他在寫(xiě)一篇總結(jié)相對(duì)論的論文時(shí)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題，于是對(duì)偉大的物理學(xué)之父牛頓那著名的“萬(wàn)有引力”學(xué)說(shuō)提出了質(zhì)疑。他說(shuō)，我們能否修正一下這個(gè)理論，讓它不再與新生的相對(duì)論水火不容？為此他陷入了深思，并花了十年時(shí)間來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
在這十年里，他瘋狂研究，反復(fù)嘗試，不斷犯錯(cuò)，陷入了混沌。他發(fā)表過(guò)錯(cuò)誤的論文，有過(guò)各種靈光乍現(xiàn)的想法，也曾誤入歧途。終于，在1915年11月，他發(fā)表了一篇論文，給出了完整的解答——這是一個(gè)全新的引力理論，他稱之為“廣義相對(duì)論”，這是他的杰作。前蘇聯(lián)物理學(xué)家列夫·朗道稱之為“最美的理論”。
世界上有許多感人至深、無(wú)與倫比的偉大作品，比如莫扎特的《安魂曲》、荷馬的《奧德賽》、西斯廷禮拜堂的穹頂畫(huà)、莎士比亞的《李爾王》……想要領(lǐng)悟這些作品的妙處，都要經(jīng)歷一個(gè)從頭學(xué)起的過(guò)程，但最終獲得的回報(bào)將是百分之百美的享受。其實(shí)，除了美感之外，這些作品還能為我們提供一個(gè)觀察世界的全新視角。而廣義相對(duì)論，這顆愛(ài)因斯坦的明珠，正是這樣一件杰作。
我還記得自己對(duì)這個(gè)理論初有心得時(shí)的激動(dòng)心情。那是在江陰華士學(xué)校最后一年的夏天，因?yàn)闆](méi)有學(xué)校課業(yè)的打擾，學(xué)生在假期里往往能更專注地學(xué)習(xí)。我當(dāng)時(shí)正在研讀一本書(shū)，汪潔的《時(shí)間的形狀》，書(shū)頁(yè)的邊緣都被磨爛了。每當(dāng)我忍受不了那些無(wú)聊的理論時(shí)，就會(huì)躲在家中的小閣樓上。我的小閣樓不成樣子，有點(diǎn)嬉皮風(fēng)格。此刻，我時(shí)不時(shí)地從書(shū)頁(yè)中抬起頭來(lái)，看看窗外陽(yáng)光明媚的田野，仿佛看到了愛(ài)因斯坦想象中那個(gè)彎曲的時(shí)空。
這簡(jiǎn)直就像魔法一樣：宛如一位朋友在我耳邊低聲細(xì)語(yǔ)，告訴我一個(gè)不同凡響卻又不為人知的真相，瞬間揭開(kāi)了遮蔽真實(shí)的面紗，展現(xiàn)出一個(gè)更簡(jiǎn)潔、更深刻的秩序。自從得知地球是圓的，像瘋狂的陀螺一樣旋轉(zhuǎn)之后，我們就認(rèn)識(shí)到事實(shí)并非如表面所見(jiàn)。每當(dāng)我們瞥見(jiàn)事實(shí)新的一面時(shí)，都會(huì)激動(dòng)不已。這是人類的好奇心作祟，這意味著又有一層面紗要被揭開(kāi)了。
在人類歷史的長(zhǎng)河中，我們的知識(shí)領(lǐng)域里先后出現(xiàn)過(guò)很多次飛躍，但愛(ài)因斯坦完成的這次飛躍是無(wú)與倫比的。這是為什么呢？首先是因?yàn)橐坏┪覀冋莆樟似渚?，這個(gè)理論便簡(jiǎn)潔得驚人。下面我來(lái)簡(jiǎn)要地?cái)⑹鲆幌拢?/p>
牛頓試圖解釋物體下落和行星運(yùn)轉(zhuǎn)的原因。他假設(shè)在萬(wàn)物之間存在一種相互吸引的“力量”，他稱之為“引力”。那么這個(gè)力是如何牽引兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)，中間又空無(wú)一物的物體的呢？這位偉大的現(xiàn)代科學(xué)之父對(duì)此顯得謹(jǐn)慎小心，都沒(méi)敢大膽提出假設(shè)。
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)巨大的空容器，一個(gè)能裝下宇宙的大容器，也是一個(gè)碩大無(wú)比的框架，所有物體都在其中做直線運(yùn)動(dòng)，直到有一個(gè)力使它們的軌道發(fā)生彎曲。至于“空間”，或者說(shuō)牛頓想象的這個(gè)可以容納世界的容器是由什么做成的，牛頓也沒(méi)有給出答案。
就在愛(ài)因斯坦出生前的幾年，英國(guó)的兩位大物理學(xué)家為牛頓冰冷的世界添加了新鮮的內(nèi)容：電磁場(chǎng)。所謂“電磁場(chǎng)”，是一種無(wú)處不在的真實(shí)存在，它可以傳遞無(wú)線電波，可以布滿整個(gè)空間；它可以振動(dòng)，也可以波動(dòng)，就像起伏的湖面一樣；它還可以將電力“四處傳播”。愛(ài)因斯坦從小就對(duì)電磁場(chǎng)十分著迷，這種東西可以讓爸爸修建的發(fā)電廠里的發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。很快他想到，就像電力一樣，引力一定也是由一種場(chǎng)來(lái)傳播的，一定存在一種類似于“電磁場(chǎng)”的“引力場(chǎng)”。他想弄明白這個(gè)“引力場(chǎng)”是如何運(yùn)作的，以及怎樣用方程對(duì)其進(jìn)行描述。
就在這時(shí)，他靈光一閃，想到了一個(gè)非同凡響的點(diǎn)子，一個(gè)百分百天才的想法：引力場(chǎng)不是“彌漫”于空間，因?yàn)樗旧砭褪强臻g。這就是廣義相對(duì)論的思想。
其實(shí)，牛頓的那個(gè)承載物體運(yùn)動(dòng)的“空間”與愛(ài)因斯坦的“引力場(chǎng)”是同一個(gè)東西。這是一個(gè)驚世駭俗的理論，對(duì)宇宙做了驚人的簡(jiǎn)化：空間不再是一種有別于物質(zhì)的東西，而是構(gòu)成世界的“物質(zhì)”成分之一，一種可以波動(dòng)、彎曲、變形的實(shí)體。我們不再身處于一個(gè)看不見(jiàn)的堅(jiān)硬框架里，而更像是深陷在一個(gè)巨大的容易形變的柔軟物體中。
太陽(yáng)會(huì)使其周圍的空間發(fā)生彎曲，所以地球并不是在某種神秘力量的牽引下繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，而是在一個(gè)傾斜的空間中行進(jìn)，就好像彈珠在漏斗中滾動(dòng)一樣。漏斗中心并不會(huì)產(chǎn)生什么神秘的“力量”，是彎曲的漏斗壁使彈珠滾動(dòng)的。所以無(wú)論是行星繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，還是物體下落，都是因?yàn)榭臻g發(fā)生了彎曲。
那么我們?cè)撊绾蚊枋鲞@種空間的彎曲呢？19世紀(jì)一位偉大的數(shù)學(xué)家叫黎曼，已經(jīng)寫(xiě)出了描述二維曲面的公式。他還讓自己的得意門生將這一理論推廣到三維乃至更高維的曲面。他就此問(wèn)題寫(xiě)了一篇重量級(jí)的博士論文，但當(dāng)時(shí)看起來(lái)全然無(wú)用。
論文的結(jié)論是，任何一個(gè)彎曲空間的特征都可以用一個(gè)數(shù)學(xué)量來(lái)描述，如今我們稱之為“黎曼曲率”，用大寫(xiě)的“R”來(lái)表示。后來(lái)愛(ài)因斯坦也寫(xiě)了一個(gè)方程，將這個(gè)R與物質(zhì)的能量等價(jià)起來(lái)，也就是說(shuō)：空間在有物質(zhì)的地方會(huì)發(fā)生彎曲。就這么簡(jiǎn)單。這個(gè)方程只有半行的長(zhǎng)度，僅此而已。
空間彎曲這個(gè)觀點(diǎn)，現(xiàn)在變成了一個(gè)方程。然而，這個(gè)方程中卻蘊(yùn)含著一個(gè)光彩奪目的宇宙。從此，廣義相對(duì)論這一神奇的寶藏向人們展示了一連串夢(mèng)幻般的預(yù)言。它們看上去像瘋子的胡言亂語(yǔ)，但最終都得到了證實(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。由于這個(gè)彎曲，不僅行星要在軌道上繞著恒星旋轉(zhuǎn)，就連光也都發(fā)生了偏折，不再走直線。愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)，太陽(yáng)會(huì)使光線偏折。在1919年，這個(gè)偏折被測(cè)量出來(lái)，從而證實(shí)了他的這一預(yù)測(cè)。其實(shí)不僅是空間，時(shí)間也同樣會(huì)發(fā)生彎曲。愛(ài)因斯坦曾預(yù)言，在地球的高空中，在離太陽(yáng)更近的地方，時(shí)間會(huì)過(guò)得比較快，而在低的地方，離地球近的地方時(shí)間則過(guò)得比較慢。這一預(yù)測(cè)后來(lái)也經(jīng)測(cè)量得到了證實(shí)。如果一對(duì)雙胞胎，一個(gè)住在海邊，一個(gè)住在山上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，住在海邊的那個(gè)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，住在山上的兄弟要比自己老得快一些。
然而好戲才剛剛開(kāi)始。當(dāng)一個(gè)大恒星燃燒完自己所有的燃料的時(shí)候，也就是燃燒完氫的時(shí)候，它就會(huì)熄滅。殘留的部分因?yàn)闆](méi)有燃燒產(chǎn)生熱量的支撐，會(huì)因?yàn)樽陨淼闹亓慷?，?dǎo)致空間強(qiáng)烈彎曲，最終塌陷成一個(gè)真正的洞。這就是著名的“黑洞”。在我上學(xué)那會(huì)兒，世人還不大相信這個(gè)神秘理論的預(yù)言。如今，天文學(xué)家已觀測(cè)到宇宙中大量的黑洞，并對(duì)它們進(jìn)行了詳盡的研究。
但還有更精彩的。整個(gè)宇宙空間都是可以膨脹和收縮的。愛(ài)因斯坦的方程還指出，空間不可能一直保持靜止，它一定是在不斷膨脹的。1930年，人們確確實(shí)實(shí)觀測(cè)到了宇宙的膨脹。這個(gè)方程還預(yù)測(cè)，這個(gè)膨脹是由一個(gè)極小、極熱的年輕宇宙的爆炸引發(fā)的：這就是我們所說(shuō)的“宇宙大爆炸”。人類再一次經(jīng)歷了這樣的事：起初沒(méi)有幾個(gè)人相信這個(gè)理論，但大量證據(jù)紛紛出現(xiàn)在我們眼前，直至在太空中觀測(cè)到了“宇宙背景輻射”，也就是原始爆炸的余熱里彌漫的光。事實(shí)證明，愛(ài)因斯坦方程的預(yù)言是正確的。
此外，這個(gè)理論還說(shuō)，空間會(huì)像海平面一樣起伏，目前人們已經(jīng)在宇宙中的雙星上觀測(cè)到了“引力波”的這種效應(yīng)，2016年至2017年，人類就多次觀測(cè)到了這種效應(yīng)。與愛(ài)因斯坦理論的預(yù)言驚人一致，精確到了千億分之一。還有許多其他的例子，這里就不再細(xì)說(shuō)了。
總之，愛(ài)因斯坦的“廣義相對(duì)論”理論為我們描繪了一個(gè)絢麗多彩而又令人驚奇的世界，在這個(gè)世界里有發(fā)生爆炸的宇宙，有坍塌成無(wú)底深洞的空間，有在某個(gè)行星附近放慢速度的時(shí)間，還有像大海揚(yáng)波一般無(wú)邊無(wú)際延展的星際空間……當(dāng)把這一切一一呈現(xiàn)在我面前，這并非癡人在犯傻時(shí)隨口編的故事，也不是那地中海的驕陽(yáng)曬得人暈頭轉(zhuǎn)向，更不是那粼粼的海水讓產(chǎn)生幻覺(jué)。這些都是事實(shí)，或者更確切地說(shuō)，是對(duì)事實(shí)的驚鴻一瞥，比我們平日里模糊庸常的見(jiàn)解要高明一點(diǎn)。這樣的事實(shí)看似和我們的夢(mèng)境一樣，由同樣的材質(zhì)構(gòu)成，但無(wú)論如何比我們平日那些云霧般的夢(mèng)境更為真實(shí)。
所有這一切都源自一個(gè)樸素的直覺(jué)，那就是，空間和引力場(chǎng)本是一回事。這一切也可以歸結(jié)為一個(gè)簡(jiǎn)潔的方程。當(dāng)然，要先學(xué)習(xí)和消化黎曼的數(shù)學(xué)才能解讀和使用這個(gè)方程，要花些工夫、付出些辛苦才做得到。但這總比感悟貝多芬晚期弦樂(lè)四重奏的神秘之美要容易得多。無(wú)論是欣賞藝術(shù)，還是領(lǐng)悟科學(xué)，我們最終得到的將是美的享受和看待世界的全新視角。
好了，關(guān)于相對(duì)論我們就先聊到這里，讓我們一起自我迭代，好好學(xué)習(xí)，格致教育工作坊每天都在這里等你。
講座時(shí)間：2017年12月23日
文字整理：曾寶俊李小蘭
錄音整理：孫靜妮
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