愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言，巨大的物體會扭曲它們周圍的時空。而美國宇航局的重力探測器B發(fā)現(xiàn)，地球周圍的時空確實被我們地球所彎曲，并被地球的旋轉(zhuǎn)運動所扭曲。來源：NASA排名點擊器

阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論在問世一個世紀(jì)后，仍然經(jīng)受得住時間的考驗。

愛因斯坦于1915年發(fā)表的這一著名理論，至今仍是科學(xué)家們理解宇宙起源和進(jìn)化的基石。它繼續(xù)激發(fā)著人們?nèi)パ芯课锢韺W(xué)和天文學(xué)中的一些最基本的未解之謎。

來自斯坦福大學(xué)卡弗里粒子天體物理和宇宙學(xué)研究所的羅杰·布蘭德福德說:“我認(rèn)為廣義相對論現(xiàn)在被普遍接受為我們用于描述宇宙的基礎(chǔ)(即我們稱之為宇宙學(xué)的學(xué)科);黑洞、中子星以及我們的太陽系中的行星和宇宙飛船的微小軌道修正都是如此。”

引力的性質(zhì)

廣義相對論將引力添加到愛因斯坦1905年發(fā)表的狹義相對論中。狹義相對論假定所有非加速觀察者的物理定律都是相同的;即使觀察者或光源在運動，真空中的光速也不會改變。

狹義相對論在歷史上最著名的方程式E = mc2中也闡明了能量和質(zhì)量之間的關(guān)系。(“E”是能量;“m”是質(zhì)量，“c”是真空中的光速——大約6.71億英里每小時，或10.8億公里每小時)。該理論還將空間和時間統(tǒng)一為一個四維的“時空”。

廣義相對論對后一種觀點進(jìn)行了擴(kuò)展，該理論解釋說物質(zhì)會扭曲時空，就像放在床上的保齡球會在床單上造成凹陷一樣。但這并不是愛因斯坦拍一拍后腦勺就想到的，在經(jīng)過了10多年的高強(qiáng)度思考和努力之后他才最終想到這一非凡的洞見。

布蘭德福德說：“他不得不收回某些觀點。他提出了一些觀點，但后來又會收回，不過他一直在前進(jìn)的道路上，”引導(dǎo)他的不是數(shù)學(xué)思想或數(shù)學(xué)技巧，對他引導(dǎo)最大的是他的物理直覺，他的這種異常強(qiáng)大的物理直覺在過去對他很有幫助，也沒有讓他失望。”

相比于把引力認(rèn)為是一種作用于物體上的固有力，廣義相對論將引力描述為時空彎曲的結(jié)果。(想象一下，一個球從保齡球在床上造成的斜坡上滾下來。)

布蘭德福德在3月5日發(fā)表在《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上的一篇特別評論文章中寫道，這是一個強(qiáng)而有力的、并且非常激進(jìn)的想法，但它已經(jīng)經(jīng)受住了近一個世紀(jì)的嚴(yán)格審查。

多方確認(rèn)

廣義相對論預(yù)測，光在經(jīng)過一個巨大物體(比如星系團(tuán))的時候會走出一條彎曲的路徑，因為星團(tuán)會極大地扭曲時空結(jié)構(gòu)。

這一點也確實被科學(xué)家們所觀察到;天文學(xué)家經(jīng)常使用“引力透鏡”來研究遙遠(yuǎn)的光源。事實上，在更小的宇宙范圍內(nèi)，這種現(xiàn)象甚至幫助了行星獵人尋找太陽系以外的外星世界。(有時候通過研究系外行星的恒星系統(tǒng)如何彎曲來自背景天體的光，我們就可以發(fā)現(xiàn)系外行星。)

水星繞日軌道的特殊性也支持著廣義相對論。

布蘭德福德在科學(xué)評論文章中寫道:“廣義相對論解釋了水星在近日點的異常旋進(jìn)?！睈垡蛩固褂脧V義相對論解釋了由于其他行星的引力而導(dǎo)致水星進(jìn)動有10%左右的差異，大約每世紀(jì)43弧秒?！?/p>

布蘭德福德說，其他類型的觀測證據(jù)也幫助廣義相對論站穩(wěn)了腳跟。

他說：“我們已經(jīng)用許多不同的方式進(jìn)行了測試，我認(rèn)為，公平地說，目前還沒有可靠的測量或觀察結(jié)果會讓人懷疑廣義相對論的適用性?！?/p>

黑暗的宇宙

普林斯頓大學(xué)的大衛(wèi)·斯佩格爾(David Spergel)在同一期《科學(xué)》雜志上發(fā)表的另一篇評論文章中寫道，廣義相對論還暗示，宇宙的絕大部分都是由人類無法直接探測到的物質(zhì)構(gòu)成的，人類甚至(或者現(xiàn)在還)無法理解這些物質(zhì)。

斯佩格爾指出，通過對宇宙中物質(zhì)和光的運動進(jìn)行仔細(xì)研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)只用“正常”的物質(zhì)無法解釋時空的曲率模式。事實上，觀察表明，宇宙中只有5%是我們熟悉的原子物質(zhì)，其余25%是暗物質(zhì)，大約有70%是暗能量。

暗物質(zhì)既不發(fā)光也不吸收光，我們只有通過其引力效應(yīng)才能知道其存在。而暗能量是一種與真空有關(guān)的神秘力量，它被認(rèn)為是宇宙加速膨脹的原因。

1917年，愛因斯坦在廣義相對論中加入了一個名為“宇宙常數(shù)”的術(shù)語，這個“宇宙常數(shù)”作為一種排斥力會抵消引力，以實現(xiàn)一個靜態(tài)的宇宙(這是當(dāng)時對宇宙本質(zhì)的主流看法)。1929年，天文學(xué)家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)的觀測結(jié)果顯示，宇宙實際上正在膨脹，這一著名發(fā)現(xiàn)使愛因斯坦放棄了“宇宙常數(shù)”，據(jù)稱他認(rèn)為這是他一生中“最大的敗筆”。

但是當(dāng)現(xiàn)在天文學(xué)家們正在努力研究暗能量的本質(zhì)時，這個“宇宙常數(shù)”看起來很有先見之明。

“為什么宇宙在加速膨脹?最被研究得最多的可能性是宇宙常數(shù)(或者說是真空空間的真空能量)正在驅(qū)動宇宙加速膨脹，”斯佩格爾在《科學(xué)》雜志的文章中寫道，“另一種可能性是宇宙中存在一個不斷演化的標(biāo)量場，它充滿了太空(就像希格斯場或推動宇宙早期快速膨脹的膨脹場)。這兩種可能性都集中在‘暗能量’中?！?/p>

“因為所有暗能量的證據(jù)都使用廣義相對論來解釋我們對宇宙膨脹和進(jìn)化的觀察，所以另一個結(jié)論是，我們需要一個新的引力理論來解釋這些觀察，”他補(bǔ)充道，“可能性包括具有額外維度的修正引力理論。”

未來

布蘭德福德說，廣義相對論應(yīng)該會在相當(dāng)長的未來里繼續(xù)影響物理學(xué)家、宇宙學(xué)家和天文學(xué)家的學(xué)術(shù)研究。

例如，研究人員將繼續(xù)使用這一理論來更好地理解黑洞、中子星以及其他天體和現(xiàn)象?？茖W(xué)家們還將繼續(xù)探索暗能量和暗物質(zhì)的本質(zhì)，努力在最廣的尺度上理解宇宙。

最后，或許也是最令人興奮的是，研究人員將繼續(xù)努力嘗試把廣義相對論與量子力學(xué)統(tǒng)一起來，把最大的世界和最小的世界結(jié)合起來。到目前為止，雖然物理學(xué)家們還沒有找到這種偉大而誘人的“萬物理論”，但布蘭德福德表示，他認(rèn)為這是可以實現(xiàn)的。

他說：“科學(xué)家們有很多令人興奮的想法，我是一個樂觀主義者，希望我的同事們能取得成功?！?/p>