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相对论百年,宇宙究竟给你多大余地?

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吉米 发表于 2015-9-16 21:17:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 三T上人 于 2016-7-22 14:57 编辑 <br /><br />
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今年是爱因斯坦广义相对论发表100周年。为纪念这一被称为“20世纪最美丽思想”的伟大理论百年诞辰,《赛先生》除了计划在全国6个城市举办8场相对论科普活动,从今日起,还将陆续刊发一系列关于相对论的科普和纪念文章,请大家与我们一起领略爱因斯坦的思想之美。

  • 《赛先生》许灏


无疑爱因斯坦的重要性是千年的,只不过这个千年才刚刚开始。

今年,我们刚好迎来了爱因斯坦广义相对论发表100年,这是爱因斯坦自己最为骄傲的创举。在发表广义相对论11年前,爱因斯坦发表了狭义相对论,并开始震惊已绵延千年的传统时空观念。从狭义到广义相对论,爱因斯坦完成了最为艰巨的跨越,几乎是独创伟业。他曾不无惊讶地回顾说:“与创造广义相对论相比,当年发现狭义相对论几乎就是儿童游戏”。

1919年,著名的剑桥天文学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)冒险证实了广义相对论的预言之一光线弯曲效应,捷报传到爱因斯坦面前,他如此自信地回答身边的反问:“假如观测给出了否定,那我就要为可怜的上帝感到遗憾了,如此优美的理论,他却不能欣赏”。爱丁顿自己则深感荣幸,当有人问他“听说世界上只有三个人懂得相对论”时,爱丁顿振振有辞:“那么第三个人是谁?”言意除爱因斯坦之外,他是最懂相对论的人了。

那么今天,从爱因斯坦发表广义相对论算起,相对论已满百年,旧问重提,谁是最懂得相对论的人呢?可以这样说,一代代顶级理论物理学家,从青丝到白发,就是为了弄懂相对论所能许诺和触及的宇宙奥秘。自然究竟给相对论多大余地?

二十世纪相对论和量子力学的革命是我们建筑理解宇宙的理论框架的两块不动的基石。狭义相对论已浸透我们宇宙的基本量子相互作用机制,从而溢出惊人丰富的物理。一旦失去狭义相对论,自然的机器即使勉强不停止运转,除了可以满足某些哲学家一劳永逸地用可怜的咒语统治存在的心理外,但真相是宇宙立即贫乏得无颜面世了。而被物理学家普遍视为物理理论的雅典娜神庙的广义相对论,是我们理解宇宙唯一有效而不平庸的引力理论。它的物理图像简洁深刻传神,著名物理学家惠勒(John Archibald Wheeler)如此概括:“质能告诉时空如何弯曲,时空告诉质能如何运动”。在数学上,广义相对论则决定性地簇新了二十世纪数学两大主流之一的微分几何的广袤森林。

我们来看看广义相对论的宇宙学非凡结果吧:1922年数学家弗里德曼从爱因斯坦场方程解出了宇宙线性膨胀解。1929年天文学家哈勃(Edwin P. Hubble)发现系统的宇宙学红移与该解相应,从而确立了宇宙膨胀事实。后发展为今天极著名的标准宇宙学模型即“大爆炸(Big Bang)”,解释和预言了绝大部分空前的宇宙事实和奇迹。从广义相对论也能给出宇宙加速膨胀解。1998年至今,观测发现宇宙加速膨胀的事实,可是究竟物理真相如何?这已成为今天物理学最为热锅的未决困惑。1981年物理学家古斯(Alan Guth)依爱因斯坦场方程的指数膨胀解发明了今天宇宙学的宠儿“暴涨宇宙论”。2014年哈佛大学史密斯天体物理中心宣布发现宇宙原初引力波,如果该发现最后获得完全证实,那么不但证实“暴涨宇宙”,而且是广义相对论最为艰难寻觅的引力波预言的首次涟漪现身。当然,除了今天息息相关地球每个角落的GPS必用广义相对论之外,今天在全球公众中极为知名的黑洞和虫洞则都是广义相对论自然之解。何况与其相联系的数学物理结果和猜想今天已成大典。


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引力似乎是桀骜不驯的,与量子场论的量子化方案相比,物理学家一直未能把广义相对论彻底量子化,尽管一批批绝顶聪明坚强的理论物理使徒在不懈地推进这个憧憬。引力要量子化么?物理学家深信一切都应当是量子的。没有引力量子化,我们就无法确切追问诸如宇宙起源这样的基本天问。为何引力如此难以量子化?量子引力可谓史诗!我们真的懂得的相对论么?如果不是学生腔的话,在宇宙面前,物理学家会承认所知甚少。即使是在实验和理论操作上最丰富成功的狭义相对论,我们也仍然可以问其金刚不化的洛伦兹对称性能否通过非平凡的对称破缺或形变从而打开更加不平凡的神秘之门?迄今无人完全能知。

爱因斯坦及其相对论究竟在物理学家心智中有多么深刻的影响,看看当今两位伟大的理论物理学家是如何说的吧。杨振宁:“广义相对论在人类历史中是独一无二的……爱因斯坦并不是抓住了眼前的机会,而是自己创造了机会,然后又独自一人通过深刻的洞识,宏伟的设计实现了这个机会”。爱德华·威滕(Edward Witten)说:“我相信量子力学的逻辑状况会发生改变,正如爱因斯坦发现等效原理(广义相对论)而改变了引力的逻辑状况一样。”


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zspkd 发表于 2015-9-17 08:17:43 | 显示全部楼层
本帖最后由 三T上人 于 2016-7-22 14:57 编辑 <br /><br />我大学是白学了,到现在相对论也没弄明白,哪怕一点点!

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