人类的眼睛：广义相对论诞生之后
2015/11/13 三联生活周刊
2013年1月29日，德国柏林勃兰登堡门下举办“毁坏的多样性——柏林1933至1945”露天图片展，纪念被纳粹政权迫害的各界人士，左一为爱因斯坦的照片
广义相对论的成功，极大改变了物理学家的形象，也改变了物理学本身。
物理学始终是一门基于实证的科学，即使是建立了经典力学的牛顿，在进行数学推演的同时也时刻关注着天文学的观测结果并与自己的演算结果进行比较。为了解释光的构成，牛顿利用一个三棱镜就让一束白光分解为各种彩色，这体现出他作为实验物理学家讲求亲自进行实验验证的一面。但是在人类的所有科学理论中，此前没有其它任何一个理论能够像广义相对论一样，如同艺术品一般，纯粹的体现出人类抽象思维能力的美感。广义相对论远远地走在了实验观测的前面，正是因为如此，爱因斯坦使理论物理学家由他开始成为了一种特殊的行业，理论物理学家的工作是进行抽象思维，他们的工具是数学，这也使理论物理学成为唯一一门理论可以领先于实践的学科，物理学的面目被永远的改变了。
物理学的改变使一门全新学科的诞生成为了可能，那就是宇宙学。不仅是因为广义相对论对于宇宙的描述使研究宇宙本身成为一门独立的学科，在另一方面，宇宙学是一门理论远多于实践的学科。对于至今尚未冲出太阳系，对自己行星的卫星和其它行星都知之甚少的人类来说，对动辄几千光年之外的遥远天体进行直接观测的手段并不多，建立各种模型和理论是宇宙学家们的主要工作，而后再去与观测结果进行对比，从花样百出的假设中选择出可能正确的几个继续加以检验。
爱因斯坦在柏林住过的别墅外景(上图)与内景(下图)
广义相对论是人类进行宇宙学探索的基础理论，它使人类了解宇宙成为了可能，可以说广义相对论是人类度过蒙昧的婴儿时期之后，看向宇宙的一双眼睛。此时人类惊奇的发现，之前那个由上帝创造的，冷冰冰一成不变的宇宙不见了，代之以一个有开端，有未来，充满了各种奇特天体和各种可能的神奇的宇宙。由广义相对论所推导出的各种奇特的结论，有的已经被证实，有的至今还没有发现切实的证据。宇宙观测是检验广义相对论的最佳手段，而广义相对论是进行宇宙学观测的最重要的依仗。
引力可以使光线弯曲，这个观测结果让人们明白，在宇宙中物质可以起到透镜的作用，人们看到的天体与它们实际的位置有所偏差，也可能使天体看上去更加明亮。只有可虑到这种现象，并且加以修正，人们才可能探测宇宙中的物质分布。实际上，早在1912年，爱因斯坦就预测到了引力透镜(gravitational lensing)现象，但他当时认为人类也许永远都不会观测到这种现象。实际上，人类直到1979年才第一次观测到了这种现象。目前人类发现的宇宙中最大的引力透镜之一，距离地球大约有40亿光年的距离。这个被宇宙学家称为“Abell2744”的主要由恒星，星际尘埃和暗物质构成的引力透镜由四个星系相互碰撞而成，总质量相当于两千亿个太阳。宇宙学家们在地球上通过这个透镜回望过去，可以看到130亿年前宇宙诞生之初，那些最终形成了星系的种子。在这个引力，质量，时间和空间交互作用形成的宇宙中，引力透镜成为了人类回望宇宙发展历史的放大镜。
1931年5月23日，牛津大学授予在牛津讲学的爱因斯坦(左二)名誉博士学位
爱因斯坦最初对于广义相对论所能够推导出的一些结论并不十分信服，其中最著名的一个例子就是黑洞。爱因斯坦发表了广义相对论之后一个月，德国物理学家卡尔.史瓦西(Karl Schwarzschild)就开始计算广义相对论方程的精确解，他得出结论，对于任何质量来说，都存在着一个“临界半径”，他相信这是在一定空间内可以容纳多少质量的极限。在1939年，爱因斯坦得出结论，质量无法被压缩在它的“史瓦西半径”以内。也就在同一年，美国物理学家罗伯特.奥本海默(Robert Oppenheimer)和他的学生哈特兰.斯奈德(Hartland Snyder )得出了不同的结论，他们在《物理评论》杂志发表文章，根据广义相对论的计算结果显示，极大的质量可能因为自身的引力发生塌缩，进入到史瓦西半径之内，但是它们会从人们的视线中消失，只剩下引力场的作用。
1939年，爱因斯坦(右)和丘吉尔在丘吉尔家族位于肯特郡的查特韦庄园见面
奥本海默与斯奈德的结论一开始并没有得到太多重视，但是在二十世纪60年代，一些天文学观测的结果显示，在宇宙中确实存在这种引力塌缩所产生的神奇天体。这种会吞噬一切的略显恐怖的神奇天体得到了观测证实，这也成为广义相对论的又一次胜利。现在宇宙学家们相信，在银河系内大约存在着一亿个由燃烧殆尽的死亡恒星发生引力塌缩而形成的黑洞。而在银河系的中心，有一个名为Sagittarius A*的超巨型黑洞，它的质量相当于400万个太阳的质量。正是这类超巨型黑洞和弥漫在星系中的暗物质维系住整个星系。广义相对论开始显示出爱因斯坦没有预料到的巨大潜力，当人类睁开眼睛，就看到了一个生动的宇宙。
⊙ 文章选自《三联生活周刊》总第862期，版权归本刊所有，请勿转载，侵权必究。
| 回复以下 关键词 查看过往精彩内容 |
释永信 | 侯孝贤 | 美食阅读 | 孤独之书 | 天津爆炸 | 下午茶 | 宁泽涛 | 黄渤 | 邪教杀人案 | 一人食
三联生活周刊
一本杂志和他倡导的生活
长按二维码 即刻关注
http://www.duyihua.cn
返回 三联生活周刊 返回首页 返回百拇医药