今年是愛(ài)因斯坦廣義相對論發(fā)表100周年。為紀念這一被稱(chēng)為“20世紀最美麗思想”的偉大理論百年誕辰，《賽先生》除了計劃在全國6個(gè)城市舉辦8場(chǎng)相對論科普活動(dòng)，從今日起，還將陸續刊發(fā)一系列關(guān)于相對論的科普和紀念文章，請大家與我們一起領(lǐng)略愛(ài)因斯坦的思想之美。
《賽先生》許灝
無(wú)疑愛(ài)因斯坦的重要性是千年的，只不過(guò)這個(gè)千年才剛剛開(kāi)始。
今年，我們剛好迎來(lái)了愛(ài)因斯坦廣義相對論發(fā)表100年，這是愛(ài)因斯坦自己最為驕傲的創(chuàng )舉。在發(fā)表廣義相對論11年前，愛(ài)因斯坦發(fā)表了狹義相對論，并開(kāi)始震驚已綿延千年的傳統時(shí)空觀(guān)念。從狹義到廣義相對論，愛(ài)因斯坦完成了最為艱巨的跨越，幾乎是獨創(chuàng )偉業(yè)。他曾不無(wú)驚訝地回顧說(shuō)：“與創(chuàng )造廣義相對論相比，當年發(fā)現狹義相對論幾乎就是兒童游戲”。
1919年，著(zhù)名的劍橋天文學(xué)家亞瑟·愛(ài)丁頓（Arthur Stanley Eddington）冒險證實(shí)了廣義相對論的預言之一光線(xiàn)彎曲效應，捷報傳到愛(ài)因斯坦面前，他如此自信地回答身邊的反問(wèn)：“假如觀(guān)測給出了否定，那我就要為可憐的上帝感到遺憾了，如此優(yōu)美的理論，他卻不能欣賞”。愛(ài)丁頓自己則深感榮幸，當有人問(wèn)他“聽(tīng)說(shuō)世界上只有三個(gè)人懂得相對論”時(shí)，愛(ài)丁頓振振有辭：“那么第三個(gè)人是誰(shuí)？”言意除愛(ài)因斯坦之外，他是最懂相對論的人了。
那么今天，從愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對論算起，相對論已滿(mǎn)百年，舊問(wèn)重提，誰(shuí)是最懂得相對論的人呢？可以這樣說(shuō)，一代代頂級理論物理學(xué)家，從青絲到白發(fā)，就是為了弄懂相對論所能許諾和觸及的宇宙奧秘。自然究竟給相對論多大余地？
二十世紀相對論和量子力學(xué)的革命是我們建筑理解宇宙的理論框架的兩塊不動(dòng)的基石。狹義相對論已浸透我們宇宙的基本量子相互作用機制，從而溢出驚人豐富的物理。一旦失去狹義相對論，自然的機器即使勉強不停止運轉，除了可以滿(mǎn)足某些哲學(xué)家一勞永逸地用可憐的咒語(yǔ)統治存在的心理外，但真相是宇宙立即貧乏得無(wú)顏面世了。而被物理學(xué)家普遍視為物理理論的雅典娜神廟的廣義相對論，是我們理解宇宙唯一有效而不平庸的引力理論。它的物理圖像簡(jiǎn)潔深刻傳神，著(zhù)名物理學(xué)家惠勒（John Archibald Wheeler）如此概括：“質(zhì)能告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴質(zhì)能如何運動(dòng)”。在數學(xué)上，廣義相對論則決定性地簇新了二十世紀數學(xué)兩大主流之一的微分幾何的廣袤森林。
我們來(lái)看看廣義相對論的宇宙學(xué)非凡結果吧：1922年數學(xué)家弗里德曼從愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程解出了宇宙線(xiàn)性膨脹解。1929年天文學(xué)家哈勃（Edwin P. Hubble）發(fā)現系統的宇宙學(xué)紅移與該解相應，從而確立了宇宙膨脹事實(shí)。后發(fā)展為今天極著(zhù)名的標準宇宙學(xué)模型即“大爆炸（Big Bang）”，解釋和預言了絕大部分空前的宇宙事實(shí)和奇跡。從廣義相對論也能給出宇宙加速膨脹解。1998年至今，觀(guān)測發(fā)現宇宙加速膨脹的事實(shí)，可是究竟物理真相如何？這已成為今天物理學(xué)最為熱鍋的未決困惑。1981年物理學(xué)家古斯（Alan Guth）依愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的指數膨脹解發(fā)明了今天宇宙學(xué)的寵兒“暴漲宇宙論”。2014年哈佛大學(xué)史密斯天體物理中心宣布發(fā)現宇宙原初引力波，如果該發(fā)現最后獲得完全證實(shí)，那么不但證實(shí)“暴漲宇宙”，而且是廣義相對論最為艱難尋覓的引力波預言的首次漣漪現身。當然，除了今天息息相關(guān)地球每個(gè)角落的GPS必用廣義相對論之外，今天在全球公眾中極為知名的黑洞和蟲(chóng)洞則都是廣義相對論自然之解。何況與其相聯(lián)系的數學(xué)物理結果和猜想今天已成大典。
引力似乎是桀驁不馴的，與量子場(chǎng)論的量子化方案相比，物理學(xué)家一直未能把廣義相對論徹底量子化，盡管一批批絕頂聰明堅強的理論物理使徒在不懈地推進(jìn)這個(gè)憧憬。引力要量子化么？物理學(xué)家深信一切都應當是量子的。沒(méi)有引力量子化，我們就無(wú)法確切追問(wèn)諸如宇宙起源這樣的基本天問(wèn)。為何引力如此難以量子化？量子引力可謂史詩(shī)！我們真的懂得的相對論么？如果不是學(xué)生腔的話(huà)，在宇宙面前，物理學(xué)家會(huì )承認所知甚少。即使是在實(shí)驗和理論操作上最豐富成功的狹義相對論，我們也仍然可以問(wèn)其金剛不化的洛倫茲對稱(chēng)性能否通過(guò)非平凡的對稱(chēng)破缺或形變從而打開(kāi)更加不平凡的神秘之門(mén)？迄今無(wú)人完全能知。
愛(ài)因斯坦及其相對論究竟在物理學(xué)家心智中有多么深刻的影響，看看當今兩位偉大的理論物理學(xué)家是如何說(shuō)的吧。楊振寧：“廣義相對論在人類(lèi)歷史中是獨一無(wú)二的……愛(ài)因斯坦并不是抓住了眼前的機會(huì )，而是自己創(chuàng )造了機會(huì )，然后又獨自一人通過(guò)深刻的洞識，宏偉的設計實(shí)現了這個(gè)機會(huì )”。愛(ài)德華·威滕（Edward Witten）說(shuō)：“我相信量子力學(xué)的邏輯狀況會(huì )發(fā)生改變，正如愛(ài)因斯坦發(fā)現等效原理(廣義相對論)而改變了引力的邏輯狀況一樣?！?/span>
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