3月14日，对于物理学界是个特殊的日子，年的这一天，相对论之父阿尔伯特·爱因斯坦诞生；年的这一天，现代物理学巨匠史蒂芬·霍金逝世。相隔百余年的这两位大师，在思想和工作方式上有着许多有趣的共鸣，霍金也把对爱因斯坦的致意放在了《果壳中的宇宙》的第一章——“相对论简史”里。
阿尔伯特·爱因斯坦，年诞生于德国的乌尔姆。阿尔伯特并非神童，但也并非一些媒体刻意渲染的那样成绩吊车尾。爱因斯坦的求学历程的确不太顺利，教授们不喜欢他好辩的性格以及对权威的蔑视，大学期间，没有一个权威教授愿意聘任爱因斯坦作为助手，而这恰恰是进入学术生涯的正常途径。两年以后，他终于在伯尔尼的瑞士专利局获得一个低级职位。但注定改变未来的人不会一直被埋没，年正是在专利局任上，爱因斯坦写了三篇论文。这三篇论文不仅奠定了他作为世界最主要的科学家之一的地位，而且开启了两项观念革命，这革命改变了我们对时间，空间以及未来本身的理解。
在19世纪末，对宇宙充满好奇的科学家们认为空气中充满了一种名为“以太”的物质，因为有以太的存在，光线和无线电信号才得以传播。他们认为只要测量清楚以太的弹性性质，就能解开宇宙的奥秘。为了进行这种测量，哈佛大学还建立了杰佛弗逊实验室。整个建筑物不能用任何铁钉，以免干扰灵敏的磁测量。然而策划者忘记了构筑实验室和哈佛大部分楼房的褐红色砖头砖头含有大量的铁。这座建筑物迄今仍在使用，虽然哈佛仍然不能清楚，不用铁钉的图书馆地板究竟可以支撑多少卷藏书。
以太的观点显然有太多方面都站不住脚，在科学家们一直致力于想办法自圆其说的过程中，爱因斯坦撰写了一篇论文，指出如果人们不能检测出他是否穿越时空的运动，则以太观念纯属多余。相反，他以科学定律对于所有自由运动的观察者都显得相同的假设为出发点。特别是，不管他们多快运动，都应测量到相同的光速。光速和他们运动无关，并且在所有方向上都相同。这就需要抛弃“存在普适的标尺或参照物”的观念。爱因斯坦指出，每个人都有他或者她自己的个人时间。如果两个人处于相对静止状态，则他们的时间就一致，但是一旦他们相互运动则不一致——这就是狭义相对论。爱因斯坦的假定是相对论的基础，它意味着只有相对运动才是重要的。它的美丽和简单征服了许多科学家，但是仍然有许多人反对。他们问道，这是否意味着，万物都是相对静止的，甚至不存在绝对的道德标准呢？这种苦恼持续贯穿于20世纪20年代和30年代。
相对论的一个非常重要的推论是质量和能量的关系。爱因斯坦关于光速对于任何人而言都应该显得相同的假设，意味着没有任何运动的比光还快。当人们用能量加速任何物体，无论是粒子还是航天飞船，实际上增加的却是这个物体的质量，这使得对其进一步加速更困难。要把一个粒子加速到光速要消耗无限大能量，所以这是不可能的，正如爱因斯坦的著名公式总结的：E=mc^2，质量和能量是等效的。这也许是物理学中的唯一的妇孺皆知的公式。它的一项后果是意识到，如果铀原子核裂变成总质量稍小的两个核，就会释放巨大的能量。
这一发现导致了原子弹的诞生，年在日本的广岛和长崎的轰然爆炸。有人怪罪于提供了这一灵感的爱因斯坦，但是这和把飞机失事归咎于牛顿发现了引力一样，牵强至极。
虽然相对论和制约电磁学的定律配合的天衣无缝，它却不能和牛顿的引力定律相协调。牛顿引力定律说，如果人们在空间的一个区域改变物质分布，在宇宙其他任何地方的引力场改变就会瞬刻觉察到。这不仅意味着人们可以发送比光还快的信号；还意味着需要存在绝对或普适的时间。这正是那种被相对论抛弃了的，并被个人时间所取代的时间。爱因斯坦意识到在加速度和引力场之间存在一个紧密的关系。待在一个封闭的盒子里，譬如升降机中的某人不能将盒子静止地处于地球引力场中和盒子在自由空间中被火箭加速这两种情形区别开来。如果地球是平坦的，人们既可以说服苹果因为引力而落到牛顿头上，也可以等效地说因为牛顿和地球被往上加速。然而，对于球形地球加速度和引力之间的等效似乎不成立，世界相反两边的人们必须在相反的方向上被加速，却又停留在固定的相互距离上。
但是爱因斯坦意识到如果时空几何是弯曲的，而不是迄今所假定的那样平坦，则等效成立。他认为质量和能量以一种还未被确定的方式将时空弯曲。诸如苹果或者行星的物体在通过时空时企图沿着直线运动，但是因为时空是弯曲的，所以他们的轨道显得被引力场所弯折。
爱因斯坦借助于他的朋友玛索尔·格罗斯曼通晓了弯曲时空和面的理论。在此之前乔治弗里德里希·黎曼把这种理论发展成一种抽象的数学；黎曼从未想到它和实在世界有何相干。年爱因斯坦和格罗斯曼合写了一篇论文，他们在论文中提出了这样的思想，我们认为引力只不过是时空为弯曲的这一事实的表现。然而他们未能找到将时空曲率和处于其中的质量和能量相联系的方程。爱因斯坦在柏林继续研究这个问题，终于在年11月找到了正确的方程。新理论的成功应归功于爱因斯坦：把引力和时空弯曲联系起来正是爱因斯坦的思想。这个时期的德国作为文明国家是值得赞扬的，甚至在战时，科学讨论和交流仍然可以不受干扰的进行。
为了和狭义相对论相区别，弯曲时空的理论被称为广义相对论。年当英国赴西非的探险队在日食观察到光线通过太阳临近被稍微偏折，这正是空间和时间被弯曲的直接证据，广义相对论得到证实。爱因斯坦的广义相对论把空间和时间从一个被动的背景，转变成宇宙动力学的主动参与者，这就引发了一个伟大的问题——爱因斯坦发现他的方程没有描述一个静态的，也就是在时间中不变的宇宙解。他和其他大多数科学家都不愿放弃这样一种永恒的宇宙，而继续对广义相对论方程进行补缀，添加上称为宇宙常数的一项。宇宙充满物质，物质弯曲时空的方式使得物体落到一块，而宇宙常数可以在相反的意义上将时空弯曲，使得物体相互离开。宇宙常数的排斥效应可以平衡物质的吸引效应，这样就容许宇宙具有静态解。这是理论物理学的历史中错失的最重大的机会之一。如果爱因斯坦坚持其原先的方程，他就能够预言宇宙要么正在膨胀，要么正在收缩，二者必居之一。
事实上，直至20世纪20年代在威尔逊山上用英寸望远镜进行观测，人们才认真接受宇宙随时间变化的可能性。这些观测揭示了宇宙正在膨胀，任何两个星系之间的距离会随时间恒定地增加。这个发现排除了静态宇宙的可能性，更否定了宇宙常数的意义。
广义相对论彻底地改变了有关宇宙起源和命运的讨论。一个静态的宇宙可以存在无限长时间，或者以它目前的形状在过去的某个瞬间创生。然而，如果现在星系正在相互分开，这表明它们过去曾经更加靠近。大约亿年以前，所有它们都会相互靠在一起，而且密度非常大。
爱因斯坦似乎从未认真地接受过大爆炸。他显然认为，如果人们随着星系的运动在时间上回溯过去，则一个一致膨胀宇宙的简单模型就会失效，因为星系的很小的倾向速度就会使它们相互错开。他认为，宇宙也许早先有过一个收缩相，在一个相当适度的密度下反弹成现在的膨胀。
爱因斯坦甚至更不愿意承认广义相对论的预言，即当一个大质量恒星到达其生命的终点，而且不能产生足够的热去平衡其自身使它收缩的引力时，时间将会到达尽头。爱因斯坦认为，这样的恒星将会在某一终态安定下来。但是我们现在知道，对于比太阳质量两倍还大的恒星并不存在终态的结构。这类恒星将会继续收缩直至它们变为黑洞。黑洞是时空中如此弯曲的一个区域，以至于连光线都无法从那里逃逸出来。
《果壳中的宇宙》
史蒂芬·霍金著
湖南科学技术出版社
编辑
小鹅
预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
转载请注明：http://www.hujingahj.com/aqly/7300.html
当前位置： 虎鲸 > 虎鲸的种类 > 果壳中的宇宙霍金谈爱因斯坦相对论
