广义相对论百年:大众科学特刊

每个人都知道什么是引力。三个月大的婴儿如果看到盒子没有如预期般倒下会感到惊讶;一岁的孩子知道不稳定的物体是否会掉落,取决于它的形状。科学家们开始认为引力是对地球的拉力,后来,更广义地,认为是任何两个物体之间的一种吸引力。

然后阿尔伯特·爱因斯坦出现了。1915年,他在他的广义相对论中揭示,引力与其说是一种力,不如说是宇宙弯曲的副产品。换句话说,我们从日常经验中认为我们了解的引力是错误的。

1915年12月2日发表的《引力场方程》(“The Field Equations of Gravitation”)最初在学术界之外几乎没有引起注意。几年后,由阿瑟·爱丁顿爵士领导的一次日食探险队进行了一次观测,使该理论一夜成名。正如爱因斯坦预测的那样,星光在经过太阳时,弯曲程度似乎是牛顿物理学预测的两倍,爱丁顿亲自证实了这种弯曲程度。*《纽约时报》著名地宣称:“科学家们对日食观测结果或多或少感到兴奋。”


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他们兴奋是有道理的。要过分强调一个世纪前广义相对论的思想对宇宙和我们物理世界的普遍观念的颠覆性是很难的。突然之间,空间和时间不再仅仅是宇宙真正活动的背景。相反,时空有其自身的几何形状,其曲率决定了天体的运动,并使我们脚踏实地。该理论甚至表明,光也必须遵循其轮廓。

相对论革命继续塑造了20世纪的大部分时间。它影响了哲学、艺术、政治和流行文化。其发明者的名字成为天才的代名词,并使爱因斯坦成为世界上最伟大的科学名人。他利用自己的声望在全球事件中发挥了重要作用——他曾公开倡导原子弹的开发,然后又花了数十年哀叹这个错误。他为保护犹太民族奔走呼号,并直言不讳地批评种族主义,并成为民权活动家。更重要的是,围绕爱因斯坦及其伟大思想的名声标志着公众对科学认知的转折点,确立了20世纪作为科学时代的地位,并迎来了我们仍在经历的技术变革。

广义相对论100周年提供了一个机会来回顾科学令人难以置信的速度及其对社会的影响。在接下来的几页中,我们将回顾我们从爱因斯坦的成就中学到了什么,并展望它可能揭示的秘密。一个启发性的图表显示了该理论催生的众多新研究领域。我们研究了引导这位天才走上相对论之路的最初灵感时刻,并赞扬他通过纯粹的思考力量揭示这些真理的能力。甚至爱因斯坦的错误也常常被证明是有益的,我们看到,通常被认为是他的最大缺点之一——他被认为的对量子力学的不容忍——是被误解的。我们还通过调查在爱因斯坦的大脑解剖结构中寻找天才来源的错误尝试,来探索我们对天才的痴迷。

广义相对论诞生100周年也很重要,因为这个思想仍然没有做到:与其他自然力统一起来,构建一个万物理论。爱因斯坦在他生命的最后几年里,一直在寻求一套更深层次的规则,这些规则不仅统治着宇宙领域——广义相对论的领域——也统治着原子内部的世界,量子力学在那里占据主导地位。他认为这个梦想触手可及,但几代物理学家一个世纪的辛勤工作并没有完成一个统一的自然理论。相对论和量子力学仍然像以往一样不相容。

最近,科学家们开始采取新的策略,探索自爱因斯坦时代以来出现的一些宇宙谜团,例如暗物质和暗能量,希望这些路径最终将导致爱因斯坦梦想的实现。其他研究人员正试图在黑洞的极端领域测试广义相对论,从而在该理论中找到漏洞。而相对论最奇怪的后果之一——它为时间旅行引入的可能性——也可能为揭示更深层次的自然秘密提供途径。

最终,很明显,没有其他科学理论比广义相对论更重要,它塑造了20世纪物理学的进程,也没有其他科学家的遗产比爱因斯坦对21世纪的影响更大。在这个具有里程碑意义的周年纪念日,物理学界正在等待下一个广义相对论。我们需要另一个爱因斯坦。

*编者注(11/4/15):印刷版文章中的这句话在发布后进行了编辑。原文错误地声称爱因斯坦预测了光会弯曲,而不是弯曲多少,并且爱丁顿证实了前者现象,而不是后者。

大众科学杂志 第313卷 第3期本文最初以“爱因斯坦”为标题发表于大众科学杂志 第313卷 第3期 (), p. 32
doi:10.1038/scientificamerican0915-32
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