黑洞简史｜第二章 相对时空 物质告诉时空如何弯曲（2）

《黑洞简史》玛西亚·芭楚莎

——如果一个想法在一开始不是荒谬的，那它就是没有希望的。

主播：阿笙的梦茶园

第二章相对时空物质告诉时空如何弯曲(二)

宇宙飞船上的时间要比地球上的慢？

但是，天才的爱因斯坦意识到事情并非如此。那些快速移动中的宇航员怎么可能像我们在地球上一样，测量到相同的光速呢？但如果我们承认时间不是绝对的话，这个看似矛盾的问题就有望得到合理的解释。时间，好吧，是相对的。“速度”（单位：千米／秒，米／秒）一词涉及对时间的追踪，宇航员和地球上的人并不享有共同的时间标准。这是爱因斯坦的天才闪光点。因而，牛顿的宇宙时钟归根结底是一个精心雕琢的面具，它掩盖了时间的本质。

既然在真空中没有什么比光的速度更快，那么，在时间问题上，处于不同参考系的两位观察者也就无法达成一致意见。光的既定速度造成两位观察者的手表在时间上不可能完全同步。爱因斯坦发现，被距离和移动分隔开的观察者们对宇宙事件发生的时间意见不一致。

这种不一致还会导致其他后果。随便想想，就知道地球上的人和宇航员不会同意彼此的测量结果。质量、长度和时间都会因测量者的参考系不同而发生变化。从地球上看那艘迅速远去的飞船上的时钟，你会看到它的时间走得比在地球上慢一些。你还会看到宇宙飞船在它的运动方向上缩小了。但是，飞船上的人感觉不到自身和时钟的变化，当他们回过头来看迅速后退中的家园时，会看到地球上的物体同样缩小了；他们还会发现，地球上的时钟变慢了。我们与飞船上的人彼此测量的相对结果是相符的。无论两个观察者是相向运动还是反向运动，都会彼此观察到空间的收缩和时间的放缓。时间和空间在两个参考系里存在差异，而这种差异在彼此各自的环境中，却足以保持光速的相同。一旦宇航员从地球出发，从某种意义上说，就会进入到与地球人不同的、只有自己才能体验到的“小环境”里。我们不再享有相同的世界观，唯一可以达成一致的是光在真空中的速度，这是一个宇宙常数。

摒弃了绝对的时间观，绝对空间的概念也就不需要了。直觉告诉我们，太阳系是静止不动的，是宇宙飞船在某种不动的空间容器中疾驰而去。但这种直觉是错误的，不存在这样的空间实体。事实上，我们也可以认为宇航员没有动，是地球在飞离远去。既然如此，以太概念就纯属“多余”，爱因斯坦写道。他说，有了这个新观点，物理学家不再需要“由某种特殊物质填充的‘绝对静止的空间’了”。以太曾经为物理学家提供了独特的参考系，它标志着绝对的、普遍的静止状态。然而，这种飘缈的物质一直都是虚无的。“对我，还有其他很多人而言，这篇论文的激动人心之处不在于它的简练与完整，”物理学家马克斯·玻恩在狭义相对论发表50周年的庆典上说道，“而是对艾萨克·牛顿业已建立的哲学系统、传统的时间与空间观念进行的无畏挑战。”

曾是爱因斯坦老师的数学家赫尔曼·闵(mǐn)可夫斯基，睿智地觉察到爱因斯坦的新理论中更深层的美。基于良好的数学素养，闵可夫斯基意识到，可以用几何模(mó)型(xínɡ)解释狭义相对论。他指出，爱因斯坦的理论在本质上把时间变成了第四维度，将时间和空间合并为一个单一的实体——时空。我们可以认为时空是一系列堆叠在一起的快照，描摹(mó)着空间在秒、分钟、小时等时间单位上的变化。只是现在快照融合在了一起，成为一个连续的整体。从维度上看，时间就像空间的又一个组件。速度被定义为距离除以时间，如果光行走的距离缩短了，时间也必须慢下来，以保持比率不变，这是光速不变的结果。时间和空间，两者不可避免地要联系在一起。闵可夫斯基在1908年发表了著名的演讲：“从此，孤立的空间和单纯的时间注定消隐为过去，只有两者的统一体才会走进鲜明的现实。”

闵可夫斯基还机敏地意识到，尽管在不同的情形下，不同的观察者可能对事件发生于何时何地意见不同，但他们会在时空的组合上达成一致。在一个参考系中，一个观察者可以观测到两个事件之间确定的距离和时间间隔；在另一个参考系中，另一个观察者也许会观测到更多的空间或更少的时间；但在这两种情形下，他们会发现，总的时空间隔是相同的。最基本的量不再是单独的空间或单独的时间，而是在长度、宽度、高度和时间所有四个维度上的同时组合。

爱因斯坦不是数学专家，并未立即意识到闵可夫斯基几何模型的价值。当他初次知道闵可夫斯基的想法后，宣称抽象的数学模型是“平庸且多余的学问”。这是因为，对他来说，闵可夫斯基的新颖构想似乎并未在他精心创立的物理学说上增加任何附加价值。但他不久之后就改变了主意。

狭义相对论之所以被称为“狭义”，是有据可查的。它只适用于一种受限制的运动：匀速运动。这个范围相当狭窄。因而创立这个新理论后不久，爱因斯坦决定将其范围扩展到适用于所有类型的运动，包括那些离我们远去的事物的变速运动——无论这种运动是什么类型，是放慢了速度的、扭曲的抑或转向的。爱因斯坦说，与一个更为广义的相对论相比，狭义相对论是“孩子的把戏”。前者将会覆盖其余所有类型的运动，特别是引力引起的加速运动。

狭义相对论发表后，爱因斯坦声名鹊起，令他以前的一些老师们惊叹不已。学生时代的爱因斯坦经常抱怨教授们的课程乏味无聊，这令教授们不悦，也使他很难毕业后在学术界谋得职位。因此，作为一名初级审查员，爱因斯坦在瑞士专利局开始了自己的职业生涯。事实上，他觉得专利局的工作很充实。甚至在回忆中，他认为这7年是他一生中最快乐的时光。在专利局工作期间，爱因斯坦写出了首批重要的论文（包括狭义相对论和一篇关于光电效应的论文，他因后者获得了1921年诺贝尔物理学奖）。有了这些论文的发表，爱因斯坦作为物理学家的地位大幅提升。1909年离开瑞士专利局后，他接受了苏黎世工业大学和布拉格大学的系列聘任。1914年，当爱因斯坦搬迁到柏林，被聘(pìn)任为颇具声望的柏林大学的教授，并当选为普(pǔ)鲁(lǔ)士(shì)科学院院士时，可谓到达职业生涯的顶峰。虽然，那时的生活并不平静——有教学的重任，经历了一段失败的婚姻，还受到第一次世界大战的侵扰，但爱因斯坦仍然开启了一场智慧之战——构建广义相对论。爱因斯坦试图以相对论之光重塑牛顿的引力定律，并致力于解决此过程中遇到的所有问题。这一战就是近十年。

爱因斯坦并没有直奔牛顿的那些方程式，把它们批得体无完肤，这根本不是他的风格。他所做的首先是思考——冥思苦想。爱因斯坦知道，他需要先建立一个能够与我们对周(zhōu)遭(zāo)世界的感知相匹配的理论框架。他在头脑里上演各式各样的风暴，看看这些想法会导向怎样的结果。“就像一个孩子用各种色彩的积木搭建房子一样，”科学历史学家吉恩·艾森斯塔解释道，“爱因斯坦仅从几套原则入手，将这些概念模块或理论要素以不同的方式互相替换、移动、压缩、整理，就这样，他用这些作为砖块，宏伟的理论大厦便平地而起。”

爱因斯坦首先意识到，匀加速运动时我们感受到的（惯性）力与控制着我们的重力是同一种力，并且性质相同。用物理学术语讲，重力和匀加速运动时的（惯性）力是“等效的”。在地球上被重力向下拉和在一辆加速前进的小汽车上被向后拉没有区别。为了得出这一结论，爱因斯坦想象，在遥远的外太空中有一个没有窗户的房间，如魔法般一直持续向上加速。由于不能通过窗户向外观察，所以房间内(nèi)的人无法确定自己是否置身于太空之中。由于持续的加速，房间内所有人都会感觉到脚踩在地板上的力。你感觉到自己的体重，可以像在地球上那样轻松而安静地站在房间里。神奇加速的太空电梯和把你固定在原地的地球引力场，两者是等效系统。爱因斯坦认为，物理定律对于两种环境下（太空加速运动中的房间里和地球引力作用下）的人的状态的预测，事实上恰恰一致，这意味着，重力和加速度（引起的惯性力）在某种方式上是等效的。

为了解决问题，爱因斯坦在头脑中进行无拘无束的想象中的实验，这些实验带来了一些有趣的结果。如果观察在加速运行的太空电梯中的一个人向外扔出的球，球的运动路径就会出现在你面前。当电梯向上移动时，球会在外面划出一条向下的曲线。光束也会如此。但由于加速度（引起的惯性力）和重力有相同的作用，爱因斯坦认为，光也应该受到重力的影响。光在经过一个像太阳这样巨大的引力体时，会被吸引而变弯曲。正是附近的大质量物体，导致光束的路径变得弯曲。

受强大的直觉所驱使，1911年前后，爱因斯坦沿着这些想法更为急切地前进。那时候，他开始确认钟表会在引力场中慢下来。狭义相对论已经论述过，一个运动中的钟表会走得更慢。现在，爱因斯坦指出，处于引力场中的静止状态的钟表也会变慢。这是物理学家从未想到过的。他说，一个在空荡荡的太空中的钟表会比在地球重力拖拽下的钟表走得快一些。

爱因斯坦也逐渐认识到，他最终的方程式很可能要采用“非欧几里得几何”的方式来表述(shù)。这里说的非欧几里得几何不同于小学或初中课本中有基本公理的欧几里得几何。欧几里得几何是由著名的古希腊(là)数学家欧几里得于公元前3世纪创立的。在欧几里得几何中，空间是各向同性的，完全平坦的，永恒不变的。但爱因斯坦慢慢意识到，引力会导致空间的弯曲——更准确地说，是时空的弯曲。首次将时空概念引入相对论的人是闵可夫斯基，但爱因斯坦当时轻率地否定了这个说法。再次面对闵可夫斯基对狭义相对论的数学看法以及其创造的“平庸”的四维模(mó)型(xínɡ)，爱因斯坦最终心生感激和歉疚。如果没有闵可夫斯基的贡献，“广义相对论可能会僵在极其幼稚的状态”。爱因斯坦对自己之前的出言不逊不无懊悔。不幸的是，闵可夫斯基没有听到这句道歉。1909年，他死于阑尾炎，终年44岁。