愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論誕生背后的故事

撰文：沃爾特·艾薩克森（Walter Isaacson）?

翻譯：徐愚

本文作者沃爾特·艾薩克森是美國(guó)阿斯彭研究所的CEO,。他曾是美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)（CNN）的主席、《時(shí)代周刊》（Time）的主編,，并撰寫了多本暢銷書,，其中包括2011年出版的《史蒂夫·喬布斯傳》。

廣義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦提出的最著名的理論,，但很多人都不知道,，在廣義相對(duì)論的創(chuàng)立過(guò)程中交織著愛(ài)因斯坦個(gè)人生活的沖突、緊張的政治時(shí)局,，以及與另一位競(jìng)爭(zhēng)者的科學(xué)較量,。

廣義相對(duì)論源于一個(gè)倏忽而至的靈感。有一天,，愛(ài)因斯坦坐在位于伯爾尼的辦公室中,，突然有了一個(gè)自己都為之“震驚”的想法。他回憶道：“如果一個(gè)人自由下落,，他將不會(huì)感到自己的重量,。” 后來(lái),，他將此稱為“我一生中最幸福的思想”,。

接下來(lái),，他花費(fèi)了8年時(shí)間，把這個(gè)自由落體者思想實(shí)驗(yàn)改寫成為物理學(xué)史上最優(yōu)美,、最驚艷的理論,。到了1915年，愛(ài)因斯坦終于達(dá)到了事業(yè)的巔峰,，提出了廣義相對(duì)論完整的理論形式,，永遠(yuǎn)地改變了我們對(duì)整個(gè)宇宙的理解。

擴(kuò)展狹義相對(duì)論

1911年,，愛(ài)因斯坦成為位于布拉格的查爾斯-費(fèi)迪南德大學(xué)（現(xiàn)為布拉格查理大學(xué)）的一名教授,。他將注意力重新放到引力理論上，希望將自己1905年提出的關(guān)于時(shí)空關(guān)系的狹義相對(duì)論推廣到更一般化的情況,。

進(jìn)一步完善自由落體思想實(shí)驗(yàn)后,，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)這會(huì)產(chǎn)生一些令人驚奇的結(jié)果，比如引力能夠使光線彎曲：想象一下,，當(dāng)密閉空間正在加速向上時(shí),，一束光線從墻壁上的小孔中穿入。當(dāng)光線到達(dá)對(duì)面墻壁時(shí),，光線與地板的距離會(huì)略微減小,，因?yàn)槊荛]空間在此過(guò)程中被急速拉升。等效原理認(rèn)為,，不論是加速上升,，還是靜止于引力場(chǎng)中，其效果都是相同的,。也就是說(shuō),，光線穿過(guò)引力場(chǎng)時(shí)也會(huì)發(fā)生彎曲。

愛(ài)因斯坦探尋廣義相對(duì)論的目標(biāo),，是要找到描述兩個(gè)相互交織過(guò)程的數(shù)學(xué)方程式——引力場(chǎng)如何作用于物質(zhì),，使之以某種方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；物質(zhì)又如何在時(shí)空中產(chǎn)生引力場(chǎng),，使之以某種形式發(fā)生彎曲,。

與第一任妻子關(guān)系破裂

那時(shí)，愛(ài)因斯坦已搬到德國(guó)柏林,，成為了一名教授,，還當(dāng)選了普魯士科學(xué)院院士。但由于反猶太主義浪潮不斷高漲,，他無(wú)法與身邊的同事形成研究伙伴關(guān)系,。他與妻子米列娃·瑪里奇（Mileva Maric）關(guān)系破裂,，米列娃帶著他們年僅11歲和5歲的兩個(gè)兒子回到了蘇黎世,。愛(ài)因斯坦與他的表姐艾爾莎（Elsa）關(guān)系曖昧，后來(lái)她成為了愛(ài)因斯坦的第二任妻子，不過(guò)那時(shí),，他仍然獨(dú)自生活在位于柏林中部一間沒(méi)有什么家具的公寓里,。在那里，他無(wú)規(guī)律地吃飯,、睡覺(jué),、拉小提琴，孤獨(dú)地為他的偉大理論而奮斗,。

1912年,，愛(ài)因斯坦與他的表姐艾爾莎發(fā)生婚外戀情，后來(lái)艾爾莎成了他的第二任妻子,。

然而就在1915年6月底,，他的個(gè)人生活處于混亂不堪之際，愛(ài)因斯坦卻思考出了許多關(guān)于廣義相對(duì)論的內(nèi)容,。在那個(gè)月底,，他以正在思考的問(wèn)題為主要內(nèi)容，在德國(guó)哥廷根大學(xué)開(kāi)設(shè)了為期一周的系列講座,。哥廷根大學(xué)是全世界最杰出的數(shù)學(xué)研究中心,，擁有許多非凡的天才，其中最著名的就是數(shù)學(xué)家大衛(wèi)·希爾伯特（David Hilbert）,。愛(ài)因斯坦特別渴望與希爾伯特溝通交流,，他向希爾伯特解釋了相對(duì)論的每一個(gè)艱澀難懂的細(xì)節(jié)。

與數(shù)學(xué)家希爾伯特競(jìng)爭(zhēng)

希爾伯特也同樣為愛(ài)因斯坦及其理論著迷,，以致于沒(méi)過(guò)多久,，他就開(kāi)始自已動(dòng)手嘗試解開(kāi)愛(ài)因斯坦迄今尚未完成的謎題——尋找能夠完整描寫廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)方程。1915年10月初,，愛(ài)因斯坦已經(jīng)聽(tīng)到了希爾伯特追尋答案的“腳步聲”,，與此同時(shí)，他意識(shí)到當(dāng)前版本的理論框架存在著嚴(yán)重缺陷,。

在愛(ài)因斯坦耳邊有兩個(gè)滴答作響的時(shí)鐘：其一他能感覺(jué)到希爾伯特正在逐步接近正確的方程,；其二他已同意在11月份以他的理論為主題，為普魯士科學(xué)院的院士們開(kāi)設(shè)四次周四講座,。整個(gè)11月份,，愛(ài)因斯坦幾乎累得精疲力竭，在此期間,，他一直在努力解決一系列的方程式,，不斷進(jìn)行修改和更正，準(zhǔn)備向終點(diǎn)作最后的沖刺,。

愛(ài)因斯坦沉浸在工作中,，他獨(dú)自居住,，吃飯、睡覺(jué)都變得沒(méi)有規(guī)律,，有時(shí)拉小提琴為自己放松,。

此時(shí)的愛(ài)因斯坦正處于創(chuàng)造力集中爆發(fā)前的陣痛階段，科學(xué)史上的最重要時(shí)刻即將到來(lái),。愛(ài)因斯坦對(duì)朋友說(shuō),，他在柏林獨(dú)自生活，“荒涼”的公寓已經(jīng)有了“一種近乎教堂般的氣氛”,。這位朋友回答說(shuō)：“這是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，因?yàn)榉潜葘こ５纳袷チα空谀抢锇l(fā)揮作用?！?

找到完美的引力場(chǎng)方程

在匆忙倉(cāng)促中,，靈感不期而至，愛(ài)因斯坦終于取得重大突破,，想到了描寫廣義相對(duì)論的精確方程,，這使得所有的焦慮都化為了喜悅。他對(duì)修正后的方程進(jìn)行了測(cè)試,，結(jié)果修正后的方程正確預(yù)測(cè)出水星近日點(diǎn)每100年出現(xiàn)43角秒的漂移,。愛(ài)因斯坦激動(dòng)萬(wàn)分，甚至出現(xiàn)了心悸,。他告訴一位同事：“我沉浸在喜悅和激動(dòng)中,！”他還欣喜若狂地告訴另一位物理學(xué)家：“水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算結(jié)果令我感到極為滿意。天文學(xué)學(xué)究式的精確度對(duì)我們的幫助是多么巨大啊,，我竟然還曾暗自對(duì)此嘲笑,！”

在11月25日的最后一次演講中，愛(ài)因斯坦及時(shí)地提出了一組可以描述廣義相對(duì)論的協(xié)變方程,，那次演講的題目為“引力場(chǎng)方程”（The Field Equations of Gravitation）,。

在外行人看來(lái)，這個(gè)方程并不像質(zhì)能公式E = mc2那樣生動(dòng)形象,。然而,，利用簡(jiǎn)明扼要的張量符號(hào)，將不規(guī)則且龐雜的數(shù)學(xué)表達(dá)作為下標(biāo)列入其中,，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的最終形式依然足夠簡(jiǎn)潔,，甚至能讓物理極客們將之印在T恤衫上。在該方程有一個(gè)形式可以寫成：

Rμν- 1/2gμνR = -8πG Tμν

方程左邊如今被稱為愛(ài)因斯坦張量（Einstein tensor）,，可以簡(jiǎn)寫為Gμν,，用以描述時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)是如何因物體的存在而彎曲變形的，右邊則描述了引力場(chǎng)中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng),。這個(gè)方程表明了物體是如何彎曲時(shí)空,，以及這種彎曲又是如何反過(guò)來(lái)影響物體運(yùn)動(dòng)的,。

迄今為止最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)

通過(guò)狹義相對(duì)論的創(chuàng)立，愛(ài)因斯坦已經(jīng)證明,，空間和時(shí)間并非獨(dú)立存在,，而是形成了一種時(shí)空構(gòu)造,，而廣義相對(duì)論表明,，這種時(shí)空構(gòu)造既可以被其中物體的運(yùn)動(dòng)所決定，又可以反過(guò)來(lái)決定其中物體的運(yùn)動(dòng),。

這種彎曲的時(shí)空構(gòu)造解釋了引力及其與加速度的等效原理,，還有關(guān)于各種運(yùn)動(dòng)形式的廣義相對(duì)論。在量子力學(xué)先驅(qū),、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者保羅·狄拉克看來(lái),，它“或許是迄今為止最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)” 。而另一位物理學(xué)巨匠馬克斯·波恩（Max Born,，獲得1954年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）稱之為“人類思考自然的最偉大壯舉,，哲學(xué)思辨、物理直覺(jué)和數(shù)學(xué)技巧最令人驚艷的結(jié)合,?！?

整個(gè)創(chuàng)立廣義相對(duì)論的過(guò)程讓愛(ài)因斯坦疲憊不堪。他的婚姻已經(jīng)破裂,，戰(zhàn)火正在歐洲肆虐,，但他卻感到從未有過(guò)的幸福?！拔易畲蟮膲?mèng)想已經(jīng)實(shí)現(xiàn),，”他向他最好的朋友說(shuō)，“具備了廣義協(xié)變性,，且對(duì)水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算驚人地精確,。”他說(shuō)自己“心滿意足,，同時(shí)又心力交瘁”,。

本文由《科學(xué)美國(guó)人》中文版《環(huán)球科學(xué)》供稿。

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