爱因斯坦的广义相对论揭示了一个动态而奇异的宇宙
阿尔伯特爱因斯坦的思想重塑了空间和时间,预言了一个奇异而宏大的宇宙,它挑战了人类想象力的极限。一个诞生于瑞士专利局的想法在柏林演变成一个成熟的理论,它基于对引力的新的、更深入的理解,描绘了一幅全新的宇宙图景。
牛顿关于质量似乎相互拉扯的想法已经被淘汰了将近两个世纪。相反,爱因斯坦将空间和时间描述为被质量和能量扭曲的统一结构。物体像放在蹦床上的重物一样扭曲时空结构,而织物的曲率引导它们的运动。有了这种洞察力,引力就得到了解释。
1915年底,爱因斯坦在柏林的一系列演讲中介绍了他的广义相对论。但直到1919年的一次日食才引起大家的注意。他的理论预测,一个巨大的物体——比如太阳——可以扭曲附近的时空,足以使光线偏离其直线路线。因此,遥远的星星不会完全出现在预期的位置。在日食期间拍摄的照片证实了位置变化符合爱因斯坦的预测。“天上的光全都歪了;科学界的人或多或少都有些激动,”《纽约时报》的头条新闻宣称。
甚至十年后,《科学新闻》的前身《科学新闻快报》上的一篇文章还写了一篇“理解爱因斯坦理论的暴动”(SN:2/1/30,p.79)。显然,必须召集额外的警察来控制4,500名在纽约市美国自然历史博物馆“打破铁门并互相殴打”的人群,以听取广义相对论的解释。
到1931年,第一位获得诺贝尔科学奖的美国人、物理学家阿尔伯特·A·迈克尔逊(AlbertA.Michelson)称该理论为“科学史上前所未有的科学思想革命”。
但是,尽管我们今天将所有的占卜能力都归功于爱因斯坦,但他是一个勉强的占卜者。我们现在知道,广义相对论提供的远比爱因斯坦愿意或能够看到的要多。“这是一种完全不同的看待宇宙的方式,”纽约市西蒙斯基金会熨斗研究所的天体物理学家大卫·斯佩格尔说,“它有一些爱因斯坦本人不想接受的疯狂含义。”更重要的是,Spergel(科学协会荣誉委员会成员,《科学新闻》出版商)说,“广义相对论最疯狂的方面都被证明是正确的。”
曾经伪装成一个安静、静止、有限的地方的是一个动态的、不断扩大的竞技场,里面充满了它自己的骚动空间弯曲的野兽。星系聚集在超星系团中,其规模比专家们在20世纪之前考虑的任何事物都要大得多。在这些星系中不仅有恒星和行星,还有一个奇异天体的动物园,说明广义相对论的怪异倾向,包括中子星,它的质量相当于一个城市的大小,还有黑洞,它扭曲了时空如此强烈,以至于任何光线都无法逃脱。当这些庞然大物发生碰撞时,它们会震动时空,释放出巨大的能量。我们的宇宙是暴力的、不断发展的,充满了科幻小说般的可能性,这些可能性实际上直接来自广义相对论。
加州大学伯克利分校的天体物理学家SaulPerlmutter说:“广义相对论为我们打开了一个巨大的舞台,让我们可以观察、尝试和玩耍。”他指出宇宙在其生命周期内会发生巨大变化的想法——“宇宙生命周期的想法根本就是一个奇怪的概念”——以及宇宙正在膨胀的想法,以及它可能会坍缩并恢复的想法一个结束,甚至可能还有其他宇宙。“你会意识到这个世界可能比我们想象的要有趣得多。”
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