探究廣義相對論一百年

思羽/編譯

探究廣義相對論一百年

思羽/編譯

●整整一個世紀里，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歷的關鍵時刻。

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

早在1905年，愛因斯坦已經展示了運動如何讓空間和時間彎曲。狹義相對論從一條假設出發——這條假設可以追溯至詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在40年前用公式表達出的電磁力理論——即光總是以恒定的速度移動，進而表明兩名處于相對運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合：引力對一個具有質量的物體的影響與加速度對該物體的影響是無法區別的。在十年的深思熟慮后，愛因斯坦得出了結論：引力是彎曲時空的產物。太陽讓地球環繞軌道周轉，靠的不是對地球施加物理上的力，而是因為太陽的質量扭曲了周圍的空間，從而迫使地球那樣子運動。照物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒的話來說，就是“空間告訴物質如何移動，物質告訴空間如何彎曲”。

一個世紀之后，是時候回顧過往，再問一聲下個世紀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言了引力波的存在，引力波就是大質量物體相互影響時產生的時空漣漪。

1917年愛因斯坦向方程式里引進了一個額外的項“宇宙學常數”，以此來平衡引力，產生一個既不膨脹也不收縮的靜態宇宙。

1919年亞瑟·愛丁頓在普林西比島觀測日全食時，發現太陽的質量使得光線彎曲——這就是愛因斯坦預言的引力透鏡效應。

1920年亞歷山大·弗里德曼與喬治·勒梅特各自獨立發現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20年代埃德文·哈勃和其他科學家表明，遙遠的星系正在遠離我們——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常數是他犯過的“最大的錯誤”。

1930年蘇布拉馬尼安·錢德拉塞卡指出，達到一定質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似乎受到不可見物質的引力影響而旋轉——這是暗物質存在的第一個跡象。

20世紀40年代理論家們預測，假如宇宙從大爆炸中炙熱致密的起源一路膨脹到現在，它應該遺留下一種殘光：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·威爾遜當成天線中難以解釋的噪音，被兩人意外地發現，開啟了相對論的“黃金時代”。

20世紀70年代薇拉·魯賓提供了令人信服的證據，表明大多數星系都包含暗物質，也正是暗物質導致星系旋轉得越來越快。

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量級別黑洞的證據。

1974年拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發現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，量子效應能夠導致黑洞蒸發，散發出霍金輻射——接下來會發生什么情況得視黑洞吞下什么物質而定。

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年美國宇航局發射了“宇宙背景探測者”（COBE）衛星，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。愛因斯坦的宇宙學常數得以復生，象征了暗能量引發了這種現象。

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

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

2008年瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心旗下的大型強子對撞機啟動。它的一項目標是對撞出暗物質粒子。

2014年在南極使用第二代宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP2）望遠鏡進行研究的物理學家們宣稱發現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][責任編輯：彥隱]