有這么太平。前面說的是在安靜的相對論中的蟲洞，在暴躁的量子理論中，蟲洞的性質(zhì)又有了十分重要的變化。
我們先來看在黑洞中的蟲洞，也就是史瓦西喉和奇點(diǎn)周圍形成的子宇宙。
黑洞周圍的量子真空漲落在黑洞巨大引力的作用下，會(huì)被黑洞的引力能“喂”大，成為十分的能量輻射。這種能量會(huì)毫不留情地將一切形式的蟲洞摧毀。
在沒有黑洞包圍的蟲洞中，由于同樣的沒有黑洞巨大引力的“喂養(yǎng)”，蟲洞本身也不可能開啟太久。蟲洞有很大幾率被隨機(jī)打開，但是有更大的幾率突然消失。蟲洞打開的時(shí)間十分短，僅僅是幾個(gè)普朗克時(shí)間。在如此短的“壽命”中，即使是光也不可能走完蟲洞的一半旅途，而在半路由于蟲洞的消失而在整個(gè)時(shí)空中消失，成為真正的四維時(shí)空組旅行者。
而且，在沒有物體通過蟲洞的時(shí)候，蟲洞還比較“長壽”，而一旦有物體進(jìn)入了蟲洞，如果這個(gè)物體是負(fù)能量的，那么還好，蟲洞會(huì)被撐開；但是如果物體是正能量的，那么蟲洞會(huì)在自己“自然死亡”以前就“滅亡”掉。而在宇宙中，幾乎無時(shí)無刻不存在能量輻射通過宇宙的每一個(gè)角落，而這些輻射都是正能量的，因此幾乎可以肯定，在自然情況下是不存在蟲洞的。
旋轉(zhuǎn)的或帶有電荷的黑洞內(nèi)部連接一個(gè)相應(yīng)的白洞，你可以跳進(jìn)黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。
白洞有可能離黑洞十分遠(yuǎn)；實(shí)際上它甚至有可能在一個(gè)“不同的宇宙”--那就是，一個(gè)時(shí)空區(qū)域，除了蟲洞本身，完全和我們在的區(qū)域沒有連接。一個(gè)位置方便的蟲洞會(huì)給我們一個(gè)方便和快捷的方法去旅行很長一段距離，甚至旅行到另一個(gè)宇宙?；蛟S蟲洞的出口停在過去，這樣你可以通過它而逆著時(shí)間旅行。總的來說，它們聽起來很酷。
但在你認(rèn)定那個(gè)理論正確而打算去尋找它們之前，你因該知道兩件事。首先，蟲洞幾乎可以肯定不存在。正如我們上面我們說到白洞時(shí)，只因?yàn)樗鼈兪欠匠探M有效的數(shù)學(xué)解并不表明它們在自然中存在。特別的，當(dāng)黑洞由普通物質(zhì)坍塌形成（包括我們認(rèn)為存在的所有黑洞）并不會(huì)形成蟲洞。如果你掉進(jìn)其中的一個(gè)，你并不會(huì)從什么地方跳出來。你會(huì)撞到奇點(diǎn)，那是你唯一可去的地方。
還有，即使形成了一個(gè)蟲洞，它也被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。即使是很小的擾動(dòng)（包括你嘗試穿過它的擾動(dòng)）都會(huì)導(dǎo)致它坍塌。
最后，即使蟲洞存在并且是穩(wěn)定的，穿過它們也是十分不愉快的。貫穿蟲洞的輻射（來自附近的恒星，宇宙的微波背景等等）將藍(lán)移到非常高的頻率。當(dāng)你試著穿越蟲洞時(shí)，你將被這些X射線和伽瑪射線烤焦。蟲洞的出現(xiàn)，幾乎何以說是和黑洞同時(shí)的。
物理學(xué)家一直認(rèn)為，蟲洞的引力過大，會(huì)毀滅所有進(jìn)入它的東西，因此不可能用在宇宙旅行之上 。洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連接，當(dāng)然，這種連接無論是如何的將強(qiáng)，它還是僅僅是一個(gè)連通的“宇宙監(jiān)獄”。
蟲洞不僅可以作為一個(gè)連接洞的工具，它還開宇宙的正常時(shí)空中出現(xiàn)，成為一個(gè)突然出現(xiàn)在宇宙中的超空間管道。
蟲洞沒有視界，踏有的僅僅是一個(gè)和外界的分解面。蟲洞通過這個(gè)分解面和超空間連接，但是在這里時(shí)空曲率不是無限大。就好比在一個(gè)在平面中一條曲線和另一條曲線相切，在蟲洞的問題中，它就好比是一個(gè)四維管道和一個(gè)三維的空間相切，在這里時(shí)空曲率不是無限大。因而我們現(xiàn)在可以安全地通過蟲洞，而不被巨大的引力所摧毀。
蟲洞的存在，依賴于一種奇異的性質(zhì)和物質(zhì)，而這種奇異的性質(zhì)，就是負(fù)能量。只有負(fù)能量才可以維持蟲洞的存在，保持蟲洞與外界時(shí)空的分解面持續(xù)打開。
根據(jù)參照系的不同，負(fù)能量是十分容易實(shí)現(xiàn)的。在物體以近光速接近蟲洞的時(shí)候，在蟲洞的周圍的能量自然就成為了負(fù)的。因而以接近光速的速度可以進(jìn)入蟲洞，而速度離光速太大，那么物體是無論如何也不可能進(jìn)入蟲洞的。這個(gè)也就是蟲洞的特殊性質(zhì)之一。我們先來看在黑洞中的蟲洞，也就是史瓦西喉和奇點(diǎn)周圍形成的子宇宙。
黑洞周圍的量子真空漲落在黑洞巨大引力的作用下，會(huì)被黑洞的引力能“喂”大，成為十分的能量輻射。這種能量會(huì)毫不留情地將一切形式的蟲洞摧毀。
在沒有黑洞包圍的蟲洞中，由于同樣的沒有黑洞巨大引力的“喂養(yǎng)”，蟲洞本身也不可能開啟太久。蟲洞有很大幾率被隨機(jī)打開，但是有更大的幾率突然消失。蟲洞打開的時(shí)間十分短，僅僅是幾個(gè)普朗克時(shí)間。在如此短的“壽命”中，即使是光也不可能走完蟲洞的一半旅途，而在半路由于蟲洞的消失而在整個(gè)時(shí)空中消失，成為真正的四維時(shí)空組旅行者。
而且，在沒有物體通過蟲洞的時(shí)候，蟲洞還比較“長壽”，而一旦有物體進(jìn)入了蟲洞，如果這個(gè)物體是負(fù)能量的，那么還好，蟲洞會(huì)被撐開；但是如果物體是正能量的，那么蟲洞會(huì)在自己“自然死亡”以前就“滅亡”掉。而在宇宙中，幾乎無時(shí)無刻不存在能量輻射通過宇宙的每一個(gè)角落，而這些輻射都是正能量的，因此幾乎可以肯定，在自然情況下是不存在蟲洞的。
蟲洞的自然產(chǎn)生機(jī)制有兩種：
其一，是黑洞的強(qiáng)大引力能；
其二，是克爾黑洞的快速旋轉(zhuǎn)，其倫斯——梯林效應(yīng)將黑洞周圍的能層中的時(shí)空撕開一些小口子。這些小口子在引力能和旋轉(zhuǎn)能的作用下被擊穿，成為一些十分小的蟲洞。這些蟲洞在黑洞引力能的作用下，可以確定它們的出口在那里，但是現(xiàn)在還不可能完全完成，因?yàn)榱孔永碚摵拖鄬φ撨€沒有完全結(jié)合。
