最美的理论(上篇)

·一个世纪前,爱因斯坦改变了人类观察宇宙的方式。直到现在,他的研究仍能带给我们新的发现。

“阿尔佛雷德,它在旋转。”罗伊 克尔,这位新西兰出生的,快三十岁的物理学家在半个小时内一根烟接一根的抽着,原来正在解决一个棘手的数学问题。阿尔佛雷德席尔德,他在德克萨斯大学新建立的相对论中心的老板,也坐在旁边注视着他。现在,打破了沉寂,克尔放下铅笔。他一直寻找爱因斯坦广义相对理论公式的一个新的解法,现在,从他的数字和符号中,至少可以准确的描述时空(公式描述的四维宇宙纤维:Universal Fabric)如何被包裹在一个旋转的球中。他已经找到了梦寐以求的答案。

这发生在1962年,广义相对论已经发表了将近半个世纪。习惯上认为它是人类智慧最高的成就之一。而且也是智力停滞不前的一个方面。数学上,它是复杂的,而且和现实世界那些简单的模型鲜有相关,因此人们并未广泛研究。克尔旋转解法改变了这个现状。非常漂亮的,把宇宙中所有的事物在不同比率下,都是这个系统的一部分,新的解法下和现实的世界有了关联,相比以前在这领域的不足,这是非常了不起的一点。它以一个理论基础,在科学上理解了一个奇异的物体,不久大众就它着迷:黑洞。

1915年11月,在普鲁士科学院的四堂课中,提出了广义相对论;随后在12月2号发表。起先,这个理论阐述并未引起人们的注意,不同于量子理论,这是二十世纪物理中唯一能和相对论相比的革命发现。它并未在当时物理学家最关心得到问题上提供思路。然而,它很快得到广泛的人口,尤其是它数学表达上十足的美感,一百年来,在科学理论中,不包括它的任何关于美学的讨论,都是不完整的。

当重力作用失效时

今天,它的表现远远超出它的优雅。它对现代宇宙学的气管提供了理论支撑,从黑洞到宇宙大爆炸。最近证明,它的公式在描述早期物理物质中也有价值。而且,可能还有一些秘密有待发现:还有大量实验见证,在宇宙提供的最极端物理环境下,这个理论是如何持续的。

这个理论是爱因斯坦对最早的相对论的完善,“狭义相对论”,爱因斯坦在1905年三大突破性成就之一,从而确立了他的声望。这个理论让大家戏剧性的放弃了由来已久的对世界的认知:绝对的时间和空间,转而支持一个四维的时空(三个空间维度和一个临时维度)。在这个新的时空下,观察者在量算时间和长度时,不同速度移动下得到不同的答案:比如,面向一个静止的观察着,一个快速移动的钟,相比静止的钟,显示的时间会变慢。唯一确定的是所有观察者都认为光速C不变(而且在著名的物质和能量转换等式E=mc2,扮演主要作用)。

狭义相对论只适用在特定情况:观察者在直线上匀速。爱因斯坦知道,需要一个更广泛的理论来解决加速度。它也需要调解牛顿的引力论,引力论只依赖绝对的空间,完全没有明确提到时间,而且相信行动不是以光速,而是瞬时速度。

通过大脑的实验,爱因斯坦完善了他所有关于相对论的想法:对高度程式化的事物情况进行了认真假设的评估。在1907年,基于这些实验,激发了一个他后来认为最快乐的想法:从悬崖下跌落的人不会感觉到他自身的重量。他意思到,自由落体的物质感受不到重力。但是,重力下弯曲的轨道,比如高尔夫球或行星的路线,看上去隐含着某些种类的推拉。如果高尔夫球或行星也像人们从悬崖跌落,感受不到这种推拉力,他们为什么不会直线下降?

爱因斯坦随后对这种行为的断言诞生了广义相对论的中心才华。物体的自由落体,就像光线在时空中保持直线。但时空自身弯曲了。而且这使得弯曲集中。重力不是一种力,而是时空的扭曲。因此物理学家约翰惠勒,十年后对诡异的物理现象给出了简单有力的格言:“时空告诉物质如何运动;物质告诉时空如何弯曲。”

问题在于,为了在这个思想上建立一个理论,爱因斯坦需要在包裹的四维时空下,建立这些描述。牛顿和其他人所用的欧几里得几何不能胜任这些工作;不得不面对根本的区别和更有挑战性的数学。麦克斯普朗克,引起量子力学革命性突破的物理学家认为,这给爱因斯坦一个无法逾越的难题。“我必须忠告你对抗它,”在1913年写给爱因斯坦的信中这样写道,“因为首先你不会成功,而且即使你成功了,没人会相信你。”

尽管如此,对爱因斯坦来说,很巧合的是,一位大学老友,麻赛•格罗斯曼是黎曼几何的专家,之前在纯数学中,黎曼几何的创建可以描述弯曲的多维表面,在1915年爱因斯坦的授课中,爱因斯坦使用这种非传统的几何,把他的重要思想归纳为优雅,太极为复杂的数学方程,通过这些方式成而为人所知。

仅仅在12月25号,在开始第四堂课前,他意识到,相比在头脑中的实验和方程式,还有更多的内容可以提供参考。天文学家很早就知道这一点,水星围绕太阳的轨道不定时的变换,而牛顿的引力论无法解释。在1840年代,天王星的奇特轨道说明它受到了较远行星的影响;随后海王星的发现,验证了牛顿理论的正确性,而让人们欢之雀跃。但试图以一个未发现的行星为依据来解释水星行为的不寻常,最后以失败告终。

原文发布于微信公众号 - LET(LET0-0)

原文发表时间:2015-12-01

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