广义相对论没有限定时间方向 可以回到过去

伤我心太深

广义相对论没有限定时间方向  可以回到过去：相对论革命在很大程度上塑造了20世纪，它影响了哲学、艺术以及流行文化，爱因斯坦也因此成为了“天才”的同义词，以及世界上最伟大的科学名人。在广义相对论问世100周年的里程碑时刻，物理学正在等待下一个广义相对论，我们也在期待下一个爱因斯坦的出现。




　　在下面的专题里，你们将能从方方面面了解爱因斯坦及其广义相对论：爱因斯坦到底有多牛？他的一生都经历了怎样的起起伏伏？物理届迄今最伟大发现“广义相对论”到底是啥.....走近爱因斯坦，走近广义相对论！


爱因斯坦超越了科学

文章来源：《环球科学》杂志


　　爱因斯坦曾经说过，世上只有两样东西可能是无止境的：宇宙，以及人类的愚蠢。同时他坦承，对于前者，他还不那么确定。
　　我们听到这话也许会哈哈大笑，或至少会心一笑。我们并不会感到被侮辱，因为“爱因斯坦”这个名字会让我们想到一个热心、慈祥的智者。我们脑海中会浮现出一个和蔼可亲而头发凌乱的天才，他的那些标志性的形象——骑着自行车、伸着舌头或是用深邃的目光注视着我们，已经铭刻在了我们的集体文化记忆中。爱因斯坦已象征了探索智慧的纯真与力量。


　　爱因斯坦于1905年在科学界成名。这一年也被称为他的奇迹年。当时他在伯尔尼的瑞士专利局，每周工作6天，每天工作8小时。他用闲暇时间写出了改变了整个物理学发展进程的4篇论文。那年3月，他提出，一直被认为是波的光其实是由被称为光子的粒子构成。这一视角随后敲开了量子力学之门。两个月之后，爱因斯坦的计算为原子假说提供了可被实验检验的预言。而这一预言随后也被实验证实，从而揭示了物质确由原子构成。同年6月他完成了狭义相对论，揭示了时间与空间令人惊讶的行为。简而言之，距离、速度与时长都会因观测者不同而改变。9月，爱因斯坦从狭义相对论推导出了世界最著名的公式 ： E=mc2（能量等于质量乘以光速平方），为这一年画上了完美的句号。



　　科学通常是循序渐进的。本质性突变即将到来的警钟很少在科学界被敲响。然而他一个人在一年内将这一警钟先后敲响了4次，令人震惊的创造性见解接踵而来。科学届几乎立刻感觉到爱因斯坦的工作让人们对真理的认知有了根本的变化。然而对于普通大众而言，爱因斯坦当时还并未被知晓。
　　1919年11月6日，这一切都发生了改变。在狭义相对论中，爱因斯坦提出，没有任何物质的运动速度可以超过光速。这与牛顿的引力论产生了冲突——引力可以于瞬间穿越空间作用于其他物体。爱因斯坦被这一隐约存在的矛盾驱使，开始大胆地探索改写有数百年历史的牛顿引力理论。这一工作实在有些吓人，让他那些热心的支持者也觉得不切实际。德国科学泰斗马克斯?普朗克（Max Planck）感叹：“作为你的老朋友，我必须劝诫你不要这么做……你不会成功。即使你成功了也不会有人相信你。”爱因斯坦绝不屈服于权威，他奋力前进，不懈努力，一干就是近十年。


　　最终于1915年，爱因斯坦对外宣布了他的广义相对论。这一理论为重塑引力提出了惊人的观点：时空弯曲。茶杯从手中滑落并非由于地球将其无情地扯向地面，广义相对论认为，行星使其周围的环境产生凹陷，导致茶杯顺着时空的滑道被引导至地面。爱因斯坦宣称，引力被刻画于宇宙几何之中。


　　爱因斯坦提出这个理论的一百年周年之际，物理学家与历史学家整理出了一个复杂却又连贯的故事来讲述它的诞生过程（参见本期文章《广义相对论背后的故事》）。在我自己的一些科普文章中，我也很乐意追溯爱因斯坦的攀登过程，从一个优雅的策略到蹒跚前行，再到最终攀上高峰。这不但没有破坏爱因斯坦那创造性飞跃的神秘性，反而通过追寻他的脚步使他令人惊叹的创新与无比优美的理论更加大放异彩。


　　1919年11月6日（爱因斯坦完成广义相对论的4年后），全世界的报刊都报道了一次天文观测的结果。此次观测发现，天空中恒星所在的位置与牛顿定律导出的结论存在细微差别，而恰与爱因斯坦的预言相符。这一结果成功地证明了爱因斯坦的理论，并使他一夜成名。他成为了推翻牛顿定律的人，还让我们人类向自然界的永恒真理又迈进了一大步。
　　此外，他还是个伟大的榜样，尽管他不希望被人关注，并反复重申渴望独处，但却非常懂得如何吸引公众了解他那神秘而又极其重要的发现。他常妙语连珠（例如“我是一个好斗的和平主义者”）并很乐意扮演一个充满困惑的天才中的天才的角色。在《城市之光》的首映式上，红毯上的照相机不停地闪烁，查理?卓别林（Charlie Chaplin）轻声对爱因斯坦说：“人们因为懂我而为我喝彩，然而他们却因无法理解你而为你喝彩。”这就是爱因斯坦在大众心中的形象。刚刚摆脱一战的疲惫人民真心实意地崇拜着他。


　　尽管爱因斯坦本人渐渐离开了大众视线，人们眼中的相对论却与文化中的其他巨变产生着共鸣。在人们心中，詹姆斯?乔伊斯（James Joyce）与T?S?艾略特（T。 S。 Eliot）打破了语言，巴勃罗?毕加索（Pablo Picasso）与马塞尔?杜尚（Marcel Duchamp）劈开了画布，阿诺德?勋伯格（Arnold Schoenberg）与伊戈尔?斯特拉文斯基（Igor Stravinsky）敲碎了音阶，而爱因斯坦将时间和空间从过时的模型中释放出来。


　　更有甚者，有些人将爱因斯坦刻画为20世纪先锋运动的核心灵感，推动文化反思所必要的科学源泉。尽管这种认为自然真理激起的波浪可以拂去旧文化之尘埃的观点十分浪漫，我却从未考证到令人信服的证据能将这些文化巨变与爱因斯坦的科学发现紧密联系起来。一种广泛流传的对相对论的误解——它消除了客观真相——导致人们错误地将其与文化领域相关联。有趣的是，爱因斯坦本人的品味却十分传统。相比现代作曲家他更热衷于巴赫与莫扎特。同时他宁可保留已被磨损的传统装饰也不愿接受别人送他的新家具。


　　公平地说，20世纪早期涌现出了许多革命性的思想，它们的确也曾互相混合。而爱因斯坦也确实是其中的典型代表，向人们展示了打破长期传统思维方式可以开辟激动人心的新天地。
　　一个世纪过去了，爱因斯坦开辟出的土地至今依旧肥沃且充满生机。广义相对论于20世纪20年代又衍生出了研究整个宇宙起源及演化的现代宇宙学。俄国数学家亚历山大?弗里德曼（Aleksandr Friedmann）与比利时物理学家兼牧师乔治?勒梅特（Georges Lamaitre）各自独立运用爱因斯坦方程推导出宇宙空间正在膨胀。爱因斯坦对这一结论表示反对，甚至通过引入“宇宙学常数”来改写自己的方程以确保存在一个稳定的宇宙。然而之后埃德温?哈勃（Edwin Hubble）的观测表明，远处的星系的确正在远离我们而去。而爱因斯坦也最终被说服，承认宇宙正在膨胀并改回了他最初的方程。今天正在膨胀的宇宙说明曾经的宇宙比现在小，进而暗示着整个宇宙由一个被勒梅特称为“初始原子”（primeval atom）的原始微粒膨胀而来。于是便诞生了大爆炸理论。


　　在接下来的数十年，大爆炸理论通过不断被改进得到了充分的发展（当今被最广泛接受的版本是暴胀理论），并通过了众多的观测检验。其中一个实验揭示了在过去70亿年中宇宙不但在膨胀，而且还在加速膨胀。这一观测获得了2011年的诺贝尔物理学奖。至于如何解释这一观测结果，我们又要重新启用那很久之前被爱因斯坦丢弃的宇宙学常数来扩展已有的大爆炸理论。我们从中获得了什么启示？如果我们等待足够长的时间，即使那些爱因斯坦的错误观点也会被发现是正确的（参见本期文章《爱因斯坦的四大错误》）。



　　德国天文学家卡尔?史瓦西（Karl Schwarzschild）更早就从广义相对论中得到了启发。他当时在一战中位于俄国前线上，在计算炮弹轨道的休息间隙首次推导出了爱因斯坦方程的精确解，并对球状天体（例如太阳）产生的扭曲时空做出了精确的描述。作为副产品，史瓦西的结果还揭示了一个奇特的现象。如果我们将天体压缩到足够小的空间——例如将太阳压缩到三英里的范围内——时空将会被极度扭曲以至于凡是靠近它的物体都会被它俘获，即使光也不例外。用现在的话来说，史瓦西揭示了黑洞存在的可能性。



　　在当时，黑洞似乎遥不可及。在大多数人眼中，它只是一个数学上的奇特解而与现实世界并无关系。然而，孰对孰错最终并不是由人们的经验决定，而是由实验观测来揭示。当今天文数据表明黑洞不仅存在，而且大量地存在。尽管它们非常遥远，不便于直接探索，但却是物理学家不可或缺的理论实验室。自20世纪70年代斯蒂芬?霍金（Stephen Hawking）影响力巨大的计算开始，物理学家越来越相信黑洞的极端环境使它成为进一步发展广义相对论的理想场所，尤其是使它与量子力学相融合（参见本期文章《靠近黑洞，验证广义相对论》）。的确，当今最热门的争论之一便是量子过程如何影响我们对黑洞最外层边缘（视界）和其内部结构的认知。



　　总而言之，纪念广义相对论一百周年绝非仅仅在回顾历史。爱因斯坦的广义相对论已融入了当今最前沿的研究中。那么爱因斯坦是如何做到的？他究竟如何做出了具有如此深远影响的贡献？尽管爱因斯坦并没有发明立体主义或无调性音乐，但他使我们相信，一个人可以利用自己的智慧，通过努力思索揭开宇宙真理。尽管爱因斯坦作为科学家与大众广泛交往，然而他的重大突破都来源于他独处时的瞬间灵感。那些见解的出现难道是来源于他大脑的独特结构？还是来自他从不墨守成规的思考方式？亦或是来源于他专注于某事的那份执着与不屈？
　　也许，纪念广义相对论的一百周年绝非仅仅在回顾历史。爱因斯坦的广义相对论已融入到了当今最前沿的研究中。大概，可能……当然，事实上无人知晓。我们可以编出许多故事讲述某人如何获得了这样那样的想法，然而问题的关键在于，任何思想和见解的形成都会受到很多因素的影响，多到无法具体分析。


　　然而，如果我们想再次遇到一个能让整个世界关注的天才，并且这种关注并非源于体育或娱乐上的成就，而是来自对人类智慧力量的赞叹，那这真的是一个值得思考的问题——到了何种程度才会让我们整个人类文明都视他为珍宝。（本文译者  曹杉杉，杜克大学物理学博士，现在劳伦斯国家实验室从事高能核物理方面的研究。）　　抛开浮夸的描写，最好的解释便是爱因斯坦用最佳的思路在最佳的时刻解决了一系列物理难题。至于何为最佳的时刻，爱因斯坦在发现广义相对论之后数十年中数量繁多但相对平凡的贡献说明，他的智慧中针对物理的特定灵感已经过去。他的伟大成就以及他留下的丰富遗产，促使我们提出另一个推测性的问题：是否存在另一个爱因斯坦？如果我们仅仅在寻求一个能有力推动科学进步的天才，那么答案自然是肯定的。在爱因斯坦之后的半个世纪中的确又出现过许多伟大的科学家。





靠近黑洞，验证广义相对论

文章来源：《环球科学》杂志


　　过去整整一个世纪，科学家都在尝试寻找爱因斯坦广义相对论的漏洞，然而没人成功。到目前为止，广义相对论通过了所有检验。然而，这些检验都是在相当弱的引力场中进行的。要对广义相对论进行终极检验，我们需要确认，它在引力极强的情况下是否仍然成立。而今天宇宙中引力最强的地方当属黑洞的边缘，即事件视界。在视界处，引力场强大到使任何越过它的光子和物质都永远无法逃出黑洞。


　　黑洞的内部是无法观测的。但是，这类天体周围的引力场会使靠近视界的物质发射出大量的、可被望远镜捕获的电磁辐射。在黑洞周围，引力将落进去的物质，即吸积流压缩到极小的体积内。这使得下落物质的温度会达到数十亿度，由此，反倒使得邻近黑洞周边的区域成为宇宙中最亮的地方。如果我们能够用一个放大能力足以分辨视界的望远镜观测黑洞，就可以跟踪物质旋转下落直至越过视界的全过程，并检验这一过程是否与广义相对论的预言一致。



　　当然，要建成一个足以分辨黑洞视界的望远镜会面临多项挑战。一个显著的问题是，黑洞对于地球上的观测者而言实在太小了。现在天文学家认为，绝大多数星系的中心都存在超大质量黑洞，这些黑洞的质量可达数百万甚至数十亿倍太阳质量，有些黑洞的直径甚至超过我们的太阳系，而即使是它们，由于距离地球非常遥远，在天空中占据的角尺度也极小。距离最近的超大质量黑洞即人马座A*，位于银河系的中心，质量大约相当于400万个太阳。它的视界在天空中的张角只有50微角秒，大约相当于月球上的一张DVD。要想分辨角尺度这样小的天体，我们需要一架分辨能力比哈勃空间望远镜还要高2 000倍的望远镜。


　　不仅如此，我们到黑洞的视线还会因两种不同原因而被遮挡。首先，目标位于星系的正中心，在这里由气体和尘埃组成的稠密云团会封堵住大部分电磁波段。其次，我们想要探测的发光物体是由旋转着落向视界的高度压缩物质组成的灼热漩涡，这些物质本身对大部分波长的电磁辐射也是不透明的。因此，只有极狭窄的波长范围内的辐射，能够从黑洞边缘逃离，被地球上的观测者看到。

　　事件视界望远镜（EHT）项目的目标是通过国际合作来克服这些困难，对黑洞进行细致的观测。为了实现在地球表面观测所能达到的最高角分辨率，EHT采用了一项被称为“甚长基线干涉测量”（VLBI）的技术——天文学家利用位于地球不同位置的射电望远镜同时对同一目标进行观测，将采集到的数据分别记录在硬盘上，之后再利用超级计算机整合这些数据，得到一张图像。通过这项技术，分布在地球上不同大洲的许多望远镜组成了一架虚拟的、地球尺寸的望远镜。而望远镜的分辨能力由观测波长与望远镜尺寸的比值决定，所以VLBI通常可以在射电波段对天空进行高分辨率成像观测，分辨能力远超所有光学望远镜。


　　通过技术革新，在波长最短的射电波段实现VLBI观测，EHT即将有能力克服黑洞成像观测上的所有挑战。在这些波长上（接近于1毫米），银河系几乎是“透明的”，因此在观测人马座A*时，EHT在视线方向上受到的气体干扰是最小的。相同波长的电磁波还能够穿透落黑洞的物质，让我们能够深入到人马座A*视界周围最靠近内部的区域。而且非常巧合的是，一架地球尺寸的望远镜在毫米波段的分辨能力刚好能够分辨距离我们最近的超大质量黑洞的视界。



　　与此同时，理论天体物理学家也通过建立数学模型和一些计算机模拟手段，对一系列可能的观测结果进行了探讨，并寻求方法来解释结果。利用新的超级计算机算法，他们模拟了紧贴黑洞视界边缘的物质的扰动。所有这些数值模拟的结果都显示，黑洞会在吸积流发出的光上投下一片“阴影”。
　　华盛顿大学的物理学家詹姆斯?巴丁（James Bardeen）在1973年预言了黑洞“阴影”的存在。根据定义，所有进入视界内的光子都无法返回。巴丁发现，在视界之外存在一条可让光子稳定绕行的轨道。如果一束光线跨过这一轨道向内传播，它将被黑洞永久俘获并沿螺旋轨道落向视界。



　　在视界与这一轨道之间产生的光线有可能逃出黑洞，但这仅限于它近乎笔直地径向冲出黑洞的情况。否则，该光束仍将被引力所俘获，其轨迹将折返回黑洞视界。巴丁发现的这一边界被称作光子轨道。对于光线来说，黑洞就像一个由光子轨道圈出来的不透明物体。光子轨道形成的亮环与在它以内的黑暗区域间的鲜明对比就形成了“阴影”。根据理论预言，在地球上观测到的“阴影”大小实际上会略大于光子轨道。这是因为黑洞周围的强引力场通过引力透镜效应将“阴影”的尺寸“放大”了。（更多关于“引力透镜”的内容请参阅本期文章《爱因斯坦的四大错误》。）



　　EHT现在已经为观测黑洞的“阴影”以及其他特征做好了准备。2007和2009年的观测已经证实这一项目在技术上是可行的，所以其终极科学目标是可以实现的。观测的目标分别是人马座A*和室女座A星系（M87）中心的另一个超大质量黑洞。这些早期观测联合了夏威夷、亚利桑那和加利福尼亚的台站，成功测量出上述两个天体在1.3毫米波段射电辐射的延伸范围。两次观测的结果均与理论预言的“阴影”大小一致。
　　未来，我们计划利用遍布全球各地的完整射电望远镜网络进行观测，获得的数据足可供我们构建出黑洞的精细图像。另一个同样重要的观测计划将利用VLBI数据搜寻局部的活跃区域（“热斑”），追踪它们在黑洞周围绕行的轨迹。因为广义相对论同时预言了黑洞的外观和黑洞周围物质的绕转方式，这些观测将提供一系列难得的机会，让我们可以在强引力条件下测试爱因斯坦的广义相对论。在强引力场中，相对论预言的一些极端现象会变得更加明显。

　　检验宇宙审查假说



　　EHT将帮助我们回答一个基本问题：人马座A*究竟是不是一个黑洞？目前所有能收集到证据都支持肯定的答案。然而，还没有人直接观测黑洞，而且仍然有其他符合广义相对论的可能性存在。例如，人马座A*可能是一个所谓的裸奇点。物理学中的奇点指的是这样的一个地方，在这里方程的解是无意义的，并且所有已知自然规律均告无效。广义相对论预言，宇宙起源于一个奇点——在这个初始时刻，宇宙的所有组成成分均聚集在一个密度无限大的点上。该理论同时告诉我们，每个黑洞的中心均存在一个奇点——此处引力无穷大，所有物质均被压缩至密度无穷大。


　　在黑洞中，视界将奇点与我们的宇宙隔绝开来。然而，广义相对论并不要求每一个奇点都被视界包裹。爱因斯坦方程组有无穷多个允许“裸”奇点存在的解。有些解描述的是这样的情况：当普通黑洞以极快的速度自转时，视界会“张开”，露出里面的奇点。也有一些解描述的黑洞本身就没有视界。
　　与黑洞不同，裸奇点目前仍仅存在于理论研究之中：尚没有人建立起让裸奇点在真实世界中形成的机制。当前，所有符合天体物理学规律的、针对恒星引力塌缩所做的计算机模拟得出的结果都是有视界的黑洞。因此，罗杰?彭罗斯（Roger Penrose）于1969年提出了宇宙审查假说：自然界会以某种机制审查每一个奇点的裸性，使其总是包裹在视界之内。
　　1991年9月，加州理工学院的物理学家约翰?普雷斯基（John Preskill）和基普?索恩（Kip Thorne）与剑桥大学的物理学家斯蒂芬?霍金（Stephen Hawking）就宇宙审查假说的正确性和裸奇点的存在打了个赌。二十几年过去了，赌局仍然悬而未决，物理学家也热切期待着一个能让这场赌局分出胜负的实验。即使证实人马座A*有一个视界，也不能断言裸奇点在宙其他地方不存在，但是，如能确定银河系中心的黑洞是一个裸奇点，那么我们就能直接观测到，在现代物理规律失效的环境下，有哪些奇异的现象。



　　寻找黑洞的“毛发”


　　推翻宇宙审查假说并不能给广义相对论致命一击，因为相对论方程也允许裸奇点存在。但我们仍可以期待EHT对另一个长期存在的观点进行验证，即黑洞无毛定理。如果无毛定理是错的，广义相对论至少需要得到修正。对这一定理的数学证明没有留下任何回旋的余地。
　　根据这一定理，任意被视界包裹的黑洞都可以被三个物理量完整地描述：质量、自旋和电荷。换言之，任意两个黑洞，只要质量、自旋和电荷都相等，那么这两个黑洞应该是完全一样的，就像两个电子一样是不可区分的。根据该定理的描述，黑洞是没有“毛发”的，没有任何几何上的不规则性或其他可区分的性质。最初考虑利用VLBI对黑洞进行成像观测的时候，我们认为可以利用黑洞“阴影”的形状及尺寸来了解黑洞的自转速度及其自转轴的方向。


　　然而，数值模拟却给我们带来了一个意外的惊喜：在模拟中，无论我们如何改变黑洞的自转速度以及虚拟观测者的位置，黑洞的“阴影”总是呈现为近似圆形，并且其尺寸大约为5倍视界半径的大小。由于某一幸运的巧合——或者有某一尚未被我们发现的深层次物理规律，不管我们如何改变模型中的参数，黑洞“阴影”的大小和形状都保持不变。这一巧合对于我们验证爱因斯坦的理论是极有利的，因为它仅在相对论成立的前提下出现（见前页图示）。如果人马座A*有一个视界，并且其“阴影”的大小或形状与我们的预言有偏差，那么这就违背了无毛定理——进而也违背了广义相对论。


　　追踪吸积流


　　EHT的观测数据所提供的远不只是黑洞的图像。每根天线都将记录黑洞辐射的全部偏振信息。这些信息将为我们提供黑洞视界附近的磁场分布地图。这些地图能帮助我们了解自某些星系 （如M87）中心发射出的强大喷流背后的物理机制。喷流由速度接近光速的极高能粒子束组成，其长度可达数千光年。天体物理学家相信，是超大质量黑洞视界附近的磁场驱动着这些喷流，研究磁场的分布将有助于对这一假说进行验证。


　　通过观察黑洞周围物质的运动，我们可以获得其他一些信息。围绕在黑洞周围的吸积流被认为是高度湍动和变化的。计算机模拟经常显示，吸积流中存在着局部的、短暂的磁活跃区域——“热斑”，跟太阳表面的磁暴类似。这些热斑可以解释在人马座A*中经常探测到的亮度变化，热斑与周围的吸积流一起以接近光速的速度绕黑洞旋转，在不到半小时的时间内即可完成一周。
　　在某些情况下，当热斑运动到黑洞的背面时，它们会受到引力透镜效应影响而产生一个近乎完整的“爱因斯坦环”——一个被引力扭曲的明亮圆环，与哈勃空间望远镜在其他遥远的类星体中拍摄到的一样。在其他情况下，热斑在绕行黑洞一段时间后会因失去能量而消失。



　　热斑的存在使得对黑洞成像的过程变得更为复杂，因为VLBI技术中望远镜的工作方式与延时摄影类似——虚拟快门在整个观测过程中一直处于开启状态，并利用地球的自转从尽可能多的角度拍摄黑洞。这期间，如果吸积流上有一个热斑在黑洞附近绕行，它的出现将使图像变得模糊，就如同照相机的快门开启时间过长时拍到的短跑运动员照片会变得模糊一样。
　　然而，热斑的存在又使我们能够对广义相对论进行一项完全不同的测试。利用一种名为“闭合相位变化追踪”的技术，EHT可以追踪热斑的轨道。这一技术首先测量来自热斑的同一束光线到达三个不同台站的时间延迟，然后利用基本的三角测量的方法推断热斑在天空中的位置。绕转的热斑将在望远镜收集的原始数据上产生独有的信号特征。与爱因斯坦方程组预测黑洞“阴影”
　　的大小和形状的情况几乎一样，这些方程同样预言了所有我们需要知道的描述热斑轨道的物理量。热斑的理论模型可能有些过于简略，而现实情况要更为复杂。不过，完全状态的EHT能在吸积流绕黑洞旋转的过程中，对吸积流的结构进行监测，并提供另一种方法，来检验广义相对论的预言在黑洞边缘附近是否成立。


　　非凡的证据


　　如果我们的观测结果与爱因斯坦的理论不一致会有什么后果呢？用卡尔?萨根（Carl Sagan）的名言来回答：非凡的主张需要非凡的证据。在自然科学领域，非凡的证据通常意味着利用独立的方法对某个主张进行一次或多次证明。在接下来的数年中，通过监测超大质量黑洞周围的恒星、中子星（大质量恒星引力塌缩后形成的极致密的微小天体）以及其他天体的轨道，强有力的光学和射电望远镜以及空间引力波探测器或许能提供这类证明。

为欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT）和下一代30米级的光学望远镜而建造的光学干涉仪GRAVITY，将会追踪银河系中心人马座A*视界附近恒星的轨道运动，这些恒星到黑洞视界的距离仅为视界半径的几百倍；正在南非和澳大利亚建造的射电干涉阵——平方千米天线阵（SKA）建成之后，将马上开始监测该黑洞附近的脉冲星（快速旋转的中子星）的轨道；还有，经过改进后的空间激光干涉天线（eLISA）将探测近邻星系中围绕超大质量黑洞旋转的致密天体所辐射出的引力波。因为黑洞的引力场非常强，上述这些天体的椭圆轨道会快速进动；并且进动效应会非常显著，以至于轨道上距离黑洞最远的点将会在几个轨道周期内沿圆形轨迹移动一周。

　　同时，黑洞将拖拽周围的时空，使得该时空中天体的轨道平面也产生进动。通过测量到黑洞不同距离处的天体的轨道进动速率，我们可以对黑洞周围的时空进行完整的三维重构，由此可以用很多方法，在极强引力场下对广义相对论进行验证。

　　上述所有设备联合起来，将帮助我们确认爱因斯坦的广义相对论——特别是它关于黑洞的预言——是会毫发无损地再存在一个世纪，还是会被献祭在科学进步的祭坛上。（本文译者 赵光耀目前在韩国天文学与空间科学研究院（KASI）从事博士后研究。）






广义相对论

广义相对论源于一个倏忽而至的灵感，故事发生在1907年底。1905年被称为“奇迹年”，爱因斯坦在这一年中提出了狭义相对论和光量子理论，然而两年时间过去了，他仍然还只是瑞士专利局的一名专利审查员。当时，整个物理学界还没能跟上他的天才智慧。

　　有一天，他坐在位于伯尔尼的办公室中，突然有了一个自己都为之“震惊”的想法。他回忆道：“如果一个人自由下落，他将不会感到自己的重量。” 后来，他将此称为“我一生中最幸福的思想”。这个自由落体者的故事已然成为了一个标志，甚至有一些版本真的认为，当时曾有一位油漆工从专利局附近的公寓楼顶坠落。与其他关于引力发现的绝妙故事（伽利在比萨斜塔投掷物体以及牛顿被苹果砸中脑袋）一样，这些事迹都只是经过美化、杜撰的民间传闻罢了。爱因斯坦更愿意关注宏大的科学议题， 而非“琐碎的生活” ，他不太可能因看到一个活生生的人从屋顶跌落而联想到引力理论，更不可能将此称为一生中最幸福的思想。

　　不久，爱因斯坦进一步完善了这个思想实验，他想象自由落体者处在一个密闭空间中，比如一部自由坠落的升降机。在这个密闭空间中，自由落体者会感到失重，并且他抛出的任何物体都会与他一起漂浮。他将无法通过实验来辨别，自己所处的密闭空间是正在以某一加速度做自由落体运动，还是正在外太空的无重力区域漂浮。

　　然后，爱因斯坦想象这个人仍在同一个密闭空间里，处于几乎没有重力的外太空中。此时有一个恒力将密闭空间以某一加速度向上拉升，他将会感到自己的脚被压到地板上。如果此时，他抛出一个物体，那么该物体也将会以加速运动落在地板上，就如同他站在地球上一样。他没有任何方法能够区分，自己是受到引力的作用，还是受到向上加速度的作用。

　　爱因斯坦称之为“等效原理” （the equivalence principle） 。以局域效应来看，引力和加速度是等效的。因此，二者是同一种现象的不同表现形式，即可以同时对加速度和引力作出解释的某种“宇宙场” （cosmic ?eld） 。

　　接下来，爱因斯坦花费了8年时间，把这个自由落体者思想实验，改写成为物理学史上最美、最惊艳的理论。在此期间，爱因斯坦的个人生活也发生了巨大的改变，他与妻子的感情破裂，独自一人居住在德国柏林，他不再是瑞士专利局的一名职员，而是成为了一名教授及普鲁士科学院（Prussian Academy of Sciences）的院士，不过后来，他开始渐渐疏远普鲁士科学院的同事，因为在那里，反犹太主义的浪潮正在不断高涨。去年，美国加州理工学院和普林斯顿大学共同决定，将爱因斯坦的文稿档案上传至互联网，让人们可以免费了解在这段时期中，爱因斯坦个人生活及对宇宙的观念的变化历程。当我们阅读档案，看到1907年年底爱因斯坦匆匆记下“一种基于相对论原理对加速度和引力的新思考”时，似乎可以感受到他当时的激动与兴奋。但当读到， “几天之后他以准备工作不正确、不严密、不清晰为由，拒绝了一家电力公司的交流电机专利申请” ，爱因斯坦的暴躁与厌倦也跃然纸上。

　　接下来的几年充满了戏剧性，因为一方面，爱因斯坦要争分夺秒地赶在竞争对手之前，找到描述广义相对论的数学表达式； 另一方面，他又要与分居的妻子在财产及探视两个儿子的权利方面作抗争。而到了1915年，爱因斯坦终于达到了事业的巅峰，提出了广义相对论的完整的理论形式，永远地改变了我们对整个宇宙的理解。

　扩展狭义相对论

　　在提出引力与加速度的等效原理后的近4年时间里，爱因斯坦并未在此思想的基础上有所建树，而是转而关注量子理论研究。但是到了1911年，他终于冲破学术界的壁垒，成为位于布拉格的查尔斯-费迪南德大学（Charles-Ferdinand University，现为布拉格

　　查理大学）的一名教授。此后，爱因斯坦将注意力重新放到引力理论上，并成功地将自己1905年提出的关于时空关系的狭义相对论推广到更一般化的情况。

　　进一步完善等效原理后，爱因斯坦发现这会产生一些令人惊奇的结果。比如，他的密闭空间思想实验表明，引力能够使光线弯曲。想象一下，当密闭空间正在加速向上时，一束光线从墙壁上的小孔中穿入。当光线到达对面墙壁时，光线与地板的距离会略微减小，因为密闭空间在此过程中被急速拉升。如果能够画出光线穿过密闭空间的轨道路径，那么，你将发现由于存在向上的加速度，光线发生了弯曲。等效原理认为，不论是加速上升，还是静止于引力场中，其效果都是相同的。也就是说，光线穿过引力场时也会发生弯曲。

　　1912年，爱因斯坦向一位老同学求助，希望他能帮忙解决复杂的数学问题，以描述一个弯曲的四维时空。在此之前，爱因斯坦的成功是基于他对隐藏于大自然背后的物理原理的敏锐洞察力，他总是将寻找这些原理的最佳数学表达式的任务交给别人。但是现在，爱因斯坦意识到数学可能是发现——而非仅仅是描述——自然法则的工具。

　　爱因斯坦探寻广义相对论的目标，是要找到描述两个相互交织过程的数学方程式——引力场如何作用于物质，使之以某种方式进行运动； 物质又如何在时空中产生引力场，使之以某种形式发生弯曲。

　　此后3年，爱因斯坦全力以赴试图完善他的理论，却发现在理论雏形中存在着缺陷。直到1915年初夏，爱因斯坦才找到完美描述其物理原则的数学表达式。

　　　与第一任妻子关系破裂

　　那时，爱因斯坦已搬到德国柏林，成为了一名教授，还当选了普鲁士科学院院士。但是，他发现自己的工作几乎没有得到任何支持。由于反犹太主义浪潮不断高涨，他无法与身边的同事形成研究伙伴关系。他与妻子米列娃? 玛里奇（Mileva Mari‘c）关系破裂，玛里奇也是一位物理学家，1905年爱因斯坦创立狭义相对论时，她曾是他的“顾问” 。米列娃带着他们年仅11岁和5岁的两个儿子回到了苏黎世。爱因斯坦与他的表姐艾尔莎（Elsa）关系在爱因斯坦耳边有两个滴答作响的时钟：其一他能感觉到希尔伯特正在逐步接近正确的方程；其二他已同意在11月份以他的理论为主题，为普鲁士科学院的院士们开设四次周四讲座。暧昧，后来她成为了爱因斯坦的第二任妻子，不过那时，他仍然独自生活在位于柏林中部的一间没有什么家具的公寓里。在那里，他无规律地吃饭、睡觉、弹奏小提琴，孤独地为他的伟大理论而奋斗。

　　整个1915年，爱因斯坦的个人生活开始陷入混乱。一些朋友不停催促他与米列娃离婚，然后和艾尔莎结婚； 另一些人则劝诫爱因斯坦不应该再与艾尔莎见面，也不应再让她接近他的儿子们。米列娃曾屡次写信向他要钱，对此爱因斯坦感到难以抑制的苦痛。“我认为这种要求已经没有讨论的余地， ”他回信说， “你总是试图控制我所拥有的一切，这绝对是不光彩的。 ”爱因斯坦努力维持着与两个儿子之间的通信往来，但他们却很少回信，于是，他指责米列娃不把自己的信给他们看。

　　然而就在1915年6月底，他的个人生活处于混乱不堪之际，爱因斯坦却思考出了许多关于广义相对论的内容。在那个月底，他以正在思考的问题为主要内容，在德国哥廷根大学（University of G?ttingen）开设了为期一周的系列讲座。哥廷根大学是全世界最杰出的数学研究中心，拥有许多非凡的天才，其中最著名的就是数学家大卫? 希尔伯特（David

　　Hilbert） 。爱因斯坦特别渴望与希尔伯特沟通交流——不过，后来发生的事情表明，爱因斯坦或许有些过于性急——他向希尔伯特解释了相对论的每一个艰涩难懂的细节。

　与数学家希尔伯特竞争

　　对哥廷根的访问取得了成功。几周之后，爱因斯坦向一位物理学家朋友说“我已说服希尔伯特认同广义相对论” 。在给另一位物理学家的信中，他更是赞叹道： “我已被希尔伯特深深吸引！”惺惺相惜之情，溢于言表。希尔伯特也同样为爱因斯坦及其理论着迷，以致于没过多久，他就开始自已动手尝试解开爱因斯坦迄今尚未完成的谜题——寻找能够完整描写广义相对论的数学方程。

　　1915年10月初，爱因斯坦已经听到了希尔伯特追寻答案的“脚步声” ，与此同时，他意识到当前版本的理论框架——他已花费长达两年时间，在《广义相对论和引力场理论纲要》 （Entwurf）基础上修改得到的结果——存在着严重缺陷。他的方程无法恰当地解释旋转运动。此外，爱因斯坦还意识到，他的方程并不是广义协变的，这意味着这些方程既不能真正使所有加速运动或非匀速运动成为相对的，也不能完全解释天文学家所观测到的水星轨道反常现象。水星的近日点， 即最接近太阳的点， 一直在逐渐偏移，牛顿物理学或爱因斯坦当前的理论版本，都无法对其做出恰当的解释。

　　在爱因斯坦耳边有两个滴答作响的时钟： 其一他能感觉到希尔伯特正在逐步接近正确的方程； 其二他已同意在11月份以他的理论为主题，为普鲁士科学院的院士们开设四次周四讲座。整个11月份，爱因斯坦几乎累得精疲力竭，在此期间，他一直在努力解决一系列的方程式，不断进行修改和更正，准备向终点作最后的冲刺。甚至在11月4日，爱因斯坦到达普鲁士国家图书馆大礼堂，即将开始第一次演讲时，他仍在努力修改他的理论。他一开始演讲就说： “过去4年来，我尝试建立广义相对论。 ”爱因斯坦以极为坦诚的态度，详尽讲述了他所面临的困难，并且承认自己还未找到完全符合该理论的数学方程。此时的爱因斯坦正处于创造力集中爆发前的阵痛阶段，科学史上的最重要时刻即将到来。

　　同时，他还要处理家庭生活中的危机。妻子不断给他写信，催促他寄钱并跟他讨论与两个儿子联系的规定。通过一位他们共同的朋友，她向爱因斯坦表示，不希望孩子们去柏林见他，因为在那里孩子们可能会发现他与他表姐的婚外情。爱因斯坦向朋友保证，他在柏林独自生活， “荒凉”的公寓已经有了“一种近乎教堂般的气氛” 。谈及爱因斯坦在广义相对论方面的研究工作，这位朋友回答说： “这是理所应当的，因为非比寻常的神圣力量正在那里发挥作用。 ”

　　就在他提交第一篇论文的那天，他给住在瑞士的大儿子汉斯（Hans）写了一份饱含苦痛又令人动容的信，信中写道： 昨天我收到了你寄来的短信，我因此感到十分高兴。我原本担心你不再愿意给我写信了??我会尽可能争取，让我们每年都有一个月时间待在一起，这样你仍然能感受到有一个疼你爱你的父亲。你可以从我这里学到很多东西，这是其他任何人都无法教给你的??在过去的几天里，我完成了有生以来最好的一篇论文。当你长大一些了，我会把这篇论文讲给你听。 在这封信的最后，他为自己表现出的心烦意乱感到些许抱歉。

　　他写道： “我常常专注于我的工作，以致忘记吃午饭。 ” 爱因斯坦还与希尔伯特进行了一次略显尴尬的交流。爱因斯坦听说这位哥廷根的数学家已经发现了《纲要》中方程的缺陷，担心他抢到先机，便写信给希尔伯特说，自己已经发现了其中的缺陷，并寄去了一份11月4日的演讲稿。在11月11日的第二次演讲中，爱因斯坦使用了新的坐标系，使得他的方程成为广义协变方程。但是结果表明，这种改变并没有起到决定性的作用。此时的他虽然离最终答案只差最后一点点距离，却无法再向前迈进一步。爱因斯坦又一次将演讲稿寄给了希尔伯特，并询问希尔伯特自己的进展情况。他写道： “我的好奇心正在妨碍我的工作！”

　　爱因斯坦肯定对希尔伯特的回信感到烦躁不安。因为希尔伯特说，已经想到一个“解决你的伟大问题的方法” ，并邀请爱因斯坦在11月16日来哥廷根，听他当面阐述。 “既然您对此很感兴趣， 所以我想在下周二完整详细地讲述我的理论， ”希尔伯特写道。

　　“如果您能来， 我和妻子将十分高兴。 ”然后， 在签下自己的名字后，希尔伯特又加上了一句既诱人又令人不安的附言——“根据我对您这篇最新论文的理解，您的解决方法与我的完全不同。 ”

　　　找到完美的引力场方程

　　11月15日，星期一，爱因斯坦在这一天共写了4封信。我们从中可以看到，爱因斯坦置身于个人生活与科学竞争的纠缠纷乱极富戏剧化的冲突之中。爱因斯坦写信给汉斯说，会在圣诞节去瑞士看他。 “或许我们单独呆在某个地方将会更好，比如在一个偏僻安静的小客栈， ”他对儿子说， “你觉得怎么样？” 然后，爱因斯坦给妻子写了一份和解信，感谢她没有“破坏我和孩子们的关系” 。在他写给一位朋友的信中说： “我已经修改了引力理论，并且意识到我之前的证明有一个漏洞……我很高兴将在年底到瑞士见我亲爱的儿子。 ”

　　他还回复了希尔伯特并婉拒了第二天访问哥廷根的邀请。他在信中坦言了自己的焦虑： “您在信中给我的暗示，让我满怀期望。然而，我必须克制自己前往哥廷根的冲动……我感到十分疲惫并且深受胃痛的困扰……如果可能的话，请寄给我一份您修正后的证明，以缓解我的焦躁之情。 ”

　　在匆忙仓促中，灵感不期而至，爱因斯坦终于取得重大突破想到了描写广义相对论的精确方程，这使得所有的焦虑都化为了喜悦。他对修正后的方程进行了测试，看看它们能否在水星轨道异常进动的问题上得出正确的计算结果。解答是正确的，修正后的方程预测出，水星近日点每100年出现43角秒的漂移。爱因斯坦激动万分，甚至出现了心悸。他告诉一位同事： “我沉浸在喜悦和激动中！”他还欣喜若狂地告诉另一位物理学家： “水星近日点运动的计算结果令我感到极为满意。天文学学究式的精确度对我们的帮助是多么巨大啊，我竟然还曾暗自对此嘲笑！”

　　11月18日，就在第三次演讲的当天早上，爱因斯坦收到了希尔伯特寄来的最新论文。让他感到有些沮丧的是这与自己的工作非常相似。他在给希尔伯特的回信中简洁清晰地表明了自己的优先权。 “在我看来，您所提供的这个系统与我在过去几周的研究几乎完全一致，我已将论文提交给科学院， ”他写道， “在我今天向科学院提交的这篇论文中，我没有基于任何引导性假设，而是从广义相对论出发定量推导出了水星近日点的运动。在此之前，没有任何一个引力理论可以做到这一点。 ”

　　第二天，希尔伯特友好且大度地回信，表示自己并没有优先权。 “诚挚祝贺您攻克了水星近日点运动的难题， ”他写道， “如果我能像您那样计算迅速，那么电子将会在我的方程中缴械投降，氢原子也将会为其不能辐射的原因表示抱歉。 ”

　　然而，在接下来的一天中，希尔伯特向哥廷根的一家科学杂志提交了一篇论文，给出了他自己版本的广义相对论方程。他为自己的文章取了一个并不是很谦虚的标题——《物理学的基础》 （The Foundations of Physics） 。我们尚不清楚，爱因斯坦是否认真研读了希尔伯特的论文，以及是否受到其内容的影响，他当时正在为普鲁士科学院的第4次讲座做准备。不管怎样，爱因斯坦在11月25日的最后一次演讲中，及时地提出了一组可以描述广义相对论的协变方程，那次此时的爱因斯坦正处于创造力集中爆发前的阵痛阶段，科学史上的最重要时刻即将到来。

　　同时，他还要处理家庭生活中的危机。演讲的题目为“引力场方程” （The Field Equations of Gravitation） 。在外行人看来，这个方程并不像质能公式E = mc2那样生动形象。然而，利用简明扼要的张量符号，将不规则且庞杂的数学表达作为下标列入其中，爱因斯坦场方程的最终形式依然足够简洁，甚至能让物理极客们将之印在T恤衫上。在该方程的众多变化形式中，有一个可以写成：Rμν- 1/2gμνR = -8πG Tμν方程左边如今被称为爱因斯坦张量（Einstein tensor） ，可以简写为Gμν，用以描述时空的几何结构是如何因物体的存在而弯曲变形的。方程右边描述了引力场中的物质运动。这个方程表明了物体是如何弯曲时空，以及这种弯曲又是如何反过来影响物体运动的。

　　不论是在当时，还是时至今日，关于优先权的争论仍然存在，科学家想知道，广义相对论数学方程中的哪些部分是由希尔伯特最早发现，而非爱因斯坦。然而无论如何，这些方程所表述的正是爱因斯坦的理论，正是爱因斯坦于1915年夏天在哥廷根向希尔伯特讲解了这一理论。希尔伯特在他论文的最终版本中颇有风度地指出：“在我看来，最终得到的引力微分方程，与爱因斯坦所建立的宏伟的广义相对论是一致的。 ”后来他曾总结说： “的确是爱因斯坦完成了这项工作，而不是数学家。 ”

　　在之后的几周内，爱因斯坦和希尔伯特修补了他们之间的关系。希尔伯特提名爱因斯坦为哥廷根皇家科学学会会员。爱因斯坦亲切地回信说，作为两个已经领略超凡理论的人，我们之间的关系，不应当受到世俗情绪的影响。 “我们之间曾存在某种怨意，我不想分析其原因， ”爱因斯坦写道，“这种情绪令我痛苦，我努力想摆脱它们，并最终战胜了这种情绪。我再次以纯粹的善意想起了你，希望你对我也同样如此。如果从这个粗鄙世界中挣脱出来的两个本该惺惺相惜的人，却不能相互欣赏、分享快乐，平心而论这是一件令人羞愧的事情。 ”

迄今为止最伟大的科学发现

　　我们可以理解爱因斯坦的自豪之情。他在36岁的年纪，就对我们的宇宙观做出了极富戏剧性的修正。他的广义相对论不仅仅是对一些实验数据的解释，也不只是发现了一组更加精准的定律，而是一种关于现实的全新视角。

　　通过狭义相对论的创立，爱因斯坦已经证明，空间和时间并非独立存在，而是形成了一种时空构造。如今，通过广义相对论的创立，这种时空构造不再仅仅是一个对象和事件的容器，而是具有了自身的动力机制——既可以被其中物体的运动所决定，又可以反过来决定其中物体的运动。就如同，当一颗保龄球和一些台球在弹簧床上滚过时，弹簧床会因此弯曲变形；反过来，弹簧床的弯曲变形也将决定球的滚动路径，使得台球向保龄球靠近。这种弯曲的时空构造，解释了引力及其与加速度的等效原理，还有关于各种运动形式的广义相对论。

　　在量子力学先驱、诺贝尔奖获得者保罗?狄拉克（Paul Dirac，获得1933年诺贝尔物理学奖）看来，它“或许是迄今为止最伟大的科学发现” 。而另一位20世纪物理学巨匠麦克斯? 波恩（Max Born，获得1954年诺贝尔物理学奖）称之为“人类思考自然的最伟大壮举，哲学思辨、物理直觉和数学技巧最令人惊艳的结合。 ”

整个创立广义相对论的过程让爱因斯坦疲惫不堪。他的婚姻已经破裂，战火正在欧洲肆虐。但他却感到从未有过的幸福。 “我最大的梦想已经实现， ”他欣喜若狂地向他最好的朋友、工程师米歇尔? 贝索（Michele Besso）说， “具备了广义协变性，且对水星近日点运动的计算惊人地精确。 ”他说自己“心满意足，同时又心力交瘁” 。

　　多年以后，当爱因斯坦的小儿子爱德华（Eduard）问及他为何如此知名时，爱因斯坦用简单的图像描述了他的基本观点——引力使得时空弯曲。他说： “一只盲目的甲虫在弯曲的树枝表面爬动，它没有注意到自己爬过的轨迹其实是弯曲的，而我很幸运地注意到了。 ”（本文译者  徐愚是中共中央党校博士，研究方向为科学技术哲学。）

相对论允许回到过去

1895年，赫伯特?乔治?威尔斯（H.G。 Wells）发表了他的第一部小说《时间机器》（The Time Machine），此时距离维多利亚女王结束她对英国长达60年的统治已经没几年了。与此同时，一个历史更加久远的王朝也即将走向衰落，那就是有着200年历史的牛顿物理时代。在1905年，阿尔伯特?爱因斯坦（Albert Einstein）发表了狭义相对论理论，这让艾萨克?牛顿（Isaac Newton）的理论遇到了巨大的麻烦，但威尔斯却因此高兴不已。

　　在爱因斯坦的理论中，许多在牛顿构建的世界下不可能发生的事情都有了转机，比如飞向未来的时间旅行。在牛顿的宇宙中，时间在任何一个地点，任何一个时间都是恒定的：它永远不会加速，也不会减速。但是，在爱因斯坦看来，时间是相对的。时间旅行不仅是可能的，它已经实实在在地发生了，尽管和威尔斯的想象可能不完全一样。

　　根据普林斯顿大学天体物理学家J ?理查德? 戈特（J。 Richard Gott）所说，迄今旅程最长的时间旅行者是谢尔盖?克里卡列夫（Sergei Krikalev）。在职业生涯中，这位俄罗斯宇航员在太空中呆了803天。就像爱因斯坦所证明的那样，相比较那些静止的物体而言，运动物体的时间流逝会更慢一些。所以当克里卡列夫在和平号空间站（Mir space station）里以27 359千米/小时的速度在轨道上运动时，时间流逝的速率与地球上的并不相同。当克里卡列夫在空间站时，他比那些地球上的伙伴们年轻了1/48秒。换而言之，他向未来穿行了1/48秒。

　　对于高速物体长距离运动而言，时间穿梭的效应更加明显。如果克里卡列夫在2015年离开地球，并以光速的99.995%在猎户座的恒星参宿四（Betelgeuse；距离地球520光年）与地球之间做一趟来回飞行。当他回到地球时，仅仅老了10岁，但是非常遗憾的是，他认识的所有人都早已去世，因为地球上已经过了1 000年，那时地球已是3015年了。戈特说， “我们已经知道，我们可以做到向未来飞越，这仅仅是钱和工程技术的问题。

　　尽管在实践时有很多的困难，但是向前穿越几个纳秒（甚至几个世纪） 却是非常直观和容易理解的。然而， 回到过去就难得多。起初，爱因斯坦的狭义相对论是禁止向过去穿越的，经过10多年的努力，在他发表广义相对论时，已经在理论中消除了对回到过去的限制。可是，如何让人回到过去依旧是一个非常棘手的问题。

　　广义相对论方程有很多的解，不同的解将会赋予宇宙不同的性质，只有在某些特定的解中，才能创造出可以返回过去的条件。目前我们还不清楚，其中是不是有一个解确切地描述了我们的宇宙。而这个问题又引出了更深层次的一些研究课题：比如，到底要在基础物理领域中做出多少细微的调整，才能允许我们回到过去？即使爱因斯坦的理论没有禁止我们回到过去，但是我们的宇宙本身会不会通过某种方式阻止这样的旅行？

　　物理学家一直思考着这些问题，并不是因为他们想象着某天时间穿越能成为现实，而是因为思考时间穿越的可能性，能让我们对自身居住的宇宙有更深入甚至意想不到的认识，比如，最初它是怎么产生的。

　　不一样的时间

　　威尔斯很有先见性地认为，我们生活在一个由三维空间和一维时间交织在一起的四维时空当中。而爱因斯坦的狭义相对论在某种程度上，让威尔斯十分欣喜，因为它让时间有了延展性。当时，爱因斯坦在研究什么？首先，尽管所有的运动都是相对的，但在宇宙任何地方，在任何人看起来，物理定律必须是一样的。第二点，从任何一个参考系观察，光速必须是不变的： 如果每个人都看到了同样的物理定律在起作用，那么当他们测量光速时，一定会得到相同的结果。基于这两点思考，爱因斯坦获得了突破性的成功。

　　为了让光速成为普适的速度限制，爱因斯坦必须抛弃两个常识性的概念：对于一段给定的长度，所有观测者得到的观测结果都一样；对于所有人来说时间流逝的快慢是一致的。他证明，当一个时钟快速地经过一个静止的人时，运动时钟要比这个人身旁的静止时钟走得慢。同时，快速运动的尺子，长度也会缩短。而对与时钟和尺子按照同一速度运动的人来说，时间的推移和尺子的长度都是正常的。

　　在低速下运动时，狭义相对论的时空扭曲效应是可以忽略不计的。但是对于运动速度接近光速量级的物体而言， 这种效应是真实存在的。比如，许多的实验已经证实，一种叫做μ介子（muon）的不稳定粒子在以接近光速的速度运动时，衰变速率减慢了一个数量级。实际上，这种高速运动的μ介子，就是缩小版的时间旅行者（亚原子层次上的克里卡列夫），向未来跳跃了几个纳秒。

　　哥德尔的奇异宇宙

　　那些快速运动的时钟、尺子和μ介子都是在向未来运动，他们是否能够回到过去？库尔特? 哥德尔（Kurt G?del）利用广义相对论描述了一个可以穿越到过去的宇宙，他也是第一个找出这样的宇宙的人。他是著名的不完备定理（the incompleteness theorems）的创立者，这个定理划定了数学能够证明什么和不能证明什么的范围。他是20世纪卓越的数学家之一，也是最为古怪的人之一。他有许多奇怪的小癖好，比如对婴儿食物和通便剂的喜爱。

　　爱因斯坦70岁生日的时候，哥德尔将这个宇宙模型作为礼物送给了爱因斯坦，但爱因斯坦对这样的宇宙模型充满了怀疑。哥德尔所描述的宇宙具有两个独特的性质： 它是旋转的，这样就能提供离心力，防止宇宙中的物质塌缩到一起，也就满足了爱因斯坦对于任何一个宇宙模型都必须是稳定的要求。但是它同时允许向过去穿越的时间旅行，这一点让爱因斯坦深深不安。在哥德尔的宇宙模型中，一个太空旅行者出发后，能够最终到达她（他）自己过去的某一点，好比旅行者在一个巨大圆柱体的表面走完了一圈。物理学家将这个时空轨迹称之为“闭合类时曲线 （closed timelike curves）” 。

　　在时空中，一个闭合类时曲线可以是任何能够返回到自身的路径。在哥德尔的旋转宇宙中，这样的曲线就像地球表面的纬度线一样环绕整个宇宙。物理学家已经设计出了很多不同类型的闭合类时曲线，至少在理论上，所有这些曲线都是允许回到过去的。不过，沿着任何一条曲线的旅行都会显得平淡无奇、甚至让人失望，你通过飞船的舷窗看到是恒星和行星这些宇宙空间中的寻常景象。

　　更为重要的是，在这次的旅途中，你自己钟表上的时间将会按照正常的速率向前流逝，尽管你会回到过去的一个时空位置上，但是时钟的指针却并不会因此反向转动。朱利安?巴伯 （Julian Barbour）是一位独立的理论物理学家，他住在英国牛津附近，他说，“早在1914年的时候，爱因斯坦已经意识到了闭合类时曲线可能存在。 ” 。

　　据巴伯回忆，爱因斯坦曾说过： “我的直觉强烈地反对它。 ”这类曲线的存在会给因果律带来各种各样的问题。如果事情已经发生，过去如何能被改变？还有一个古老的祖父悖论： 如果一个时间旅行者在他的祖父遇见他的祖母之前，就将祖父杀死，那么在这个时间旅行者身上会发生些什么，这位疯狂的旅行者还会出生吗？

　　幸运的是，对于那些因果论的爱好者来说，天文学家目前没有发现任何宇宙在旋转的证据。哥德尔自己也曾苦心钻研星系列表，寻找可能证明自己理论的线索。或许哥德尔没有设计出一个真实的宇宙模型，但是他的确证明了闭合类时曲线和广义相对论的方程是完全相容的。物理定律并没有排除向过去穿越的可能。这种可能性有多少？

　　在过去的几十年中，宇宙学家已经利用爱因斯坦的方程，构建了许多不同的闭合类时曲线。哥德尔要求在整个宇宙有某种特性才能使其存在，但是，最近的一些热衷于时空穿梭的人发现，在宇宙局部区域弯曲时空也能制造出闭合类时曲线。

　　在广义相对论中，行星、恒星、星系和其他大质量天体都会弯曲时空。弯曲的时空反过来将会引导这些大质量物体的运动。就像后来的物理学家约翰?惠勒（John Wheeler）所说的， “时空告诉物体如何运动； 物体告诉时空如何弯曲” 。在非常极端的情形中，时空或许能弯曲到一定的程度，从而创造出从现在回到过去的路径。

　　物理学家们已经提出了一些非常奇怪的机制，试图创造这样的路径。在1991年的一篇文章中，戈特证明如何在两根宇宙弦（cosmic string； 一种无限长，比原子尺度还要薄的结构，或许形成于宇宙早期）交汇的地方产生闭合类时曲线。1983年，加州理工学院的物理学家基普?索恩 （Kip Thorne）开始探讨一种叫做虫洞的闭合类时曲线的可能性（虫洞是一种连接不同时空地点的通道） ，这种虫洞或许允许回到过去。

　　“在广义相对论中，如果你连接了两个不同的空间区域，那么你也连接了不同的时间区域” ，肖恩?M?卡罗尔（Sean M.Carroll）说，他是索恩在加州理工学院的同事。进入虫洞的入口将是球形的，它是一个进入四维通道的三维入口。像所有的闭合类时曲线一样，通过虫洞的旅行“和其他旅行没什么不同” ，卡罗尔说， “并不是你在这个时刻消失，然后在另外一个时刻被重新组装起来。目前还没有任何合适的理论允许这种科幻似的时间旅行” 。对于所有的旅行者而言，他补充道： “时间都是在一秒一秒地向前流逝，只是你当地时间‘向前’的速率和宇宙其他地方不那么同步而已” 。

　　尽管物理学家能够写出描述虫洞或者其他闭合类时曲线的方程，但所有的模型都有严重的问题。卡罗尔说，“首先，为了得到一个虫洞，你需要负能量” 。一块空间中的能量会自发涨落，当它小于零时，就会出现负能量。如果没有负能量，虫洞的球形入口和四维通道就会瞬时向内塌缩。对于能被负能量一直支撑，并且保持开放状态的虫洞，卡罗尔说： “看起来非常困难，甚至是不可能的。在物理上看来，负能量也是很糟糕的一件事。 ”即使负能量能够保持虫洞敞开，在你想借此制造时间机器时，“粒子会穿过虫洞，而且每个粒子都会来回穿梭无限多次， ”卡罗尔说， “这可会产生无穷大的能量。 ”而巨大的能量会让时空变形，使整个虫洞塌缩成黑洞 （一个在时空中无限致密的点） 。卡罗尔说：“我们不是100%确信这一切会发生，但是看起来非常有可能。实际上宇宙正在通过制造黑洞来阻止你制造一架时间机器。 ”

　　和诞生自广义相对论的自然产物（黑洞）不同，虫洞和闭合类时曲线是人为构造出来， 这是用来测试理论边界的一种方式。“黑洞很难避免， ”卡罗尔说， “但闭合类时曲线的产生却是非常困难的。 ”即使虫洞在现实环境中行不通，但它符合广义相对论的事实也有重要的意义。 “我觉得非常奇妙，即使距离将时间旅行扫地出门只有一步之遥，但我们就是没法做到，这也让我有些懊恼， ”卡罗尔说。

　　更令人恼火的是，在爱因斯坦优美的理论中，居然允许存在看起来几乎不可行的事情。但是仔细考虑这些令人心烦的可能性，物理学家或许可以对我们所居住的宇宙有更深入的理解。或许，如果我们宇宙不允许向过去穿越，那它就根本不会存在。

　　宇宙是自己产生的？

　　广义相对论在最大的尺度上描述了宇宙，而量子力学则提供了原子尺度上的说明书。同时，量子力学为闭合类时曲线提供了另一种可能出现的场合——宇宙起源之时。威斯康辛大学密尔沃基（University of Wisconsin–Milwaukee）分校的物理学家约翰? 弗里德曼（John Friedman）说： “在极小的尺度上（10–30厘米） ，时空的拓扑结构可能发生涨落，如果没有出现任何基本层面的理论障碍，随机涨落中或许会出现闭合类时曲线。 ”那么能不能用某种方法放大和控制量子涨落，把它变成时间机器？“虽然没有明确的证据说明不能在宏观尺度上拥有闭合类时曲线， ”弗里德曼说， “但是，凡是考虑过这些问题的人们都不支持这种观点。 ”

　　毫无疑问，不管是在量子尺度还是在宇宙尺度上，创造一个时空的环路都是需要非常极端的物理条件。戈特说，最有可能出现极端物理条件的地方，就是宇宙最开始的地方。1998年，戈特和天体物理学家李立新（现就职于北京大学）共同发表了一篇文章，在文章中，他们认为闭合类时曲线不仅是可能的，而且对解释宇宙起源是非常必要的。戈特说， “我们研究了宇宙孕育出自己的可能性，也就是说，宇宙最开始那一刻的闭合时间回路，能否让宇宙创造出自己。 ”

　　戈特和李立新的宇宙模型就像标准的大爆炸宇宙学（一种遍及各处的能量场驱动了宇宙的初始膨胀）一样，以一段暴胀作为开始。现在，许多科学家都相信，暴胀除了形成我们所在的宇宙，还形成了无数其他的宇宙。 “暴胀一旦开始，就很难停止， ”戈特说， “它就像一株具有无穷条枝杈的树，我们只是其中一个分枝。但是， 你必须问自己， 主干来自哪里？李立新和我认为，很有可能是其中一个分枝回环构成了一个循环，然后成长为主干。 ”

　　如果对戈特和李立新的自启动式宇宙做一个非常简单的二维速写，它看起来就像是数字“6” ，时空的环路位于底部，我们现在的宇宙位于顶端。戈特和李立新从理论的角度推断，突然出现的暴胀允许宇宙从时间环路中逃离，并且膨胀成我们当前居住的宇宙。要理解这个宇宙模型有些困难，但是戈特却认为，这个理论最吸引人的地方在于，它消除了“凭空创造出一个宇宙”的需求。

　　然而塔夫茨大学（T ufts University）的亚历山大?维兰金（Alexander Vilenkin），剑桥大学的斯蒂芬? 霍金（Stephen Hawking），和加利福尼亚大学圣巴巴拉（ University of California， Santa Barbara）分校的詹姆斯? 哈妥（James B。 Hartle）共同提出了一个模型，在这个模型中宇宙就是凭空产生的。根据量子力学，真空并不是绝对的空，它充满了虚粒子，这些粒子会自发产生并且迅速湮灭。霍金和他的同事理论推测，我们的宇宙也同样来自量子真空。但是在戈特看来，宇宙不是产生于“虚无” ，它应该是从它自己中诞生的。

　一场新的较量

　　目前，我们没有任何的办法来验证这些理论中有哪个可以真正解释宇宙的起源。著名的物理学家理查德? 费曼 （Richard Feynman）将我们的宇宙比喻为一场在神之间进行的国际象棋比赛。他说，科学家们试图在不知道规则的情况下理解这场比赛。在看到神将士兵向前移动一格时，我们学到了一个规则：士兵只能向前移动一格。但是，如果这只是因为我们从未没看到比赛的开始，没看到那时兵可以向前移动两步呢？我们或许也会错误地假设兵永远只能是士兵，它们永远不会改变身份，直到我们看到兵变成为一个后。

　　“你或许会说那违反了规则， 你不能将兵变成后！” 戈特说， “好吧，其实是可以的。只是你之前没有看到过那么极端的比赛而已。时间旅行的研究大抵也是那样，我们通过查看一些极端环境来测试物理定律。对于向过去穿越的时间旅行，逻辑上没有任何限制，只是它不符合我们已经熟悉甚至习惯的宇宙而已。 ”将兵变成一个后很可能仅仅是相对论规则的一部分， 戈特还说， “我们的宇宙如何走到了现在，这才是重要的。 ”

　　相比于物理，这些疯狂的推测和想法更贴近哲学。但是，量子力学和广义相对论（强大并且反直觉的理论）已是目前能够帮助我们弄明白这个宇宙的全部理论。 “只要人们试图将量子理论和广义相对论带到这个话题中，我想说的第一件事就是，他们并不是真的知道自己在做什么， ”纽约大学的科学哲学家蒂姆?莫德琳（Tim Maudlin）说， “这些都不是严谨的数学，因为有部分看起来像广义相对论的，另一部分又看起来像量子理论的，通过某种不够和谐的方式组合在一起。但这也是人们必须要去做的，说实在的，他们还不知道如何通过一套行之有效的办法向前推进。 ”

　　在未来，会不会出现新的理论，完全否定向过去穿越的可能性？或者说，新的理论让我们再次惊叹原来宇宙比我们想象的更加奇怪？在爱因斯坦重新定义了时间之后，物理学已经取得了突飞猛进的发展。曾经，时间穿越只存在于威尔斯的小说中，现在，我们在现实生活中，至少能实现向未来穿越。当我问戈特，是不是很难相信宇宙间存在某种对称性，让我们可以在时空中穿行？他用一则轶事回答我说， “一次，爱因斯坦和一个年轻人聊天。年轻人抽出笔记本，在上面写下了一些东西。爱因斯坦问，那是什么？年轻人说， 一个笔记本， 只要我有好想法， 就会把它记下来。爱因斯坦说，我从来不需要笔记本，因为我只有三个好的想法。 ”戈特说： “我想，我们在等待一个新的好想法。 ” 这个自由落体者的故事已然成为了一个标志，甚至有一些版本真的认为，曾有一位油漆工从专利局附近的公寓楼顶坠落。与其他关于引力发现的绝妙故事（伽利略在比萨斜塔投掷物体以及牛顿被苹果砸中脑袋）一样，这些事迹都只是经过美化、杜撰的民间传闻罢了。爱因斯坦更愿意关注宏大的科学议题，而非“琐碎的生活” ，他不太可能因看到一个活生生的人从屋顶跌落而联想到引力理论，更不可能将此称为一生中最幸福的思想。

　　不久，爱因斯坦进一步完善了这个思想实验，他想象自由落体者处在一个密闭空间中，比如一部自由坠落的升降机。在这个密闭空间中，自由落体者会感到失重，并且他抛出的任何物体都会与他一起漂浮。他将无法通过实验来辨别，自己所处的密闭空间是正在以某一加速度做自由落体运动，还是正在外太空的无重力区域漂浮。 然后，爱因斯坦想象这个人仍在同一个密闭空间里，处于几乎没有重力的外太空中。此时有一个恒力将密闭空间以某一加速度向上拉升，他将会感到自己的脚被压到地板上。如果此时，他抛出一个物体，那么该物体也将会以加速运动落在地板上，就如同他站在地球上一样。他没有任何方法能够区分，自己是受到引力的作用，还是受到向上加速度的作用。

　　爱因斯坦称之为“等效原理” （the equivalence principle） 。以局域效应来看，引力和加速度是等效的。因此，二者是同一种现象的不同表现形式， 即可以同时对加速度和引力作出解释的某种“宇宙场” （cosmic ?eld） 。

　　接下来，爱因斯坦花费了8年时间，把这个自由落体者思想实验，改写成为物理学史上最优美、最惊艳的理论。在此其间，爱因斯坦的个人生活也发生了巨大的改变，他与妻子的感情破裂，独自一人居在德国柏林，他不再是瑞士专利局的一名职员，而是成为了一名教授及普鲁士科学院（Prussian Academy of Sciences）的院士，不过后来，他开始渐渐疏远普鲁士科学院的同事，因为在那里，反犹太主义的浪潮正在不断高涨。

去年，美国加州理工学院和普林斯顿大学共同决定，将爱因斯坦的文稿档案上传至互联网，让人们可以免费了解在这段时期中，爱因斯坦个人生活及对宇宙的观念的变化历程。当我们阅读档案，看到1907年年底爱因斯坦匆匆记下“一种基于相对论原理对加速度和引力的新思考”时，似乎可以感受到他当时的激动与兴奋。但当读到， “几天之后他以准备工作不正确、不严密、不清晰”为由，拒绝了一家电力公司的交流电机专利申请” ，爱因斯坦的暴躁与厌倦也跃然纸上。

　　接下来的几年，充满了戏剧性，因为一方面，爱因斯坦要争分夺秒地赶在竞争对手之前，找到描述广义相对论的数学表达式；另一方面，他又要与分居的妻子在财产及探视两个儿子的权力方面作抗争。而到了1915年，爱因斯坦终于达到了事业的巅峰，提出了广义相对论的完整的理论形式，永远地改变了我们对整个宇宙的理解。

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