廣義相對論百年:大眾科學特刊

每個人都知道什麼是引力。三個月大的嬰兒如果看到盒子沒有如預期般倒下會感到驚訝;一歲的孩子知道不穩定的物體是否會掉落,取決於它的形狀。科學家們開始認為引力是對地球的拉力,後來,更廣義地,認為是任何兩個物體之間的一種吸引力。

然後阿爾伯特·愛因斯坦出現了。1915年,他在他的廣義相對論中揭示,引力與其說是一種力,不如說是宇宙彎曲的副產品。換句話說,我們從日常經驗中認為我們瞭解的引力是錯誤的。

1915年12月2日發表的《引力場方程》(“The Field Equations of Gravitation”)最初在學術界之外幾乎沒有引起注意。幾年後,由阿瑟·愛丁頓爵士領導的一次日食探險隊進行了一次觀測,使該理論一夜成名。正如愛因斯坦預測的那樣,星光在經過太陽時,彎曲程度似乎是牛頓物理學預測的兩倍,愛丁頓親自證實了這種彎曲程度。*《紐約時報》著名地宣稱:“科學家們對日食觀測結果或多或少感到興奮。”


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他們興奮是有道理的。要過分強調一個世紀前廣義相對論的思想對宇宙和我們物理世界的普遍觀念的顛覆性是很難的。突然之間,空間和時間不再僅僅是宇宙真正活動的背景。相反,時空有其自身的幾何形狀,其曲率決定了天體的運動,並使我們腳踏實地。該理論甚至表明,光也必須遵循其輪廓。

相對論革命繼續塑造了20世紀的大部分時間。它影響了哲學、藝術、政治和流行文化。其發明者的名字成為天才的代名詞,並使愛因斯坦成為世界上最偉大的科學名人。他利用自己的聲望在全球事件中發揮了重要作用——他曾公開倡導原子彈的開發,然後又花了數十年哀嘆這個錯誤。他為保護猶太民族奔走呼號,並直言不諱地批評種族主義,併成為民權活動家。更重要的是,圍繞愛因斯坦及其偉大思想的名聲標誌著公眾對科學認知的轉折點,確立了20世紀作為科學時代的地位,並迎來了我們仍在經歷的技術變革。

廣義相對論100週年提供了一個機會來回顧科學令人難以置信的速度及其對社會的影響。在接下來的幾頁中,我們將回顧我們從愛因斯坦的成就中學到了什麼,並展望它可能揭示的秘密。一個啟發性的圖表顯示了該理論催生的眾多新研究領域。我們研究了引導這位天才走上相對論之路的最初靈感時刻,並讚揚他透過純粹的思考力量揭示這些真理的能力。甚至愛因斯坦的錯誤也常常被證明是有益的,我們看到,通常被認為是他的最大缺點之一——他被認為的對量子力學的不容忍——是被誤解的。我們還透過調查在愛因斯坦的大腦解剖結構中尋找天才來源的錯誤嘗試,來探索我們對天才的痴迷。

廣義相對論誕生100週年也很重要,因為這個思想仍然沒有做到:與其他自然力統一起來,構建一個萬物理論。愛因斯坦在他生命的最後幾年裡,一直在尋求一套更深層次的規則,這些規則不僅統治著宇宙領域——廣義相對論的領域——也統治著原子內部的世界,量子力學在那裡佔據主導地位。他認為這個夢想觸手可及,但幾代物理學家一個世紀的辛勤工作並沒有完成一個統一的自然理論。相對論和量子力學仍然像以往一樣不相容。

最近,科學家們開始採取新的策略,探索自愛因斯坦時代以來出現的一些宇宙謎團,例如暗物質和暗能量,希望這些路徑最終將導致愛因斯坦夢想的實現。其他研究人員正試圖在黑洞的極端領域測試廣義相對論,從而在該理論中找到漏洞。而相對論最奇怪的後果之一——它為時間旅行引入的可能性——也可能為揭示更深層次的自然秘密提供途徑。

最終,很明顯,沒有其他科學理論比廣義相對論更重要,它塑造了20世紀物理學的程序,也沒有其他科學家的遺產比愛因斯坦對21世紀的影響更大。在這個具有里程碑意義的週年紀念日,物理學界正在等待下一個廣義相對論。我們需要另一個愛因斯坦。

*編者注(11/4/15):印刷版文章中的這句話在釋出後進行了編輯。原文錯誤地聲稱愛因斯坦預測了光會彎曲,而不是彎曲多少,並且愛丁頓證實了前者現象,而不是後者。

大眾科學雜誌 第313卷 第3期本文最初以“愛因斯坦”為標題發表於大眾科學雜誌 第313卷 第3期 (), p. 32
doi:10.1038/scientificamerican0915-32
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