撰文 Rachel
翻譯 王微曉
審校 胡家僖
如果某一天太陽(yáng)突然爆炸，將會(huì )發(fā)生什么？阿爾伯特·愛(ài)因斯坦自1905年發(fā)現狹義相對論及其著(zhù)名公式E=mc^2的不久后，就一直對上述問(wèn)題感到困惑。因為太陽(yáng)距離地球非常遠，太陽(yáng)光需要經(jīng)過(guò)8分鐘才能到達地球，所以我們不會(huì )立刻知曉爆炸的發(fā)生。在這耀眼奪目的8分鐘里，我們完全不會(huì )意識到那件恐怖的事情已然發(fā)生。
那么引力呢？它的傳遞速度也同光一樣嗎？在太陽(yáng)的引力作用下，地球以橢圓軌道圍繞著(zhù)太陽(yáng)運動(dòng)。而如果太陽(yáng)（或者說(shuō)作用于地球的引力）消失了，地球就會(huì )沿直線(xiàn)脫離原軌道。那么地球是在太陽(yáng)消失后立即脫離，還是8分鐘后才脫離？這正是愛(ài)因斯坦感到困惑的問(wèn)題。
20世紀初，已有近250年歷史的牛頓引力理論仍被認為是現代科學(xué)的基石。牛頓的引力理論可謂是極其成功，不但解釋了行星及衛星的運動(dòng)，并且還準確地預言了彗星的回訪(fǎng)。
根據牛頓理論，地球應該會(huì )立即發(fā)覺(jué)太陽(yáng)的消失。然而，愛(ài)因斯坦在狹義相對論中已經(jīng)指出，光速是宇宙中速度的極限，任何事物的運動(dòng)速度都不能超過(guò)光速（光在真空中的傳播速度c≈3.0×10^8m/s），引力也不能除外。而且，因為爆炸發(fā)出的光要經(jīng)過(guò)8分鐘才到達地球，引力的變化也必須經(jīng)過(guò)至少8分鐘才能被地球發(fā)覺(jué)。
愛(ài)因斯坦對于該謎題的解答完全顛覆了我們對于宇宙的認知。直至1915年，人們都還認為空間是一個(gè)靜止的舞臺，物理定律置身其上，我們可以添些恒星或者行星進(jìn)去，然后它們就會(huì )在這個(gè)舞臺上按照固有的運動(dòng)方式翩翩起舞。但是愛(ài)因斯坦革命性的想法認為空間并非靜止不動(dòng)，它是動(dòng)態(tài)的，會(huì )對正在發(fā)生的事物有所響應。如果在空間中放置重的物體，比方說(shuō)一顆類(lèi)似地球的行星，那么行星周?chē)目臻g就會(huì )發(fā)生些許變化，而當另外一個(gè)物體（比如月亮）靠近這顆行星時(shí)，它會(huì )感受到空間的凹陷，從而像彈球在碗中滾動(dòng)那樣圍繞行星運動(dòng)。這就是引力的本質(zhì)。
除此之外，諸如地球一樣重物的存在不僅僅影響空間，也會(huì )影響時(shí)間。愛(ài)因斯坦意識到空間和時(shí)間并不是分離存在的，而是我們謂之時(shí)空（space-time）的不同層面而已。星系的軌道和螺旋結構就是宇宙的時(shí)空結構會(huì )與物質(zhì)交相輝映的結果。恒星和行星的運動(dòng)能夠引起尾跡之處時(shí)空的彎曲，也會(huì )引起其他恒星和行星的運動(dòng)，同樣地，它們周?chē)臅r(shí)空也會(huì )彎曲，以此類(lèi)推。一言以蔽之，引力是時(shí)空彎曲的體現——這就是愛(ài)因斯坦的偉大洞見(jiàn)。
愛(ài)因斯坦在1915年發(fā)表了上述理論發(fā)現，稱(chēng)之為廣義相對論。如今我們知道廣義相對論是關(guān)于引力的理論，并且認為它是正確的，因為該理論做出了很多重要的預言，而牛頓理論卻沒(méi)有做到。其中一項預言是光能夠被引力彎曲。人們于1919年的日食過(guò)程中觀(guān)測到了這一現象，提供了證實(shí)愛(ài)因斯坦理論的有力證據，一下子成了新聞頭條，也標志著(zhù)愛(ài)因斯坦開(kāi)始走進(jìn)大眾視野。
原文鏈接：
https://plus.maths.org/content/maths-minute-einsteins-general-theory-relativity
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