思羽/編譯

探究廣義相對論一百年

思羽/編譯

●整整一個世紀(jì)里，愛因斯坦的廣義相對論徹底變革了人類對宇宙的想象。我們在此回顧了從愛因斯坦1915年提出這項理論起，廣義相對論在百年間經(jīng)歷的關(guān)鍵時刻。

阿爾伯特·愛因斯坦對當(dāng)代物理學(xué)的貢獻(xiàn)無人可敵，但他的主要聲譽(yù)全都建立在他于1915年11月以系列講座形式向柏林普魯士科學(xué)院提交的一項理論上。基本上，廣義相對論是一項關(guān)于引力的理論。但它不僅解釋了塑造出大尺度實體的引力是如何運(yùn)作的，還徹底變革了人類的世界觀。

早在1905年，愛因斯坦已經(jīng)展示了運(yùn)動如何讓空間和時間彎曲。狹義相對論從一條假設(shè)出發(fā)——這條假設(shè)可以追溯至詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在40年前用公式表達(dá)出的電磁力理論——即光總是以恒定的速度移動，進(jìn)而表明兩名處于相對運(yùn)動中的觀察者不會以相同方式感知到尺子的長度和時鐘的滴答聲。

為了獲得廣義相對論，愛因斯坦將狹義相對論與另一條觀察相結(jié)合：引力對一個具有質(zhì)量的物體的影響與加速度對該物體的影響是無法區(qū)別的。在十年的深思熟慮后，愛因斯坦得出了結(jié)論：引力是彎曲時空的產(chǎn)物。太陽讓地球環(huán)繞軌道周轉(zhuǎn)，靠的不是對地球施加物理上的力，而是因為太陽的質(zhì)量扭曲了周圍的空間，從而迫使地球那樣子運(yùn)動。照物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒的話來說，就是“空間告訴物質(zhì)如何移動，物質(zhì)告訴空間如何彎曲”。

一個世紀(jì)之后，是時候回顧過往，再問一聲下個世紀(jì)可能會給人類帶來什么了。

1915年愛因斯坦向位于柏林的普魯士科學(xué)院提出了廣義相對論的場方程式。

1916年愛因斯坦利用廣義相對論預(yù)言了引力波的存在，引力波就是大質(zhì)量物體相互影響時產(chǎn)生的時空漣漪。

1917年愛因斯坦向方程式里引進(jìn)了一個額外的項“宇宙學(xué)常數(shù)”，以此來平衡引力，產(chǎn)生一個既不膨脹也不收縮的靜態(tài)宇宙。

1919年亞瑟·愛丁頓在普林西比島觀測日全食時，發(fā)現(xiàn)太陽的質(zhì)量使得光線彎曲——這就是愛因斯坦預(yù)言的引力透鏡效應(yīng)。

1920年亞歷山大·弗里德曼與喬治·勒梅特各自獨立發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦場方程的一個解，這個解描述了一個均勻膨脹的宇宙。

20世紀(jì)20年代埃德文·哈勃和其他科學(xué)家表明，遙遠(yuǎn)的星系正在遠(yuǎn)離我們——這是頭一條暗示“大爆炸”宇宙仍在膨脹的線索。愛因斯坦形容他提出的宇宙學(xué)常數(shù)是他犯過的“最大的錯誤”。

1930年蘇布拉馬尼安·錢德拉塞卡指出，達(dá)到一定質(zhì)量的恒星能坍縮成極其致密的天體，以至于光都無法逃離：這種天體后來以“黑洞”之名為人所知。

1933年弗里茨·茲威基觀測到星系團(tuán)似乎受到不可見物質(zhì)的引力影響而旋轉(zhuǎn)——這是暗物質(zhì)存在的第一個跡象。

20世紀(jì)40年代理論家們預(yù)測，假如宇宙從大爆炸中炙熱致密的起源一路膨脹到現(xiàn)在，它應(yīng)該遺留下一種殘光：宇宙微波背景輻射。

1964年宇宙微波背景輻射被阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜當(dāng)成天線中難以解釋的噪音，被兩人意外地發(fā)現(xiàn)，開啟了相對論的“黃金時代”。

20世紀(jì)70年代薇拉·魯賓提供了令人信服的證據(jù)，表明大多數(shù)星系都包含暗物質(zhì)，也正是暗物質(zhì)導(dǎo)致星系旋轉(zhuǎn)得越來越快。

1972年天鵝座中一個被命名為X-1的天體放射出的X射線提供了第一份表明恒星坍縮成恒星質(zhì)量級別黑洞的證據(jù)。

1974年拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發(fā)現(xiàn)了一對軌道周期越來越短的中子星，似乎這對中子星通過發(fā)射引力波而失去能量。

1974年斯蒂芬·霍金從理論上指出，量子效應(yīng)能夠?qū)е潞诙凑舭l(fā)，散發(fā)出霍金輻射——接下來會發(fā)生什么情況得視黑洞吞下什么物質(zhì)而定。

1980年阿蘭·古斯和其他人提出，大爆炸時的宇宙在最初的時刻經(jīng)歷了一段極快的膨脹期——暴脹——從而解決了許多難題。

1989年美國宇航局發(fā)射了“宇宙背景探測者”（COBE）衛(wèi)星，用來研究宇宙微波背景輻射。它揭示出一個大部分均勻的輻射場，支持了宇宙大爆炸時暴脹的想法。

1998年對遙遠(yuǎn)超新星的研究意外地揭示出宇宙的膨脹正在加速。愛因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)得以復(fù)生，象征了暗能量引發(fā)了這種現(xiàn)象。

21世紀(jì)00年代對宇宙微波背景輻射做出的更為詳細(xì)的研究支持了這種宇宙景象：宇宙起始于一次大爆炸暴脹，暗物質(zhì)和暗能量在這個過程中占據(jù)了支配地位。

2003年在意大利中部的大薩索山地下進(jìn)行的DAMA實驗宣稱已經(jīng)探測到地球奮力前進(jìn)穿過暗物質(zhì)海洋時發(fā)出的信號——但其他實驗沒能予以證實。

2008年瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心旗下的大型強(qiáng)子對撞機(jī)啟動。它的一項目標(biāo)是對撞出暗物質(zhì)粒子。

2014年在南極使用第二代宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP2）望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行研究的物理學(xué)家們宣稱發(fā)現(xiàn)了早期宇宙引力波在宇宙微波背景輻射中留下的印記——他們后來收回了這一聲明。

2015年先進(jìn)激光干涉引力波天文臺（Advanced LIGO）是人類最近一次直接觀測引力波的努力舉動。

[資料來源：The Scientist][責(zé)任編輯：彥隱]