爱因斯坦对时间和空间的理解

我们所居住的地球是一个充满蓝色和绿色的美丽星球。但是,在从太空中得到第一张地球图片之前很久,古希腊人就已经令人吃惊地意识到,地球表面其实是弯曲的(他们甚至测量出了地球的周长)——我们居住在一个巨大的球面上。

而接下来对天体的详细观察,为我们的世界观带来了一个更为剧烈的修正。对夜空中其他可见行星的观测,一直以来都是天文学研究的主要内容。但随着观测的深入,我们发现地球只是这些行星中的普通一员。地球和它的姊妹行星一起,在各自的轨道上绕太阳旋转,因此它并不具备宇宙中心的任何特权。随着对银河系的进一步观测,不断有新恒星(巨大天球上的固定光点)出现在我们的视野中,而宇宙边界也在不断地向外扩张。

在20世纪初,这个充满恒星的宇宙模型囊括了所有我们已知的事物。我们那时还不知道,银河系其实只是可测宇宙中数千万星系中的一员。更为重要的是,我们还没有将时间包括在对宇宙的描述中。

1915年,爱因斯坦开创了广义相对论,并由此完成了他对宇宙的描述。在他的理论中,时间和空间并不是宇宙中单纯的背景和舞台;相反,它们在宇宙的每个动作中都是主要的参与者。他提出用新的方程来描述空间的几何特征以及光和质量在运行过程中可能发生的偏转。这些方程改变了时间和空间的角色——宇宙有可能是随时间演化的。这个由爱因斯坦新理论给出的难以置信的预言,甚至连他本人都无法接受。

在上帝对宇宙的策划中,时间永远是一个关键的角色。曾几何时,我们一直认为时间的作用是周期性的,它可以描述四季的更替或预言行星的绕行位置。但是,作为新理论的基石,爱因斯坦给出的方程却明白无误地为我们展示了一个不断演化的宇宙。从我们所知所见所感的宇宙出发,时空会发生连续的膨胀或收缩。宇宙有过去,也会有将来,而这二者都将显著区别于它现在的状态。

这一惊人的结论促使爱因斯坦在他的方程中增加了一项“宇宙常数”(cosmological constant),并依靠这个人为的参数平衡时间的影响,从而将宇宙维持在一个静止的状态——既不膨胀也不收缩。提出这一套数学把戏的目的,仅仅是因为人们主观上乐于相信宇宙是静止的。

正是由于这个恒定常数的加入,爱因斯坦错失了预言宇宙膨胀的机会,而这正是他对空间和时间新领悟的最重大的预言之一。更为严重的是,之后的研究显示爱因斯坦给出的这个解甚至是不稳定的。加入一个宇宙常数确实可以制造出一个静态的宇宙——但是任何微小的干扰和变化,都会使宇宙偏离平衡点,并发生不可避免的膨胀或塌缩。这就像把一支铅笔笔尖朝下立在桌面上——虽然理论上可以做到,但在实际中铅笔总会很快倒下。

幸运的是,广义相对论还做出了几个和宇宙常数无关的关键性预言。爱因斯坦新理论的第一个成功来自于他对水星轨道的演算。在他之前,学术界从牛顿物理学出发的种种计算,都不能解释我们对水星——这个距离太阳最近的行星——轨道的详细观测。在水星每次绕太阳旋转的旅途中,最接近太阳的点(近日点)都会发生进动——这一圈轨道会比上一圈向前移动一点。利用广义相对论,爱因斯坦得到的水星轨道和观测结果达到了完美的一致。在爱因斯坦将结果与数据进行比较时,他经历了“迄今为止,甚至是整个一生中,在科学工作中最激动人心的时刻”,并由此确定了新引力理论的重要意义。

最终将广义相对论迅速提升到科学界和公众面前的,是另一个截然不同的伟大发现。一个新理论的成功,不仅依赖于它对现有数据的解释(例如水星轨道),我们还要求它能超出已知的现象并提出新的预言。广义相对论对已知宇宙模型的革命性改变发生在1919年。当阿瑟·埃丁顿(Arthur Eddington)爵士领导的日食观测行动成功地证实了其中一个主要预言时——一个大质量物体对光的弯曲作用——我们的宇宙观从此被永远地改写了。

广义相对论虽然是一个复杂的理论,但它的美却在于简单的基本前提:质量和能量能够扭曲时空;扭曲的时空又反过来决定质量和能量的运动。

在这里,我们将质量和能量放在一起讨论,是因为它们实际上是同一事物的不同化身;一个静止物体(例如石头)的能量就是它的质量;一个移动物体的能量就是其质量和动能的总和。对于没有质量的光来讲,其总能量只包含单纯的动能。另外,能量还可以在各种形式间相互转化。

在成功地经受住了各种实验和观测的考验之后,广义相对论的关键思想已经为我们所掌握,包括:

质量和能量会扭曲时空。

扭曲时空中的物体将沿“最短路径”运动。

在扭曲的空间中,最短路径不再是一条直线。

光总是沿着最短路径传播,因此光在空间中将沿弯曲的路径前进。

除此之外,广义相对论也给出了一些有关宇宙整体的新奇论断。由于空间和时间会因为质量和能量的存在而发生变化,所以整个宇宙(即全部时空)也会受到其所包含的质量和能量的影响。简而言之,广义相对论认为:

宇宙在整体上将是膨胀或收缩的。

宇宙的演化历史——它随时间膨胀或收缩的过程——取决于它的成分。

狭义相对论只是相对论理论的简化版本,爱因斯坦在这一版本中完全忽略了会使事情复杂化的引力作用。(物理学家们热衷于在理论发展的初期,将困难的部分略去,然后再逐渐加入。)在加入对引力的描述后,这一理论的扩展版自然地被称为广义相对论。这个完整的理论,正是我们了解宇宙的关键一环。