广义相对论

如果说狭义相对论确立了爱因斯坦伟大的科学家的地位，那么广义相对论则使他成为最伟大的科学家之一。据说世界上能弄懂广义相对论的人不超过 12 人（这种说法有点言过其实）。与狭义相对论相比，广义相对论更深奥、更简练，而且范围更广。狭义相对论重新规定了运动的定义，而广义相对论则重新规定了引力、空间和时间的定义，重新规定了宇宙的构造。

狭义相对论只适用于匀速运动，或恒速直线运动。它不适用于物体加速、减速、转弯等非匀速或加速运动。爱因斯坦想弄清楚这一点，还想搞清楚为什么相对论适用于一种运动而不适用于另一种运动？他像普通人那样，只是想找到简单的答案，结果一些例外现象使他困惑不解。后来，他用了 10 年时间对非匀速运动作了认真研究，终于在 1915 年创造了广义相对论。

引力和惯性

非匀速运动问题所产生的效果人们都能感受到。假如有两辆小汽车 A 和 B，它们以匀速相向运动，当它们会车的那一刻，很难说清楚是 A 在运动通过 B，还是 B 在运动通过 A。然而，当其中一辆车作非匀速运动，那么这辆车必定会加速、减速或者转弯，如果这辆车加速，则车里的乘客会向后仰；如果这辆车减速，则乘客会向前倾；如果转弯，则乘客会斜向一侧。这些加速结果表明运动是绝对的。相对论就这些内容吗？

这样说并不确切。物体被推、被拉或倒向一侧的现象就是惯性效应。在经典物理学中，惯性是物体对于物体上的作用力的阻力。物体作匀速运动时不会产生惯性效应。若不考虑摩擦力，物体将无穷地作匀速运动。投手诺兰·赖安在外层空间投出的时速为 98 英里的快球将会继续以这个速度运动下去。然而，如果给（比如弗兰克·托马斯挥动球棒猛击这个球）这个球加一外力，使球加速、减速或者转向，这时，惯性效应就会起作用；而球对这一外力会有阻力。车里的乘客后靠、前倾或者斜向一侧正是这种阻力的表现，这就是惯性效应。

惯性效应也见于其他方面。你是否提过一桶水让桶绕着竖圈旋转？当桶转到头顶上方桶口朝下桶底朝上的位置时，这时水本应流出来，但实际上只要继续让桶绕着竖圈旋转，桶里的水就不会流出来。桶里的水在桶的圆周运动（非匀速）作用下向外压，这种推力叫离心力，有了这种力桶内的水不至于流出来（对物理学家来说，事实上并不存在将水向外推的力，唯一真正存在的力是桶加在水上的力把水推向圆周轨迹的中心，让桶保持圆周运动。然而，对水来说，离心力或者外向力是客观存在的，而且对我们来说确实很有用）。这种离心力的作用像引力，但这种力的作用方向由中心向外部而不是由外向中心。它是一种惯性效应。

再举一个惯性效应的例子，设想有人在没有引力作用的太空中的一部电梯里（图 1 给出电梯的加速的方向），电梯向上作加速运动，结果，将这个人往电梯底面压去，这是一种惯性效应。这种惯性效应好像引力一样将人往下拉。人可从电梯底面跳起再落下，人有重量，这个重量就是引力

在身体上的作用力。如果这部电梯以 32 英尺/秒 2（9.8 米/秒 2）的加速度加速，那么惯性效应就和作用在地球表面上或接近地球表面的电梯的地球引力相同（地球表面附近的物体以 32 英尺/秒 2 的加速度落下）。

爱因斯坦断定既然惯性效应和引力给人以同样的感觉，那么它们是相同的作用力。引力和惯性是同一种作用力的两种说法，两种力是等效的。因此，可以说电梯并不是穿过宇宙上升，并对电梯内的乘客产生一种惯性效应，而是宇宙向下运动并经过电梯，从而产生一种引力效应（既然电梯不运动，就不能将这种效应称作惯性）。这是语义学措词问题。让我们再以对开的两辆小汽车 A 和 B 为例，如果 A 车内的乘客感受到惯性效应（例如迫使乘客后靠），但 B 车内的乘客没有感受到惯性效应，这只是意味着A 车相对于宇宙而运动，B 车却没有。这并不能说明 A 车绝对运动。一切运动，无论是匀速运动还是非匀速运动，都是相对的，而且都可用同一组方程表示。不能将惯性效应用作衡量绝对运动的参考系。

空间和时间

广义相对论提供了认识引力的新途径，同时也提供了认识空间和时间的新途径。在经典物理学中，空间是三维的。观察三维空间的最简单的方法是想象出一个盒子。测量盒子的宽度、高度和深度可得到盒子的尺寸。其中测量的每一项都代表三轴或三维空间的一轴或一维。盒子内或者空间中的任何一个位置都可以用三轴表示。在这样的体系中，确实不存在第四维空间。在数学图形中，数学家可以创造四维、五维甚至更多维的空间，但这些空间在现实世界中不存在。然而，在爱因斯坦的宇宙观中存在四维空间，而且这个空间确实存在。他的第四维不属于空间范畴，而属于时间范畴。他推出的宇宙强调时空关系。爱因斯坦认为，时间和空间不可分，它们是宇宙的结构，这个宇宙叫时空（实际上，波兰数学家赫尔曼·明科夫斯基首先在数学上描述了时间作为第四维空间的概念，爱因斯坦继续并发展了明科夫斯基的成果）。

将四维空间的任何事物概念化其难度很大。将第四维称作时间，以代替空间的另一维并非真的有用。为了更加直观，设想空间结构是两维的，时间为第三维。那么时空宇宙的多维同样也可以用一个盒子来表示（见图2）。如果一个物体静止在空间不运动，但却在时间这一维里运动，如图 2 中箭头 A 所示。这个物体在空间也作匀速运动，图 2 中用一条带箭头的直线 B 表示，非匀速运动以一条带箭头的曲线 C（为便于辨认用虚线表示）表示，这些在时空中的运动表示法就是所谓的世界线。

爱因斯坦及其“相对论”能解释一些狭义相对论现象，例如根据时空概念可以解释诸如长度缩短和时间减慢等现象。既然空间和时间独立存在而又不是绝对的事物，因此，一项可相当于另一项而变化。马丁·加德纳在他撰写的令人大开眼界的《相对论大爆炸》书中，用了一个很有趣的比拟：把一本书立在光的前面，将其阴影投射到墙上，转动该书将改变其阴影的形状。加德纳说：“把书放在某个位置上，其阴影是一个宽大的矩形，放在另一个位置时，则其阴影是一个细窄的矩形。”

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当然，这本书无论大小和形状都不会变化，只是其投影发生了变化。

加德纳指出：“同样道理，一个观察者根据自身相对于一个四维结构的运动来观测有着不同投影的这个四维结构（例如一个宇宙飞船）。在某些情况下，投影显示空间较多，而显示时间较少，而在其他情况下，显示空间较少，显示时间较多也是对的。”投影变化正如轮船在时空中“转动”，或者改变其相对运动那样，投影有变化则表明投影本身是一种相对现象，例如像长度的缩短或者时间的减慢现象。

时空弯曲

在经典物理学中，引力是一种力，在接近引力的物体上作用一个推力。在这种推力的作用下，雨滴落到地面上，行星绕太阳公转。众所周知，相对论研究人员可摈弃传统的方式来研究引力。爱因斯坦认为，引力并不是一种力而是一种效应。引力并不会让物体运动，引力将空间或者时空弯曲。物体质量越大，其引力也越大，其弯曲时空的能力也越大。某颗行星不绕太阳作圆周运动是由于太阳作用在这颗行星上，让这颗行星沿椭圆轨道绕太阳运动，但由于太阳周围的时空以这种方式弯曲，所以沿着世界线运动的行星就围绕太阳沿椭圆轨道运行。相对论研究人员常用《相对论大爆炸》一书中所用的下述比拟将这一概念具体化。

设想有一块橡胶床单伸展成一张蹦床那样，把一个柚子（太阳）放在这块床单上就会呈现一个凹地，把一颗弹子球（行星之一）放在柚子附近，这块弹子球就会滚向柚子，柚子并没有“吸引”弹子球，相反，柚子产生了一个凹区使弹子球滚向柚子，最后围绕着柚子呈成一个椭圆轨道。用爱因斯坦的话来说：“空间决定物体如何运动，物体决定空间如何弯曲。”

最后还要说明一点：随着引力造成时空弯曲或翘曲，不仅可见某物体的路径在将该物体投射到空间维时发生变化，而且可见的时间消逝在将该物体投射到时间维时发生变化。引力增加时，时间减慢。

广义相对论是真的吗？

在爱因斯坦提出他的广义相对论后的几年时间里，物理学家怀疑其真实性。狭义相对论的证据很多，这些证据包括：光的恒速，物体质量随其加速而增加，时间膨胀，根据 E＝mc2 方程式，质量和能量之间的相互转换

——所有这些通过无可置疑的实验得到证实。但是广义相对论却让科学实验人员感到如同作恶梦一般。引用米什内尔、索恩和惠勒 3 人合著的《引力作用》一书中的话来说：“还没有哪一种理论，其完善程度与检验难度可超过广义相对论的。”

1919 年发生了一次日全食，在这个过程中作了一次重要的检验。广义相对论提出，时空弯曲时出现一个强有力的引力场，结果使靠近这个引力场通过的一束光偏转。太阳产生了一个相当强有力的引力场，用通过太阳附近而达到地球的星光来研究偏转现象。必须要有日全食，否则，太阳晃眼的强光会使微弱的星光完全失色。当时在日全食发生前作过许多宣传，爱因斯坦的名声及其广义相对论的命运未卜。检验的结果是人们普遍接受了爱因斯坦的预测。星光略有折射这一点与他的预测大致相符。

对爱因斯坦广义相对论的另一次检验是精确测定绕太阳运行的水星轨

道。水星轨道存在一个小问题。水星并没有沿经典物理学家所预测的轨道精确运行。在将太阳和其他行星对水星所产生的引力效应列入经典力学公式计算时，水星轨道的方向本应发生很小的变化——轨道方向的变化，一个世纪为 1 度的七分之一。然而，水星轨道方向的变化有点快，天文学家推测可能有一颗尚未发现的行星在水星轨道内运行，这颗行星存在的引力可对这种差异作出解释。他们甚至给这颗行星起名为祝融星（这颗行星以前叫“牛车星”）。在 19 世纪后叶，出现了寻找“祝融星”热，但是一直没有发现。在爱因斯坦提出广义相对论以前，水星的轨道不规则现象一直是个谜。爱因斯坦的广义相对论解决了这个问题。这种额外的引力并不是来自水星轨道内的另一颗行星，而是来自太阳本身。用艾萨克·阿西莫夫撰写的《不存在的行星》一文中的一段话来说：

太阳具有巨大的引力场，这意味着拥有大量的能量，这些能量和某种少得多的质量是等效的，请记住，根据 E=mc2 方程式，能量和质量可以相互转换，既然所有的质量都可产生一个引力场，那么在将太阳的引力场看作质量时，它自身肯定会产生一个小引力场。

造成时空弯曲的这个较小的额外引力场正好解释了从水星上观察到的轨道和牛顿推断的轨道之间的差异。

前面已经谈到，广义相对论也认为引力造成时间减慢。引力场越强，时间减慢得越多。通过利用计时精度很高的原子钟，科学家们已测出时间减慢多少。事实上，在珠穆朗玛峰峰顶（引力较弱）上时钟每小时滴答的速度比在海平面（引力较强）上时钟滴答的速度快 1 秒的十亿分之三。在星际空间（没有引力），时钟滴答的速度更快。

时间减慢还产生光谱移向红端的效应（称之为红移），这种位移对诸如太阳之类的星体来说肯定很小。和质量较小的星体相比，太阳的引力大得多，但不如引力得到的红移那么大。1962 年精确地确定了太阳的红移。无疑广义相对论得到了证实，而且已成为科学思维不可缺少的一部

分。

黑洞、重力波和引力透镜

广义相对论预测到或解释了一些可从现实世界证实的其他现象。在这些预测中，最不可思议的现象是黑洞。众所周知，广义相对论假定引力造成时空弯曲，这种弯曲造成物质乃至能量（例如光）沿一条曲线轨道向引力场中心传输（在牛顿物理学中，引力对能量不产生影响）。这种弯曲对物质来说可能影响很大，但对能量来说则影响极小。一束光在接近一颗行星或太阳乃至比太阳质量大几倍的星体旁通过时，这束光将会产生微弱的弯曲或偏斜。当物质密度增加至形成一个密度足够大的引力场，同时造成时空严重弯曲以至于光不仅向引力场中心弯曲，在进入引力场后不至于从引力场逃逸（黑洞由此得名）。光将不会偏转，但将被吸进一种无底漏斗里；在这个无底漏斗里，所有的物质和能量都将盘旋降到⋯⋯谁知道降到哪儿？进入黑洞的物质的速度将加快到光速而且将密度挤压到无穷大，将时间减慢直至停止。多么不可思议的现象！

这种不可思议的现象真的存在吗？天文学家确信它们存在，黑洞现象

于 1994 年 5 月 25 日星期三得到证实。当时，科学家利用哈勃空间望远镜在距地球 5000 万光年远的银河系中心发现了一个名叫 M87 的很强的引力场。我们知道它是一个黑洞，因为它持续存在一个热气体旋涡，只有黑洞引力才有这种旋涡。尽管证据有说服力，但却是间接的证据：光和其他辐射都不可能从黑洞中逃逸并把存在黑洞的信息传送给人类。

还有其他间接证据可以证明黑洞的存在，在进入有去无回点之前（叫视界或史瓦西半径），据说物质将以很强的 X 射线辐射的方式发射能量。存在多个很强的 X 射线发射体，天文学家推测它们是黑洞。他们相信多数大银河系的高能中心可能都是黑洞（他们吃不准我们自身的银河系的能量，这种能量很小而且很平稳）。

探测重力波可得到关于黑洞的更多的直接证据，重力波是爱因斯坦广义相对论的一项引人注目的预测。它是时空结构中的波动，是由引力能量造成的。它们从发源地沿各方向向外运动，这些发源地可以是严重干扰或弯曲时空的物质。黑洞造成时空极其严重的弯曲，并且应当以可测量和可辨别的特征来传送重力波。

实际上已探测到重力波了吗？答案是否定的。自从 20 世纪 60 年代中叶以来人们就一直设计一系列煞费苦心的重力波实验，而且还制造了探测器，但迄今尚未得到确定的结果。

引力透镜与重力波相比还根本称不上理论，但确实存在引力透镜。引力透镜于 1979 年发现，是广义相对论的成就之一。很简单，它们是质量大量聚集所造成的时空弯曲。银河系产生了引力透镜。无法“看见”的物质叫“不可见物质”，因为它不产生或反射任何光或者其他辐射，因而形成引力透镜。这样的透镜可把来自背景星、银河或类星体的光分成两个、三个甚至四个分立的图像，它们可以把银河的形状畸变成不可思议的光弧或光环。

引力透镜有许多潜在的用途。据说宇宙的物质可成为看不见的有 99% 之多。但是看不见的物质的引力效应（例如，它作为引力透镜时）有助于科学家证实这种物质的存在，而且可以计算出它的质量。了解有多少物质可帮助我们决定宇宙的命运。宇宙会永远扩大吗？或者宇宙是否会停止扩展并缩成一个超密点？

广义相对论的很多内容都为牛顿的看法及其力学定律和引力定律作了佐证，相对论中有许多理论已超越牛顿的力学定律与引力定律的范围并以一种崭新的、不同的方法观察宇宙。难怪爱因斯坦的成就促使他在生命的最后时刻写道：“牛顿，请原谅我！”然而，没有必要说原谅。牛顿谈到他本人取得的引人注目的成就时说：“如果说我看得远一点⋯⋯是因为我站在巨人的肩上。”因此，爱因斯坦站在科学界最伟大的巨人的肩上。

（李向阳译）