“从极大到极小（上）

刘冠杰

大与极小有什么关系呢？看了这篇文章你会有新的收获.

谈到极大，人们首先想到的自然是宇宙了，宇宙究竟有多大，现代科学至今还不能给出一个可靠的答案，但是爱因斯坦的广义相对论，已经为探索宇宙的演化提供了一个理论架构，成为人类研究宇宙的基础理论.而人们对于极小的认识就像是把玩俄罗斯套娃，从分子到原子，从原子到原子核和电子，从原子核到质子和中子……描述极小世界的理论，是建立在普朗克提出的量子概念基础上的量子力学.然而让人不可思议的是，这一“大”一“小”似乎根本就沾不上边的两套理论，正被人试图统一在奇妙的超弦理论之中，从浩瀚宇宙的尽头到物质最深层的核心粒子，都将被纳入这一理论.

1905年狭义相对论问世，其中一个重要结论，是任何物体运动的速度都不可能超越光速.但是这个结论的一个严重后果，是与备受人们崇拜的万有引力理论发生了激烈冲突.牛顿认为，地球绕着太阳运动是两者之间的引力作用，假如有一天太阳突然爆炸了，那么地球会因为引力的消失而立刻脱离它正常的椭圆轨道.也就是说，太阳爆炸的信息会因为引力的消失在瞬间就传递到地球，而光从太阳跑到地球上，至少也需要8分钟的时间.当两个优秀的理论发生矛盾时（还有一种情况是理论和实验事实发生矛盾时），人们自然会寻找一个新的理论来协调它们或者取而代之，于是，广义相对论就应运而生了.

其实，在狭义相对论挑战引力理论之前，引力理论就有一个严重的缺陷，即引力是以什么方式让两个相距亿万千米的物体能够相互吸引的？对此，牛顿说：“一个物体能通过虚空超距地作用于另一个物体，而无须其他任何中介作为力的承载物和传播者，这一点在我看来真是一个伟大的谬误，我相信凡对哲学问题有足够思考能力的人都不会信它，”但是他接受了引力存在的事实，并且建立了精确描述它的作用方程，根据这个方程，物理学家、天文学家和工程师成功地用火箭把卫星送人太空，准确预言了日食、月食和彗星的运动等，却留下了一个两百多年无人能解的谜.

1907年的一天午后，爱因斯坦坐在瑞士伯尼尔专利局的办公室里，苦苦思索引力的本质，就像在科学史上经常发生的那样，后来被他称为是“最快乐的思想”突然出现了，他找到了引力和加速度的内在联系，即：引力作用和加速运动是等效的.这理解起来其实也不困难，我们可以跟随爱因斯坦的思想初窥端倪：假若在一个电梯的天花板上，系上一个悬挂有重物的弹簧秤，那么重物受到地球的吸引，将向下拉伸弹簧秤.如果把电梯移到太空，重物不再受地球的引力作用，弹簧将恢复原状，但是，如果让电梯向上做加速运动，弹簧将再被拉伸，当加速度达到一定程度时（通常认为是9.8米/秒2），弹簧拉伸的状态就和在地球上受到引力作用时完全一样，没有什么区别，

爱因斯坦从“最快乐的思想”出发，开始建构他的广义相对论理论，这让他花费了很长时间，好在普朗克在柏林附近的威廉大帝物理研究所给爱因斯坦提供了一个自由度极大的职位，让他有充裕的时间思考他的广义相对论.直到1915年的11月，爱因斯坦终于完成了广义相对论的“标准文本”——《关于广义相对沦的宇宙学思考》.他大功告成，但是绝非易事，因为在他的理论中，空间是弯曲的，时间是弯曲的.为了处理弯曲时空中的引力效应和加速运动，涉及16个数学方程，必须全部同时求解，而且其中每一个都要比牛顿的平方反比定律复杂得多.为此，他需要学习更加复杂的数学方法，幸好，数学家黎曼已经发展出了可以描述弯曲空间的几何学，即完全不同于欧几里得几何的黎曼几何，这正是爱因斯坦所需要的.

1916年，爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了《关于广义相对论的宇宙学思考》，其结果就像在国际物理学界投下了一枚重磅炸弹，它的余波至今仍未完全消失.像前面提到的超弦理论，就是从广义相对论中产生的.广义相对论的预测今天仍在不断地被披露，如多数星系的核心都有黑洞在吞噬周围的一切，包括光，

爱因斯坦很清楚，任何理论都需要经受实践的检验，他提出了可以用来检验广义相对论的三个预言，分别是水星近日点的异常进动、引力红移和强引力场附近的光线弯曲.其巾以光线弯曲的检验最为精彩，下面我们略微介绍一下.

广义相对沦认为，所有的星球都会使其周围的时空发生弯曲，星球的质量越大，譬如太阳，它造成的弯曲也越大，这就像在一块伸展的橡皮膜上放置了一个大铁球，铁球周围的橡皮膜自然会凹陷一样，太阳周围的空间也会因太阳的存在而发生凹陷和弯曲，如果我们在凹陷的橡皮膜上放一个小球，它会很自然地滚落到底部的大铁球上.而地球就处在太阳周围凹陷的空间里，它必须围绕太阳运动，否则它就会逐渐滑落到太阳上面.这有点像杂技团的摩托车手，要在距离地面十多米高的圆形斜面上不掉下来，就必须在斜面上高速行驶.所以，从这个观点来看，引力与其说是一种“力”，不如说是一种结果——时空弯曲的结果.美国物理学家米奇奥·卡库说：“在某种意义上，引力并不存在，使行星和恒星运动的是空间和时间的变形.”正是有了这个理论，爱因斯坦轻而易举地化解了前面提到的狭义相对论与万有引力的矛盾：当太阳发生爆炸而突然消失时，它所造成的凹陷是逐渐消失的，直至恢复空间的平展.根据计算，凹陷消失的速度恰好等于光速.

因为太阳周围的空间是弯曲的，所以，如果有来自太阳背后的恒星的光通过这个弯曲的空间时，光线也必然会发生弯曲.但是恒星的光与太阳相比，太微弱了，地球上的人要观察经过太阳的恒星的光，只能在发生日全食的那几分钟里.机会来了，1919年5月29日不仅有日食发生，而且当日食发生时，太阳的背后恰好有毕宿星团的恒星群在闪烁.受英国皇家学会的委托，著名天文学家爱丁顿带领一支考察队，远赴西非几内亚湾海的普林西比岛进行观测.同时出发的还有一支考察队，奔赴巴西的索布拉尔安营扎寨.两支考察队都拍摄了大量日食时太阳附近星空的照片，尽管能用的少得可怜——这主要是天气的原因，当时并不是晴天.两个月后，他们又拍摄了同一星空的照片，这时太阳已经远离了原来的天区，通过比对，他们测出星光的偏折分别是（1.98±0.16）弧秒和（1.61±0.40）弧秒，爱因斯坦的理论计算值是1.74弧秒，两者都在标准误差范围之内.

1919年1 1月6日，英国皇家天文学学会和英国皇家学会，联合举行特别会议，讨论两支考察队提交的观测报告和结果.

第二天，一向谨慎的伦敦《泰晤士报》刊登了关于这次皇家学会会议的长篇文章，大字标题为《科学革命：宇宙的新理论》，紧接着11月8日又刊登标题为《科学革命：爱因斯坦战胜了牛顿，杰出物理学家的观点》的文章.11月9日，《纽约时报》的报道标题是《光在天上全部歪斜》.12月14日，爱因斯坦的照片又被刊登在《柏林画报》周刊的封面，文字说明是这样写的：

世界历史上的一个新伟人：阿尔伯特·爱因斯坦.他的研究标志着我们自然观念的一次全新革命，堪与哥白尼、开普勒、牛顿比肩.