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广义相对论100年：看爱因斯坦如何推翻牛顿力学

　　文/陈敏（微信公众号：科学世界）

　　100 年前的今天，爱因斯坦发表了用几何语言描述的引力理论——广义相对论。广义相对论阐明了物体的质量使时空（时间和空间）扭曲，扭曲的时空产生了使物体互相吸引的引力的道理。那么，这一伟大理论是怎样诞生的呢？

　　1915 年 11 月 25 日，一位天才物理学家提出了一个颠覆人类常识的大理论——广义相对论。简单地说，广义相对论就是这样一条理论：任何一个物体的重量（质量）都能引起时空的扭曲，产生引力。

　　那么，天才物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）是如何建立这个伟大理论的呢？

广义相对论100年：看爱因斯坦如何推翻牛顿力学

　　改变物理学的“狭义相对论”

　　在广义相对论诞生大约 10 年前，1905 年，爱因斯坦发表了“狭义相对论”。狭义相对论极大地改变了当时物理学对时间和空间的认识。

　　英国物理学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1642～1727）确立的物理学基础—牛顿力学认为，空间的间隔（物体的长度）和时间的流逝是绝对的，从任何时间点、对任何观察者来说都是一样的。即，1 米的尺，任何时候、任何人看都是一样长的；1 秒，任何时候、在宇宙的任何地方经过的都是 1 秒。

　　但是，狭义相对论认为，物体的长度和时间的流逝，是随着不同的状况变化的。运动越快的物体长度越短，时间流逝得越慢。

　　取代牛顿力学的“广义相对论”

　　狭义相对论和牛顿力学之间有很大的矛盾。根据狭义相对论，自然界的最高速度是真空中的光速，每秒为 30 万千米。而牛顿力学认为，所有物体之间，都有与之成正比例的“万有引力”互相吸引（万有引力定律）。并且无论两个物体离开多远，这个万有引力的相互作用都不需要花时间。也就是说，力的传递速度比光速还要快。

　　实际上，已经观测到用牛顿力学解释不了的自然现象。牛顿力学的毁灭就在眼前。

　　因而爱因斯坦就想，能不能把引力和相对论结合起来。在重组相对论的过程中，他采用了自己的老师、德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski，1864～1909）提出的时空理论，把时间和空间结合在一起。这样，就提出了前所未有的、物体的质量使得周围的时空发生扭曲的新概念。为了研究扭曲时空，需要曲面数学。因此他接受了共同研究者、数学家马塞尔·格罗斯曼（Marcell Grossmann，1878～1936）的提议，不用欧几里得几何学（Euclidean geometry，在平面和非扭曲空间上研究图形的数学），而是用研究曲面上图形的黎曼几何（Riemannian geometry）进行研究。

　　牛顿力学和广义相对论中的引力、时间、空间的概念是不同的。因此，对行星公转运动的解释也不同。在牛顿力学中，时间和空间是绝对不变的。并且，物体之间有彼此吸引的万有引力存在。行星因为和太阳之间存在着万有引力，所以围绕太阳公转。另一方面，根据广义相对论，物体的质量使时空扭曲，产生引力。因此，行星沿着由太阳的质量扭曲的时空“旋涡”(凹陷），围绕太阳公转。

广义相对论100年：看爱因斯坦如何推翻牛顿力学

　　↑↑ 牛顿力学和广义相对论中的引力、时间、空间的概念是不同的。因此，对行星公转运动的解释也不同。在牛顿力学中，时间和空间是绝对不变的。并且，物体之间有彼此吸引的万有引力存在。行星因为和太阳之间存在着万有引力，所以围绕太阳公转。另一方面，根据广义相对论，物体的质量使时空扭曲，产生引力。因此，行星沿着由太阳的质量扭曲的时空“旋涡”(凹陷），围绕太阳公转。

　　时空扭曲的观点，极大地改变了对引力的认识。爱因斯坦认为，物体受到引力彼此靠近，是因为物体的质量使得周围的时空发生扭曲的缘故。这就和在橡胶垫子上隔开些距离放两个球，当球周围的橡胶垫子开始凹陷时，球就开始沿着凹陷转动、互相接近的原理一样。

　　爱因斯坦认为，不仅是物体，光的传播路线也受引力的影响发生弯曲。光为了沿着扭曲的空间“笔直地”前进，自然就弯曲了。也就是说，爱因斯坦认为：物质的质量使时空扭曲，扭曲的时空产生和引力一样的作用，使得物体接近或者使光弯曲。并且，在巨大的质量旁边，时间的流逝也会变慢。

广义相对论100年：看爱因斯坦如何推翻牛顿力学

　　↑↑ 《广义相对论》原稿第一页。1915 年，36 岁的爱因斯坦在柏林大学当教授时，发表了有关广义相对论的最初论文。翌年，在德国的《物理年报》上发表了广义相对论。

　　这样，广义相对论在 1915 年诞生。实际上，在广义相对论发表的当时，还没有发现它适用于解释什么现象，根本没有人认为它是能够被实验证明的理论。但是到了 20 世纪 60 年代，发现了除用广义相对论之外几乎不能够解释的天体和现象，后来又经过了各种各样的实验检验，它的实用性得到了证明。

　　实际上，除了取代牛顿力学的广义相对论之外，还出现了其他解释引力的各种理论。例如，排除作为广义相对论特征的“扭曲的时空”的理论、空间扭曲方式不同的理论，还有像美国物理学家罗伯特·迪克（Robert Henry Dicke，1916～1997）提倡的那样，在广义相对论中加入了新要素的理论。但是，它们要么没有通过实验的验证，要么不能解释观测到的事实，从而得不到支持。

　　广义相对论需要修正吗

　　在快要进入到 21 世纪的时候，人们认识到宇宙是加速膨胀的。这是因为宇宙中充满着一种名为“暗能量”的未知能量，它能够把空间撑大。也有不设暗能量，而修改广义相对论来解释的动向。但是，广义相对论能够顺利解释各种现象，在数学上也是非常完美的，修正广义相对论的动向得不到广泛的支持。

　　时至今日，多数科学工作者都根据广义相对论理解宇宙。世界各地都在试图探测广义相对论预言的引力波等现象。广义相对论诞生的 100 周年中，人们对它的评价也发生了巨大的变化。下个 100 年，广义相对论又将会走上怎样的旅程呢？

　　本文节选自《科学世界》2015 年第 5 期《广义相对论 100 年》。

正文到此结束