廣義相對論的基礎
重力不是一種力,而是物質與能量對時空的彎曲。
愛因斯坦意識到:重力並不是一種拉扯你的力,而是空間與時間本身的形狀——就連一束星光,也必須沿著它的彎曲前行。
核心想法
牛頓說,重力是一種穿過空曠空間、無形地伸過來的力,把行星拽在軌道上。愛因斯坦看到的卻是另一番圖景。質量與能量彎曲了它們周圍的空間與時間,而其餘的一切——行星、墜落的蘋果、光束——只不過是在這彎曲的幾何裡,走那條最直的可走之路。沒有拉扯的繩索,有的只是彎曲的時空,以及在其中的運動。
物理學家約翰·惠勒有一句著名的概括,恰好道出了它:時空告訴物質如何運動,物質告訴時空如何彎曲。愛因斯坦的方程式,正是這場雙向對話的精確陳述。
它是如何誕生的
愛因斯坦在 1905 年完成了狹義相對論,但它只描述沿直線勻速滑行的觀測者,裡頭容不下重力。在此後八年裡,他苦苦琢磨如何把重力納進來,心中只憑一個畫面引路——他後來稱之為「一生中最快樂的念頭」:一個自由下落的人,絲毫感覺不到自己的重量。由此他推斷:重力與加速,本是同一件事的兩種看法。
要把這想法變成方程式,他需要彎曲曲面的幾何——而那是他不會的數學。他的老同學、數學家馬塞爾·格羅斯曼把它教給了他。在多年的彎路之後,1915 年 11 月——在最後的衝刺中,恰與同樣在攻這道難題的數學家希爾伯特交疊——愛因斯坦抵達了場方程式,並在這篇 1916 年的論文裡把它完整鋪陳出來。
它為何重要
它替換掉了一幅沿用了 230 年的宇宙圖景。牛頓的重力幾近完美,卻留下水星軌道上一處微小的誤差無從解釋,又把重力當作可以瞬間跨越任意距離的拉扯。愛因斯坦的理論精確地治好了水星那處誤差,讓重力成為一種以光速傳播的局域效應,並預言了全然嶄新的東西——星光在太陽旁彎折、鐘在重力中變慢、宇宙在膨脹、時空本身能盪起漣漪。這些,後來都被一一看見了。
一個可以想像的畫面
想像一個沉重的球,擱在一張繃緊的橡膠膜上。它壓出一個凹坑,一顆在旁邊滾過的彈珠便朝它彎去——不是因為球在拉彈珠,而是因為彈珠腳下的膜被壓彎了。時空就是那張膜,只不過是四維的:太陽壓出一個凹坑,地球在其中繞行,就連擦著坑沿經過的一束光,也不得不彎。這畫面並不完美——真正的時空,並不是一張從外面看的膜——但它抓住了要害:重力即幾何。
它的位置
這是愛因斯坦兩套相對論中的第二套,立於第一套(狹義相對論,1905)之上,並不是丟棄、而是補全了牛頓關於重力的論述(《原理》,1687)——凡重力微弱處,牛頓依舊成立。這條線繼續向前,穿過它所預言的時空漣漪,於一百年後——2016 年 LIGO 探測到重力波時——得到證實。而它那些敞開的端點——黑洞奇異點、大霹靂、暗能量——正是今天人們尋找重力量子理論的起點。
The special theory of relativity is based on the following postulate, which is also satisfied by the mechanics of Galileo and Newton.
The general laws of nature are to be expressed by equations which hold good for all systems of co-ordinates, that is, are co-variant with respect to any substitutions whatever (generally co-variant).