广义相对论：百年历史，依然充满惊喜

1913 年，阿尔伯特·爱因斯坦在构建广义相对论的努力中停滞不前。他恳求朋友马塞尔·格罗斯曼帮助他提高数学水平：“格罗斯曼，你一定要帮助我，否则我会发疯的！”四年后，当爱因斯坦完成一篇关于他（终于）完成的理论的宇宙意义的论文时，疾病已经转移到身体的其他部位。他患上了胃溃疡；他患有肝病。由于脑力劳动而精疲力竭，爱因斯坦以为自己快要死了。他写信给物理学家阿诺德·索末菲：“上个月是我一生中最激动人心、最疲惫的时期之一，实际上也是最成功的时期之一。”

当时，他的大多数同事都没有这种感觉，现在依然如此。他们研究爱因斯坦最伟大的洞见，却没有完全理解他是如何得出这个洞见的，或者这个洞见对他意味着什么；用哥伦比亚大学理论物理学家布莱恩·格林的话来说，他们通常没有“骨子里感受到相对论”。缺乏理解源于对广义相对论的根深蒂固的误解，即使是那些毕生致力于利用广义相对论的人也是如此。广义相对论被广泛地描述为引力理论，但它不仅仅是一种理论。它被写成一系列描述物体如何运动的方程，但它不仅仅是方程。

最好把广义相对论想象成一幅风景画，既是字面意义上的风景画，也是比喻意义上的风景画。它是描述空间和时间的所有可能配置以及它们在物质存在下的所有变化方式的概念的广阔天地。它是一个现实的每个部分都相互联系的系统。爱因斯坦第一次涉足这片风景画时，既兴奋又筋疲力尽。每当其他研究人员设法追随他的脚步时，他们就会发现全新的领域。这就是为什么在广义相对论首次发表一个世纪后，它仍然取得了迄今为止最惊人的发现。

二.

要想理解“景观相对论”的概念，最好的方式就是观察宇宙这个最大的景观。爱因斯坦意识到，空间并不是一个固定的背景（一种可以用来测量运动的隐形尺子），而是一个灵活、动态的东西，它会随着质量的变化而弯曲和变形。这种弯曲就是我们所感受到的引力：它让你的脚踩在地上，让地球保持在轨道上。李·斯莫林是安大略省滑铁卢圆周理论物理研究所的理论学家，也是爱因斯坦最直言不讳的信徒之一，他称赞广义相对论能够对所有由所有质量决定的空间提供单一、统一的描述。“这是第一个可以应用于整个封闭系统的宇宙的理论，”他说。

“这是第一个可以应用于整个封闭系统的宇宙的理论。”

你肯定听过科学家说宇宙正在膨胀，但这到底意味着什么？1929 年，埃德温·哈勃观察到星系似乎正在向四面八方远离我们。人们很容易想象这些星系在太空中飞行，被巨大的初始爆炸驱散。事实上，在 20 世纪 30 年代，英国天文学家 EA 米尔恩试图用这些术语来描述哈勃的发现。他的分析惨遭失败。爱因斯坦表明，理解天文观测的唯一方法是将空间视为动态的东西。星系不是在太空中飞行；空间本身在它们之间膨胀。

这是一个非常奇怪的概念，但一旦你接受了它，其他各种想法都会水到渠成。首先，大爆炸不是太空爆炸，而是空间爆炸。大爆炸发生时，整个空间都挤成一个点，此后 137 亿年，整个空间都从那里向外扩展。由于空间向四面八方扩展，所以任何一点都可以被视为宇宙的中心。你，就在此时此刻，正处于宇宙的中心。（这算不算自我膨胀？）相对论让宇宙学家能够模拟元素的起源、星系的形成以及从大爆炸到现代地球的直接进化路径。

他们仍在探索相对论领域的新领域。由于空间是动态的，它可以以各种复杂的方式变形。引力会压缩空间；这种压缩就是你所感受到的重量。爱因斯坦方程还允许反引力的存在，反引力是一种将空间推开的能量。几十年来，这种可能性仅仅被视为一种理论上的奇观。后来在 1998 年，两组天文学家观察到宇宙膨胀正在加速。这只有在相对论的背景下才有意义。驱动加速的反引力元素现在被称为“暗能量”，它被广泛接受，2011 年的诺贝尔物理学奖就因它的发现而颁发。

然而，暗能量的真正本质仍是一个谜。为了弄清这个问题，一个国际天文学家小组启动了暗能量调查，目前正在智利的塞罗托洛洛美洲天文台进行。在五年的时间里，他们将拍摄 3 亿个星系并记录它们的分布。引力往往会使星系随着时间的推移而聚集在一起，而暗能量则往往会使它们分散。调查捕捉到的模式将开始揭示暗能量是否在所有位置都发挥相同的作用，以及其强度是否在宇宙历史的进程中发生了变化。暗能量的重量是所有可见星系的 15 倍左右，因此它的影响可能决定宇宙的命运。

此时此刻，你正处于宇宙的中心。这怎么能提升你的自尊心呢？

就像空间可以膨胀一样，当受到移动物体的引力干扰时，空间也会产生涟漪，比如池塘被打水漂的石头搅动后的水面。这是科学家们现在才开始探索的相对论的另一个荒野。当引力波以光速掠过地球时，它们会微妙地挤压和拉伸所遇到的一切——包括你。这种影响非常微妙。为了辨别这些波，研究人员正在升级一对 2.5 英里长的探测器——一个位于华盛顿州，一个位于路易斯安那州——称为激光干涉引力波天文台 (LIGO)，以及位于意大利的补充实验 Virgo。到 2020 年底，他们希望观测到来自壮观但看不见的宇宙事件（例如黑洞碰撞）发出的引力信号。

啊，没错，黑洞——也许是爱因斯坦方程中出现的所有奇异现象中最著名的。黑洞是空间向内弯曲的地方；相对论的地形图比任何地方都更曲折和有趣。在事件视界——黑洞的边界——时间停止，量子力学描述的原子尺度现象被延伸到城市大小……或者看起来如此。广义相对论还指出，宇宙的所有部分都应该是连续的，这意味着黑洞的内部和外部之间不应该有物理中断。这种明显的矛盾正在引发一系列新理论，这些理论超出了科学家目前对物理定律的理解。

即使是黑洞这种扭曲的现象，那些似乎存在于相对论领域中遥不可及的概念也可能被硬观测所接受。一个遍布全球的仪器，称为事件视界望远镜，由分布在世界各地的九个射电天文台组成，目前正在收集信息，以创建我们银河系中心超大质量黑洞的首批直接图像。黑洞本身看起来并不像任何东西（它是黑色的），但对其大小和周围结构的测量可以揭示质量如何扭曲空间结构。任何偏离爱因斯坦预期的行为都将为全新的物理概念指明方向。事件视界望远镜的第一批有意义的图像可能很快就会出现，也许在十年内。

三

所有这些关于膨胀宇宙、引力波和黑洞的想法都花了极其漫长的时间才发展起来，因为它们深藏在相对论的范畴中。爱因斯坦本人接受前两个想法的速度很慢，也从未与黑洞妥协，他认为黑洞存在的论据“没有说服力”，并假设自然过程阻止了黑洞的形成。许多作家，包括著名物理学家乔治·伽莫夫，都将爱因斯坦对这些想法的抵制描述为“错误”——他的伟大思想偏离了轨道。事实上，爱因斯坦开辟了一片如此广阔的天地，即使是他自己也需要一生的时间去探索它。

即使现代物理学家在爱因斯坦的探索范围之外继续探索，他们普遍认为广义相对论并非最终结论。在对引力和黑洞等极端物体的描述上，相对论与量子力学（描述原子尺度世界的一套规则）相冲突。当今的大多数理论家被迫做出选择，他们选择量子力学作为对现实的更基本描述，将相对论视为由小尺度量子效应构建而成的大尺度现象。物理学家自下而上地进行研究已经取得了很好的成果（可以把光解释为光子的集合，或者把物质解释为原子团），但一个世纪的经验表明，低估爱因斯坦自上而下视角的力量是不明智的。正如李·斯莫林所说，量子力学是一种“子系统”理论，也就是说，它只有在其周围环境中才有意义，这与相对论固有的宇宙范围形成鲜明对比。

爱因斯坦的整体方法使得广义相对论在解释和探索方面具有独一无二的潜力。未来肯定会有物理学家比他更深入地探索现实。他们很可能会采用量子理论的许多工具和技术。但同样可以肯定的是，如果这些天才想要获得真正的启迪，他们就必须像爱因斯坦一样——从方程式中抽身出来，看一看更广阔的风景。他们必须对相对论有深刻的感受。

本文最初发表于 2015 年 11 月的《大众科学》杂志，标题为“阿尔伯特·爱因斯坦，景观设计师”。