16日,包括中國在內(nèi)的多國天文學(xué)家宣布首次通過光學(xué)、紅外、紫外、高能、射電等多種電磁波段,直接探測到1.3億光年外的雙中子星合并產(chǎn)生的引力波及其伴隨的電磁信號。
至此,廣義相對論長達百年正確與否的爭論可以塵埃落定,它將迎來與量子理論的終極對決,同時,所有地球人將目光穿越時空,將敬仰和贊頌送給上世紀人類最后的一位預(yù)言大師:他完全憑借一己之力,依靠憑空想象和推測提出了一系列改變?nèi)祟悮v史和科技走向的物理理論,這其中就包括預(yù)測引力波的存在。
1905年是人類物理學(xué)歷史上的第二個大奇跡年,在這一年,沒有大學(xué)學(xué)位,沒有自己的實驗室,時任瑞士伯爾尼專利局三級技術(shù)審查員阿爾伯特·愛因斯坦一口氣在德國的物理學(xué)雜志《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表了五篇論文,其中三篇“稱得上是物理學(xué)史上的最偉大的作品”,第一篇使用普朗克剛剛提出的量子理論審視光電效應(yīng),一篇論述懸浮小粒子的狀況(即現(xiàn)在所謂的布朗運動),一篇概述了狹義相對論。第一篇解釋了光的性質(zhì)(還促使許多事情成為可能,其中包括電視),為作者贏得了一個諾貝爾獎。第二篇提供了證據(jù),證明原子確實存在,這個事實過去一直存在一些爭議。第三篇完全改變了世界。
這篇引出了后世所稱為狹義相對論的《論動體的電動力學(xué)》無論是在表達方式還是在內(nèi)容上,都是發(fā)表過的最優(yōu)秀的科學(xué)論文之一。它沒有腳注,也沒有引文,幾乎不用數(shù)學(xué),沒有提及影響過該論文或在該論文之前的任何作品,只是對一個人的幫助致以謝意。他是專利局的一名同事,名叫米歇爾·貝索,這是極其令人震驚的??梢哉f,愛因斯坦好像“全憑思索,獨自一人,沒有聽取別人的意見就得出了結(jié)論?!痹谶@篇論文中,他著名的等式E=MC2在這篇論文中并未出現(xiàn),但出現(xiàn)在幾個月以后的一篇短小的補充里。
這個人類歷史上最簡潔最完美的能量守恒公式簡單來說,指的是質(zhì)量和能量是等價并且可以互相轉(zhuǎn)換,它們不過是同一東西的兩種形式:能量是獲釋的質(zhì)量;質(zhì)量是等待獲釋的能量。由于c2(光速的平方)是個大得不得了的數(shù)字,這個等式意味著,每個物體里都包含著極大的能量,這個等式直接促成了原子彈以及核聚變民用化的發(fā)明和出現(xiàn),并間接地引出了暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。
同時,狹義相對論也解釋了放射作用是怎么發(fā)生的:一塊鈾怎么源源不斷地釋放出強輻射能量,而又不像冰塊那樣融化。該理論解釋了恒星為什么可以燃燒幾十億年而又不把燃料用盡。愛因斯坦用一個簡單的公式,一下子使地質(zhì)學(xué)家和天文學(xué)家的視界開闊了幾十億年。同時該理論還提到了時間膨脹和多維空間,尤其表明,光速是不變的,最快的,什么速度也超不過它。因此,這使我們一下子弄清了宇宙性質(zhì)的核心。
以上那些包羅萬象的全新發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新牛逼嗎?牛逼!
但是比起十年之后愛因斯坦提出的廣義相對論來說,這些又算不上什么了。
這時候我們本文的主角要登上歷史舞臺了,這也是他能夠提出廣義相對論的主要誘因,它的名字叫“引力”。
愛因斯坦之所以提出廣義相對論,起碼在一開始更像是想為引力問題找個答案。他很早就清楚地認識到,狹義相對論里缺少一樣?xùn)|西,那就是引力。狹義相對論之所以“狹義”,是因為它研究的完全是在無障礙的狀態(tài)下運動的東西。但是,要是一個運動中的東西,尤其是光,遇到了比如引力這樣的障礙會怎么樣?在此后10年的大部分時間里,他一直在思索這個問題,最后于1916發(fā)表了題為《關(guān)于廣義相對論的宇宙學(xué)思考》的論文。
廣義相對論預(yù)測到了引力波、黑洞、宇宙常數(shù)等,直接將人類從經(jīng)典物理學(xué)帶入了現(xiàn)代物理學(xué),也同時將地球人帶入了宇宙和時空這樣的宏觀的領(lǐng)域,并使得時間旅行這樣的超現(xiàn)實科幻情景成為了可能。
在“廣義相對論”的眾多概念中,最具挑戰(zhàn)性的,最難以用直覺體會的,在于時間是空間的組成部分這個概念。我們本能地把時間看作是永恒的,絕對的,不可改變的,相信什么也干擾不了它的堅定步伐。事實上,愛因斯坦認為,時間是可以更改的,不斷變化的。時間甚至還有形狀。它與三維空間結(jié)合在一起——用斯蒂芬·霍金的話來說是“無法解脫地交織在一起”——不可思議地形成了所謂的“時空”。
而引力就是由于時空扭曲所造成的,任何有質(zhì)量的物體加速運動都會對周圍的時空產(chǎn)生影響,時空在伸展和壓縮的過程中,會產(chǎn)生振動,這些振動就是引力波。這些波動,我們可以想象為將一塊石子投入水中所掀起的漣漪,因此,引力波又被稱為“時空漣漪”,他們應(yīng)該是可以通過電磁波段可聽或者可見的。
愛因斯坦在廣義相對論中是這樣描述的:“引力波以光速迅速擴散,充滿整個宇宙。”
一百年之后,科學(xué)實踐證明這位不修邊幅,頭發(fā)如鳥窩,三歲才學(xué)會說話,在大學(xué)階段并沒有任何突出表現(xiàn),也未顯露出任何天才本色的愛因斯坦又對了。