爱因斯坦在我们的心目中是一个敢于接受新事物、和勇于挑战未知的科学家，他的伟大成就刷新了人们固有的直觉，但在有些问题上也跟牛顿一样犯了同样的错误。 今天就说下，广义相对论的伟大成功，以及它如何为我们揭示了一个充满“活力”的动态宇宙。  广义相对论的预测与成功广义相对论让人类的宇宙观经历了一次革命。在我们日常生活的经验中，空间的坐标体系是恒定的，时间的流逝也是连续而一致的，广义相对论的命题颠覆了我们的这些经验。正因为这个理论具有强烈的“反直觉”特征，所以哪怕是在它诞生一百年之后的今天，它也是一个最频繁地受到质疑和挑战的理论。  许多人使用了遍及当代科学各个门类的知识，将广义相对论翻过来掉过去地一遍遍“拷问”着。固然，广义相对论不但能完成牛顿引力理论所能完成的一切，还可以解释牛顿理论解释不了的行星轨道进动状况，并且预言了星光经过太阳边缘时会拐弯的现象且得到了观测的证实，但是它也带来了许多新的、有待观测和实验去检查的其他推论。  如果要我们心悦诚服地按这个新的框架去理解宇宙的运行，就必须让我们百分之百地相信它是正确的！爱因斯坦自己用广义相对论做出的最后一个预言是：当光子向引力场更强的区域运动时，其能量会增加；相反，光子要想从引力场较强的地方逃逸出来，就必须损失一些能量。  这种能量的增益或损失，会反映在光子自身的波长变化上：当光子携带的能量增加时，它的波长会减短，频率会升高，即颜色变得更偏蓝；而当光子损失能量后，它的波长会增加，频率会降低，即颜色变得更偏红。该预言中的这两种现象，分别称为“引力蓝移”和“引力红移”。  爱因斯坦在有生之年并未看到该预言被成功证实，不过，1959年的“庞德一雷布卡（Pound-Rebka）实验”干净利落地彻底验证了这一点。这就要说到原子内部的运行机制。电子绕着原子核运转，其状态有“基态”和“激发态”。电子的这两种状态之间的转换，只有在得到或失去特定数量的能量之时才会发生。  这就意味着特定的原子可以吸收或释放特定波长的光子。假定某个原子可以释放出一种特定波长的光子，那么只要这个光子在传播过程中波长保持不变，另一个与之相同的原子就应该可以完全吸收掉这个光子。但是，如果这个光子的波长受到引力场变化的影响发生了上述偏移现象，则它就应该不能被后一个原子吸收。  所以，爱因斯坦的相关预言可以这样来验证：让前一个原子处于地面附近，后一个原子处于离地面更高的地方，则后者所在位置的时空弯曲程度就应该小于地面附近。不用多说，后者无法吸收前者释放出的光子。不过，假如前者释放光子时正在以某个特定的速度运动，则其释放的光子的波长也会受到运动效应（如多普勒效应）的影响而改变，其结果可能导致我们观察不到爱因斯坦预测的波长变化。  令人赞叹的是，利用发现于1958 年的“穆斯堡尔效应”的相关技术，实验物理学家成功地抵消了光子发生的这种频移，让接收端的原子得以成功地吸收掉了光子。这也就精确地证明了广义相对论做出的相关预言是对的，其预测的频移幅度与在实验中看到的是相符的。  从爱因斯坦的时代开始，与广义相对论有关的许多很精微的效应陆续被预言出来，如光子在掠过大质量物体时会相对迟滞，这称作“夏皮罗（Shapiro）时延效应”，太阳系各大行星的雷达波反射情况可以验证它。目前，验证这个效应的最佳实验结果来自环绕土星运行的“卡西尼”探测器，其数据与广义相对论预测值之间的偏差小到只有0.002%，令人称奇。  其他常见的预言还有 GPS卫星的时间延迟、夜空中群星实际位置与所见位置的微小偏差、对在引力场内旋转或移动的设备所做的相对论性校正、在近距离内相互绕转的大质量天体呈现出的引力衰减等。当然，要说最为壮观的一个相关预言，那还得说是因极远天体的光线被挡在它前面的天体所折弯而生成的奇景——引力透镜。  所有这些预言都已经被实验或观测确凿地证实了，而且，目前除了广义相对论，没有其他任何一个科学理论能严谨地解释上述全部现象。广义相对论这一以“时空”及其弯曲为特色、统摄着物质和能量的理论，可以被认为是描述宇宙的物理机制、解释引力现象的最佳理论。 说到底，这些知识对我们的宇宙观到底有何意义呢？要知道，在广义相对论诞生的时代，人们还从未听说过宇宙岛、大爆炸、暴胀宇宙等词语。在当时人们的眼中，众多的恒星，以及星云、星团这些深空天体，就如同我们看到的那样，差不多是均匀地散布在一个广大的宇宙空间中的，仅此而已。 不过，如果用牛顿理论的旧框架来看，这种宇宙观念并非无懈可击。例如，假定众多恒星是差不多均匀地分布在宇宙空间里的，那么根据牛顿的定律，这并不是一个能够持续稳定下去的状态，由于这种引力分布格局中必然存在某些微小的不均匀，那么只需要几千年的时间，就会有一些彼此距离很近的恒星通过引力而明显变得更近，由此形成许多团块状的结构，同时剩下许多空荡荡的星际空间。 然而我们看到的事实却是，虽然确有不少恒星聚集成团块状，但像我们的太阳这样单颗存在、不与其他恒星成团的恒星却更加常见。简言而之，一个各向同性的、均匀的宇宙，按牛顿的引力理论推算，必然是不稳定的。 说到这里，你可能会立刻想到：既然牛顿理论不能破解的许多难题都可以被广义相对论所征服，那么这个问题是不是也可以用广义相对论来搞定呢？可惜的是，如果使用广义相对论去解答，则这个问题非但不能被解决，还会变得更加难缠！在爱因斯坦提出的这个框架中，不论你设定宇宙中的物质有什么样的初始分布，它们都不会稳定下去，都难以逃脱在引力之下发生坍缩的宿命。 也就是说，众多星体不论分布成球状、方块状、栅格状还是随便什么奇怪的形状，无一例外都会最终汇聚到一起。由于这一塌缩现象的速度通常较慢（也不全都很慢），明显低于光速，所以你可以算出这个坍缩过程将在多长时间后完成。不止如此，按照广义相对论的计算，宇宙中所有的物质在汇聚成一个大圆球之后还不算完，它们最终将形成一个“黑洞”！ 很明显，宇宙的实际情况跟这种设想不太一样。爱因斯坦当然也不傻，他也觉得如果做出这种预言就太荒谬了，所以他必须解释一下到底是什么力量在抗衡着这种坍缩。 他给出的“答案”是这样的：存在一种能量，其影响力可以叫作“宇宙常数”，它的力量正好抵消了引力的作用。那么为什么会有“宇宙常数”呢？爱因斯坦只是说，这是“时空”自身天然具有的一种性质。如果我们把这个常数改小一点去算，那么前述的坍缩结局就依然无法避免；而如果把这个常数设大一点去算，那么就会算出宇宙中所有星球都在四散远去，最终会把我们留在一片孤寂之中。 幸亏这个常数在我们的宇宙里恰好与引力取得了平衡，才会有我们这些生活在稳定的物质世界中，整天问这问那，而且不用担心被挤成黑洞或被遗落成孤岛的人类。 这种解决方式，离不开那个既不许增加也不许减少的特定数值——只要不承认那个数值，宇宙就会重新回到灾难之中。对于只能以这种方式去“解决”的问题，我们可以统称为“精细调节问题”(fine-tuning problem）。这类问题的“答案”，总是让人在各种意义上觉得挺“别扭”的。试想，假如当初宇宙中某两个天体的位置与实际情况稍有差别，原有的宇宙常数就无法再保证宇宙的稳定了，就得调整数值。 不过，在接下去的几年里，也没有出现比这更好一点的回答。人们想，或许宇宙中的物质就是这样正巧以比较均匀的状态分布着，而且正巧还没有坍缩成一个巨型黑洞吧。 但是，不等时间进入20世纪30年代，就出现了一个更为可取、更接近正确的回答：如果将弗里德曼( Alexander Friedmann)、勒梅特( Georges Lemaitre)、罗伯森( HowardPercy Robertson）、沃克尔（Arthur Geoffrey Waker）四位理论家各自独立工作的成果结合起来，就会意识到宇宙常数或许不存在，而宇宙有可能在随着时间的流逝而不断膨胀。 他们不仅说明了可能没有什么向外的“时空能量”正好和引力作用相平衡，还提醒我们“时空”本身是可以膨胀或收缩的。无论单独看这四人中哪一个给出的回答，都会隐隐感受到一个动态的、有活力的宇宙。至于各向同性的均匀宇宙模型，此时已经显得落伍了。 在60年代，由哈勃通过对遥远星系的观察，结合距离与星光红移之间的关系，发现了宇宙正在膨胀，这也验证了在广义相对论下对一个动态宇宙的猜测。而爱因斯坦面临这个宇宙学跨时代发现的问题上，却没有表现出他之前的风格。如果爱因斯坦能再一次灵光乍现，坚持认为宇宙必须膨胀，不然就无法稳定的存在的话，估计又会是一次诺贝尔奖。 |
|
|
