广义相对论的基础
引力不是一种力,而是物质与能量对时空的弯曲。
爱因斯坦意识到:引力并不是一种拉扯你的力,而是空间与时间本身的形状——就连一束星光,也必须沿着它的弯曲前行。
核心想法
牛顿说,引力是一种穿过空旷空间、无形地伸过来的力,把行星拽在轨道上。爱因斯坦看到的却是另一番图景。质量与能量弯曲了它们周围的空间与时间,而其余的一切——行星、坠落的苹果、光束——只不过是在这弯曲的几何里,走那条最直的可走之路。没有拉扯的绳索,有的只是弯曲的时空,以及在其中的运动。
物理学家约翰·惠勒有一句著名的概括,恰好道出了它:时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲。爱因斯坦的方程,正是这场双向对话的精确陈述。
它是如何诞生的
爱因斯坦在 1905 年完成了狭义相对论,但它只描述沿直线匀速滑行的观测者,里头容不下引力。在此后八年里,他苦苦琢磨如何把引力纳进来,心中只凭一个画面引路——他后来称之为「一生中最快乐的念头」:一个自由下落的人,丝毫感觉不到自己的重量。由此他推断:引力与加速,本是同一件事的两种看法。
要把这想法变成方程,他需要弯曲曲面的几何——而那是他不会的数学。他的老同学、数学家马塞尔·格罗斯曼把它教给了他。在多年的弯路之后,1915 年 11 月——在最后的冲刺中,恰与同样在攻这道难题的数学家希尔伯特交叠——爱因斯坦抵达了场方程,并在这篇 1916 年的论文里把它完整铺陈出来。
它为何重要
它替换掉了一幅沿用了 230 年的宇宙图景。牛顿的引力几近完美,却留下水星轨道上一处微小的误差无从解释,又把引力当作可以瞬间跨越任意距离的拉扯。爱因斯坦的理论精确地治好了水星那处误差,让引力成为一种以光速传播的局域效应,并预言了全然崭新的东西——星光在太阳旁弯折、钟在引力中变慢、宇宙在膨胀、时空本身能荡起涟漪。这些,后来都被一一看见了。
一个可以想象的画面
想象一个沉重的球,搁在一张绷紧的橡胶膜上。它压出一个凹坑,一颗在旁边滚过的弹珠便朝它弯去——不是因为球在拉弹珠,而是因为弹珠脚下的膜被压弯了。时空就是那张膜,只不过是四维的:太阳压出一个凹坑,地球在其中绕行,就连擦着坑沿经过的一束光,也不得不弯。这画面并不完美——真正的时空,并不是一张从外面看的膜——但它抓住了要害:引力即几何。
它的位置
这是爱因斯坦两套相对论中的第二套,立于第一套(狭义相对论,1905)之上,并不是丢弃、而是补全了牛顿关于引力的论述(《原理》,1687)——凡引力微弱处,牛顿依旧成立。这条线继续向前,穿过它所预言的时空涟漪,于一百年后——2016 年 LIGO 探测到引力波时——得到证实。而它那些敞开的端点——黑洞奇点、大爆炸、暗能量——正是今天人们寻找引力量子理论的起点。
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).