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以上洞见正是爱因斯坦过人智慧的体现。他的智慧并不在于最终成型的相对论所包含的复杂数学结构,这些都是大部分物理系或数学系学生能够轻易掌握的细节;他的智慧在于独辟蹊径,针对一个极为简单的日常体验,成功地将人们的传统观念彻底改变。
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弯曲的时空
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在爱因斯坦之前,人们简单地认为,引力时刻在把我们往下拽。爱因斯坦认为这是不对的。我们时刻感受到的其实是地板在把我们向上推。爱因斯坦从这个最为简单又最为现实的想法出发,在他的数学家朋友马塞尔·格罗斯曼(Marcel Grossmann)的帮助下,将这一想法转换为描述几何化世界的假说。这一假说基于一个简单操作,操作的对象正是最为简单的几何概念——直线。
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在高中几何课里,直线被定义为两点之间的最短路径。这一定义适用于平面,但并不适用于曲面。想象一个球面,比如地球的表面。或许你会认为球面是弯曲的,因此球面上不可能有任何直线存在。但是,我们依然可以找到曲面上两点间的最短路径,这样的曲线可被视作曲面上的直线,我们称之为“测地线”(geodesics)。在平直空间中,测地线就是直线;在球面上,测地线是大圆弧。穿行于城市间的飞机沿大圆弧飞行,所飞的飞行距离最短。[11]
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如果物体在引力场中的自然运动是下落,那么下落对应的轨迹将会是直线的延拓。毕竟在牛顿力学中,物体不受外力时的自然运动轨迹就是直线。可现在我们面临一个选择,自由粒子在空间中沿直线运动,自由粒子在闵可夫斯基时空中也沿直线运动。那么,我们究竟要用空间的弯曲来描述引力,还是该用时空的弯曲来描述引力呢?
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从块状宇宙观出发,答案再清楚不过:一定是时空的弯曲。这个判断基于时空的相对性,不同观测者对两个事件是否同时持有不同的意见。如果我们选择空间的弯曲,那么对于这一弯曲的描述注定无法简洁、客观、独立于观测者。
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爱因斯坦选择了通过时空的弯曲来实现等价原理。他的想法如下:
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引力效应通过时空的曲率传递给物体。当物体在引力场中下落时,它总是会走测地线。自由下落的物体会坠至地面,这不是因为它们直接受到了某个力,而是因为时空被地球所弯曲,弯曲后的测地线径直通过地心。行星围绕太阳运动,并不是太阳直接向行星施加了什么力,而是因为太阳的巨大质量弯曲了四周的时空几何,弯曲后的测地线是环绕太阳的。
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这便是爱因斯坦将引力诠释为时空几何的方法。通过影响物体运动的测地线,几何影响了物质。不过,爱因斯坦广义相对论的出神入化还在于另一点,这种影响是双向的。爱因斯坦设想质量可以弯曲几何时空,测地线会向着物体加速。为了实现这些想法,爱因斯坦列出了一系列方程。依据这些方程,时空的弯曲恰恰模仿了引力的影响。
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这些方程给出了许多预言,这些预言被一系列高精度的观测一一确认。这些方程预测,宇宙作为一个整体在不断膨胀。它们同时也预测,行星绕日运动的轨道或月亮绕地运动的轨道,与牛顿力学的预言略有不同,这些不同已经被我们观测到。这些方程还预测,存在这样一些致密的天体,它们周围的空间非常扭曲,以至于光都无法逃逸——这些天体就是黑洞。黑洞质量可以高至百万个恒星质量,绝大多数星系的中心都栖息着这样一种庞然大物。
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或许广义相对论最为著名的预言是,几何时空可以因穿行其中的引力波而发生抖动,这很像池塘的水面。当有波穿过时,几何空间开始上下振动。巨大星体运动的快速变化将会引发引力波,比如两个相互绕行的中子星。引力波承载着这些激烈的事件,将它们的图像散布于宇宙。探测这些图像是当今科学探索的前沿,人们相信它将打开天文学观测的新视野。通过引力波,我们可以观测超新星的坍缩、大爆炸的初始时刻,甚至可能看到大爆炸之前的宇宙。
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我们已经通过间接测量发现了引力波。当两颗中子星急速互相绕行时,它们产生的引力波将带走系统的一部分能量,这会造成它们更近距离的绕行。我们已经观测到这种螺旋式绕行运动。观测结果与广义相对论的预测在非常高的精度上相符。
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时空大变革
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借由广义相对论,爱因斯坦发动了一场对时间和空间概念的大变革。
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在牛顿力学中,空间的几何是固定而不变的。理论假设空间的几何是三维欧氏的。这里我们可以看到,牛顿力学中的空间和物质是多么不对等:空间可以“命令”物体如何运动,但空间本身永远不变,二者从不互动。物体如何运动、运动与否对空间毫无影响。甚至可以说,即使世界空无一物,空间依然还是那样。
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在广义相对论中,这种不对等得到了修正:空间变得动态了。物质影响着几何的改变,几何影响着物质的运动。几何变成了诸如电磁场之类的物理概念。这样看来,描述时空动力学的爱因斯坦方程和其他物理方程别无二致:它们都被用以描述物理学现象的性质,以及它们之间的相互关系。
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如果广义相对论中时空的几何被永久性地固定,我们就会说其时间和空间是绝对的。这同牛顿提出的绝对空间和永恒时间仅存在细微的差别。而动态的几何、几何和物质分布间的相互影响,正是莱布尼茨相对时间和相对空间理论的具体实现。
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在理论化相对时间和相对空间的过程中,爱因斯坦受到了奥地利物理学家、生理学家、哲学家恩斯特·马赫(Ernst Mach)的指引。马赫提出了我们现在所称的“马赫原理”(Mach’s principle)。这一原理声称,只有相对运动才是物理的。我们之所以因为旋转而感觉晕眩,一定是因为我们相对着遥远星系在旋转;当我们静止不动,换成整个宇宙围绕我们旋转时,我们会感受到同样的晕眩。
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以上是广义相对论比较激进的地方,但这个理论还是有保守的一面,它依然隶属于牛顿范式。所有可能的几何位形和物质位形,加在一起形成了一个更大的位形空间。给定初始条件,爱因斯坦方程决定了时空几何的未来,也决定了时空中的物质、辐射等一切事物的未来。
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在广义相对论中,时空的整段历史仍然通过数学对象加以表示。诚然,广义相对论中的时空所对应的数学对象,比牛顿力学的三维欧氏空间要复杂得多。然而在块状宇宙看来,它们依然存在于时间之外,没有过去或未来的区别,对我们认识当下完全不起作用。
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在打击时间的物理性上,广义相对论还有最后一击。认为时间真实、基础的观点往往暗示时间不能有起点。如果时间有起点,那么这一起点一定能被时间之外的某个概念加以解释。如果时间确实可以被某种独立于时间的概念加以解释,那么时间就不是基本的,它可能由更为基本的概念演生而来。现实是,在所有成功描述宇宙的广义相对论方程解中,时间总是有起点。
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1916年,在广义相对论发表还不到一年的时候,爱因斯坦开始将它应用于整个宇宙。他想象中的宇宙是球壳般有限却没有边界的。这是影响深远的一步:第一次有人将整个宇宙视作有限、自给自足的系统。宇宙就只有这么大,没有任何办法到外面去;“宇宙之外”毫无意义。
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为了使宇宙封闭,爱因斯坦假设任何用于测量时间的时钟都在系统之内。他之所以能做到这一点,归因于广义相对论的一个新特征,即我们可以随意选取时钟测量时间、随意选取尺子测量空间。无论对时间和空间的测量是多么混乱,广义相对论方程依然运作良好。由此,我们不再需要通过系统外的特别时钟测量时间。[12]将选取系统外时钟的必要性取消,意味着广义相对论朝着相对关系理论的方向前进了一大步,但它依然基于牛顿范式。具体来说,它可以被描述为,不随时间而变的物理定律作用于不随时间而变的位形空间。
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起初,爱因斯坦在寻求一个有限空间且永恒不变的宇宙模型。我一直认为在原创性上,爱因斯坦在物理学家中无出其右。可这里,他的想象力却稍显匮乏:在他的设想中,宇宙静止且永恒。爱因斯坦并未考虑其他可能性,永恒静止的宇宙存在一个问题。万有引力使得物质相互吸引,最终将它们聚在一块。这意味着,如果引力作用于整个宇宙,就会导致宇宙的收缩。假设宇宙在膨胀,引力将使得膨胀变慢;假设宇宙既不收缩也不膨胀,引力会使它开始收缩。由此,爱因斯坦本应该这样预测:随着时间流逝,宇宙要么膨胀要么收缩。但是,爱因斯坦希望寻求一个静态宇宙,为此他修改了广义相对论。这导致了一个意料之外的发现,这一发现直到最近才被实验所确认。
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