愛因斯坦與廣義相對論

        上個世紀是個人才輩出的世紀——有帶領(lǐng)四萬萬中國人民推翻三座大山的毛澤東，有獲得諾貝爾文學獎的杰出政治家溫斯頓·丘吉爾，有終身爭取各種族平等的納爾遜·曼德拉，有誓“為人類提供永不枯竭的能源”的尼古拉·特斯拉（不是趙四，不是趙四，不是趙四；重要的事情說三遍），有傳揚愛、帶來溫暖的加爾各答·圣·德蕾莎修女，有退學創(chuàng)業(yè)成為世界首富的比爾·蓋茨，有“科學不問國界”的瑪麗亞·斯克沃多夫斯卡-居里……

        而在這些“政霸”“學霸”“商霸”中脫穎而出，毫無異議地被《時代》雜志選為“世紀之魁”（Person of the Century）的是阿爾伯特·愛因斯坦：一位曾經(jīng)找不到教職、靠同學父親協(xié)助才有工作的瑞士專利局助理鑒定員，一位邊工作邊“偷偷”寫論文卻憑此在1905年徹底改變物理學界的“業(yè)余科學家”，一位獨立工作長達近十年終于在1915年“掰彎”時空（創(chuàng)建“廣義相對論”）的“時光旅行者”…

        愛因斯坦的科學成就領(lǐng)先了整個科學界一個車站的距離，以致于諾貝爾獎委員會都不知如何頒獎給他。1921年，諾獎委員會弱弱地說——給您的小工作“光電效應(yīng)”頒個諾獎吧！親愛的讀者朋友們，你們可要知道，愛因斯坦的科學生涯中，比“光電效應(yīng)”好的工作有一大摞呢，但總不能頒十幾個物理學諾貝爾獎給他吧？他就是這樣一位使諾獎黯淡無光、黯然失色的男子。

        這邊，我們說說他的廣義相對論，一套關(guān)于時空的理論；就從他76歲生日收到的一個玩具說起吧！

        “生日快樂，愛因斯坦先生！這是給您的禮物。”

        “厚厚厚，我好中意噢！”76歲的愛因斯坦笑著說。

        玩具有根皮筋，兩端各綁一個球，中間固定在杯子底部。當處于靜止時，皮筋繃緊，球懸在杯沿外邊；如左圖所示。但當你把杯子從高處靜止松開下落，很快地，球就被皮筋拉到了杯子里；如右圖所示。就是這么一個簡單的玩具！

        愛因斯坦懶懶地說，“看吧，時空是彎曲的。我沒說錯吧？”

        這就是“世紀之魁”愛因斯坦！而這套玩具展示的等效原理就是他的廣義相對論的根基。在杯子和球自由落體的時候，它們處于“無引力”狀態(tài)，皮筋的彈力成了唯一的力，所以把球拉回了杯子。而這自由落體時的“無引力”便是廣義相對論建立的基礎(chǔ)。讀者朋友們，你們明白從愛因斯坦的玩具到時空彎曲的推理了嗎？別擔心，在廣義相對論剛提出的時候，有人說全世界能理解它的不足三人；不能理解的話估計就是屬于“70億減去3人”這個群體吧。

        相信我，愛因斯坦的廣義相對論是套自洽的、優(yōu)美的數(shù)學理論。他的理論中，有中子星、有光線偏折、有黑洞、有宇宙演化……而這些在極高精度下的定量描述，與實驗物理學界測到的數(shù)據(jù)高度一致！

        愛因斯坦的弱場

    在現(xiàn)實中，愛因斯坦為了得到一套自洽地、能完整描述引力現(xiàn)象的理論，花了將近十年時間。推導出了他的方程后不久，愛因斯坦就發(fā)現(xiàn)，他的新引力理論能夠解釋一個世紀難題：水星近日點的進動。

    學過牛頓引力的人都知道，行星繞太陽的運動應(yīng)該是個橢圓——嗯，約翰內(nèi)斯·開普勒就是這么說的。但是，離太陽最近的那顆行星——水星——卻有些搗蛋。它在橢圓軌道的基礎(chǔ)上，有微小的進動行為；如此一來，它的軌道便不再是封閉的橢圓了。有人曾猜想，是不是還有顆行星尚未被人發(fā)現(xiàn)、是其干擾導致了水星的進動呢？帥氣到爆的行星名字都取好了（叫“火神星”）；但尷尬的是，艱苦長久的搜尋卻沒有找到這樣一顆行星。 

        中子星是恒星演化后期，塌縮下來后形成的“太空舍利子”（詳情請看來小禹和徐仁新的文章）。有一些引力理論，它們在弱場的情況下，與廣義相對論十分接近，也就是無法通過太陽系內(nèi)的弱場實驗來區(qū)別二者。但由于中子星表面的引力場很強，這些理論預言出與廣義相對論十分不同的結(jié)果。比如說，在時空曲率（引力子）的基礎(chǔ)上，如果還存在別的成份來傳播引力，那么就可能有很不相同的中子星。

        中子星的精確觀測，一般通過大型射電望遠鏡來進行。比如近些年，我國在貴州就專門建了個大型鍋——哦，不對，是射電望遠鏡——名字叫“快”（其實人家是叫FAST啦）來懟愛因斯坦。但“天眼快鍋”的運行才剛剛開始沒多久，需要更多時間的調(diào)試與數(shù)據(jù)積累；相信必有突破——我們拭目以待。

        就現(xiàn)在而言，根據(jù)近五十年的觀測，各類中子星系統(tǒng)中均未發(fā)現(xiàn)存在與廣義相對論有出入的地方。特別是對于雙中子星軌道衰減的測量，在極高的精度上與愛因斯坦的預言相一致?！獝垡蛩固褂质菍Φ?。

         愛因斯坦的強場（2）：“死星”黑洞

         那么，黑洞呢？黑洞不是更強引力場嗎？

        親愛的讀者朋友們，我們前面說過，愛因斯坦“掰彎時空”得到廣義相對論是在1915年。而在同一年，一個叫卡爾·希瓦茲的德國士兵在第一次世界大戰(zhàn)前線把時空“掰彎”到了極致，從而得到了一個黑洞解！他也是一個挺拼的科研工作者，現(xiàn)在一邊打仗、一邊推公式的人可不多了?？上ВＭ咂潖奶K聯(lián)前線打仗回來后，染上了自身免疫性天皰瘡疾病，第二年便過世了。

        所謂黑洞解，它最大的特點就是黑。它有一個邊界，叫做“視界”。任何東西，只要過了這個邊界，引力是如此之強，便無法從黑洞逃出；就算快如閃電也不行。本文我們不討論量子效應(yīng)，因為這是一塊尚未發(fā)展完全的理論；用術(shù)語來說，我們只討論”“經(jīng)典”的黑洞。希瓦茲得到的黑洞解是最簡單的不旋轉(zhuǎn)的情況，更普遍的情況是旋轉(zhuǎn)的黑洞。但解愛因斯坦的場方程是如此之難（“厚厚厚，怪我嘍……”，愛因斯坦笑著），直到1963年，新西蘭的數(shù)學家羅伊·克爾才解得了旋轉(zhuǎn)黑洞解。他發(fā)了一篇有影響力的短文章，不帶推導地說“喏，你們要的旋轉(zhuǎn)黑洞解”。此后，該解開始為科學家大量使用。

        現(xiàn)在對于引力和恒星演化的理解中，天文學意義上的黑洞是大質(zhì)量恒星演化到最后、生無可戀、死氣吧啦地塌縮所形成的時空區(qū)域。恒星原有的物質(zhì)塌縮后“躲”在了“視界”的后面，永無出頭之日了。對于外界來說，就像是時空被挖掉了一塊區(qū)域，且在這塊區(qū)域外面的真空具有極強的引力場。外界的觀測想要來探索它，只能止步于此視界的邊界面。

        在過去的幾十年內(nèi)，探索黑洞時空主要是依賴于空間X射線衛(wèi)星的觀測。由于存在吸積過程的物質(zhì)效應(yīng)、以及現(xiàn)有X射線衛(wèi)星分辨率的限制，這方面的數(shù)據(jù)做引力理論的檢驗還很初步；但不管怎么說，現(xiàn)有的所有觀測都與廣義相對論預言的黑洞性質(zhì)初步相符合?！獝垡蛩固褂质菍Φ?。

       在后續(xù)的觀測中，LIGO、Virgo引力波觀測臺又陸續(xù)測到了幾個雙黑洞信號，在已有的信噪比水平上，皆能用愛因斯坦的廣義相對論來描述、沒有測到對其的偏離。值得提一下的是，高新LIGO的第二次運行中，LIGO/Virgo組織采用了本文作者和合作者們在2016年傾盡所能、披星戴月為其研發(fā)的波形，且已用此波形探測到了數(shù)例雙黑洞引力波事件——這是中國學者對探測來自雙黑洞的引力波的實實在在的一項貢獻；在LIGO內(nèi)部，該波形被親切地稱為SEOBNRv4；呃，不親切、不好記嗎？唉，名字不重要啦！

        早安，愛因斯坦先生！

愛因斯坦先生是徹底對了嗎？不盡然。由于廣義相對論與量子場論尚存在無法融合的矛盾、且廣義相對論中預言了因果性破壞的“奇點”、再加上近幾十年來暗物質(zhì)、暗能量的觀測，我們有理由相信，在某些未知的能標下、在某些未知的過程中，廣義相對論需要得到修改，我們需要超越愛因斯坦的引力理論——可惜，廣義相對論究竟在哪個尺度上是錯的這件事情還是個“徹底的未知”。我們需要持續(xù)考驗廣義相對論的應(yīng)用范圍，尋找新理論的線索，以期求基礎(chǔ)物理學的大突破。

       LIGO所觀測到的雙黑洞引力波事例中，所體現(xiàn)的是高度動態(tài)的“真空”時空，并不存在任何“物質(zhì)”效應(yīng)。在廣義相對論中，物質(zhì)與時空如何耦（勾）合（搭）是明確指明了的；我們需要探測到高度動態(tài)的、帶有物質(zhì)的引力波信號去檢驗廣義相對論中物質(zhì)與時空的耦合；比如，雙中子星系統(tǒng)、或者中子星-黑洞系統(tǒng)是絕佳的——因為中子星不像“真空”黑洞，是帶有物質(zhì)的。

        “早安，愛因斯坦先生；對您的廣義相對論在極端情況下的檢驗才剛剛開始呢。我們現(xiàn)在有FAST，有高新LIGO……我們很快將有更好的數(shù)據(jù)、更新的觀測來致（懟）敬（懟）您！”

        “厚厚厚，好啊?！睈垡蛩固够仨恍Α?/span>