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爱因斯坦用狭义相对论改变了世人的世界观，然后用广义相对论再一次改变了世人的世界观。这样的事儿他做过好几次，也许征服物理学的世界，就是爱因斯坦唯一该做的事。  1915年爱因斯坦首次提出广义相对论的时候，他还给出了另一个预言：短期内不可能发现光偏折效应（实际上直到1919年才被爱丁顿在日全食的时候发现）。当时的科学家们既没有仪器也没有技术来测量这种极其细微的偏折效应。因此，爱因斯坦还声称时间在引力场中会流逝得更慢。 换句话说，太空中的时钟会比被地球引力束缚住的时钟走得更快一些。利用等效原理我们可以把引力看成是在外太空一架正在加速的电梯里所感受到的力。把一座时钟平放在电梯地板上，而你在电梯顶部观察。整个电梯是向上加速运动的。时钟表针反射的光传到位于电梯顶部的你的眼中时，你和电梯顶已经向上移动了一个距离。 为了模拟重力，电梯运动的速度会越来越快，光波的波峰到达电梯顶部的速率就慢了下来，也可以说，频率降低了。所以，在你看来，时钟就变慢了。  爱因斯坦告诉我们，正在加速电梯里感受到的力与在地球上感受到的引力是等效的，这就是等效原理。由此可以推断出，地球上的时钟要比自由漂浮在太空中的时钟走得慢。其他物理学家的理论都不曾预见过这种现象，我们自己也不曾注意到这个效应，是因为我们身体里的原子们也跟着慢了下来，我们只能通过比较才能知道。就像电影《星际穿越》里的情节，我已老去，而你归来，依旧还是那个少年。 广义相对论中提到大质量天体会弯曲周围的时空，在时空中会挖掘出“引力陷阱”，在光试图爬出这种陷阱的过程中，就会被拉伸。像蓝光或黄光这样短波长的光，会在向上爬的过程中被拉长，向电磁频谱的另一端移动，变得更红，这种效应就叫作引力红移。 地球和月球附近的引力红移效应太小了，直到1959年罗伯特·庞德与学生格伦·雷布卡一起，利用哈佛大学校园里的实验设备探测到了这种效应。他们在杰斐逊物理实验室测量了伽马射线从地面射向一个23米高的塔顶，和从塔顶射向地面这两种情况之间频率的细微差别。  到了20世纪70年代，引力红移测量的精确度已经达到了惊人的地步。哈佛大学史密松天体物理中心的罗伯特·维索特，将一台十分精准的氢迈射时钟送入了太空，用来比较与地面上同样的时钟频率之间的差别。这座41千克重的特制时钟每天只有十亿分之一秒的误差，大致相当于每300万年只差1秒。 1976年6月18日，一枚侦察兵D型运载火箭从弗吉尼亚西海岸的瓦罗普斯岛发射升空，火箭上就搭载着这种时钟。大约2小时后，火箭落入了百慕大以西1600千米远的大西洋中部区域。这次实验的最基本原理很简单，就是测量原子钟在被垂直送上10000千米的高空时以及下落过程中的振动情况。 最终的结果是，在10000千米的高空，地球引力已经微乎其微，原子钟确实跑得更快了一点，比地面上快了约4.5×10^-10。如果它在这样的轨道上运行73年的话，就会比地球上的原子钟快上1秒。这次实验的精确度在万分之一以内，比在哈佛校园里进行的引力红移实验精确了100倍。 相对论的发现之旅，即使在物理学家中都是绝无仅有的，这是一个充满爱因斯坦个人风格的探索。爱因斯坦总是想用一个“更一般”、或者说“更广义”的理论、用几个最基本的原则去统一描述看似完全不同的物理现象。只要你相信最初的原则是对的，那不管推导出来什么离奇的结果，你都只能接受。就算当时的实验条件验证不了，将来总有人可以验证。  有了广义相对论的引力场方程，爱因斯坦就要做一件有史以来气魄最大的事情：他要对整个宇宙求解。在广义相对论的视角下，宇宙无非就是物质和时空。那这么多天体放在这么广阔的时空中，它们在整体上会有一个什么样的行为呢？答案取决于这个宇宙中物质密度的大小。 弗里德曼以广义相对论为基础，预言了宇宙形状的三种解。如果宇宙中的物质比较密，那引力场就会比较强，整个大尺度时空的形状就会是蜷缩着的，用数学语言来说就是曲率是正的，好像一个球面。如果物质密度比较小，那引力场就会比较弱，时空的形状就是伸展开的，曲率为负，好像是个马鞍形。如果物质的密度不大不小，时空的形状就是在大尺度上是平直的，曲率正好等于0。不管怎么说，引力场方程解出来的宇宙时空都不会是静态的。 在当时，人们的宇宙观认为宇宙本身是永恒不变的，即使人可以有生有死、地球和太阳都可以毁灭，但宇宙不能这样。这一次，为了让结果符合传统的观念，爱因斯坦修改了自己的理论。他给引力场方程增加了一项，称为“宇宙常数”。虽然他也不知道宇宙常数有什么物理意义，这一项的存在只是为了提供一个静态的宇宙解！  十几年之后，天文学家哈勃在系统性地观测远方的星体之后，发现这些星体发出的光谱都有一个红移（这个红移并不是前面所说的引力红移，而是宇宙学红移）。也就是说，远方的星星都在远离我们。对此只有一个解释，那就是宇宙正在膨胀。宇宙真不是静态的！爱因斯坦后悔不已。他原本有机会提前算出来宇宙在膨胀，可是他手软了。爱因斯坦说，这是他一生最大的错误。可坚持就一定是对的吗？ 七十六岁这一年，爱因斯坦因为腹主动脉瘤破裂引起内出血，被送到医院。这不是什么疑难杂症，医生建议马上手术。但是爱因斯坦拒绝了。爱因斯坦说“当我想要离去的时候请让我离去，一味地延长生命是毫无意义的。我已经完成了我该做的。现在是该离去的时候了，我要优雅地离去。” 爱因斯坦就这样离开了，对于这个宇宙，他说：“上帝是不可捉摸的，但并无恶意。”  “科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于天文爱好者，此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们，这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新！ |
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