揭秘爱因斯坦引领的宇宙扭曲

爱因斯坦的“扭曲”世界

牛顿躺在果园里，思考着苹果为什么要朝地上掉，以致砸到了脑袋上，而不是朝天上飞去的问题。你听说过这个故事吗?牛顿的万有引力理论一经创立随即大获成功，利用牛顿理论计算出的太阳系各大天体的运行轨道，看来是准确无误的。直至今天，科学家们还在以牛顿理论为基础，计算，预报日食和月食的发生时刻，及彗星和小行星轨道的近日点、近地点等。其结果之精确，完全可以令科学家们引以自豪。

万有引力在地球上人们的日常生活中主要表现为重力。重力加速度g是由于地球质量对物体的引力而产生的。牛顿引力理论的基本思想，是把物体间的引力和物体的质量联系起来，这是人类科学史上一次重大的飞跃。但是，到了1905年，一位德国出生的犹太物理学家对牛顿理论的“完美无缺”提出了挑战，他就是阿尔伯特·爱因斯坦。

立体空间可以用X、Y、Z三个坐标来描述，所以空间是“三维”的。而时间总是沿着一个方向进行的，因而它是“一维”的。现在人类认识到的空间和时间就被总称为“四维时空”。爱因斯坦的理论指出，在一个大质量物体(例如恒星)周围，由于它的强大引力场的作用，四维时空会发生明显的弯曲，而弯曲的时空会作用于其内部的物体，影响它们的运动;但在远离该大质量物体的地方，由于引力场明显减弱，四维时空仍是“平直”的，在那里物体的运动并不受什么影响。这就是爱因斯坦提出的“广义相对论”中的思想。

可是，“弯曲时空”这个概念听起来很抽象，甚至有点“玄”。在广义相对论刚刚发表的时候，全世界的科学家们并没有接受它，这是因为人们根本弄不懂它。据说当年全世界只有不到10个人听得懂广义相对论。另一方面，人们也知道全世界每年发表的这样那样的“理论”虽然多得数不胜数，但真正能够经得起检验的并不很多。可是，后来发生的两件事，却大大支持了广义相对论，从而牢固地确立了广义相对论的科学地位。

原来，牛顿理论虽然在绝大多数场合都正确无误，却唯独在计算太阳系最内部的行星——水星的轨道时，发生了很大的困难，因为它不能解释水星轨道的“进动”。这样，牛顿理论在水星轨道问题上露出了它的一点“破绽”。而广义相对论在用于行星轨道时，不仅结果完全正确，还能预示水星轨道的进动，其计算值与观测值符合得很好。这大大增强了人们对广义相对论的信心。(www.xing528.com)

还有，根据广义相对论，在弯曲的时空中，光不再沿着“笔直”的路线传播，而是沿着时空弯曲的方向而“弯折”地前进。你想，如果连光线都弯折了，这时就没有什么东西是“直”的了。可是，在地球上的常规实验室中，没有办法模拟强大的引力场，这种光线弯折效应就很难用实验来检验。后来，还是爱因斯坦为验证他的理论，想出了一个绝妙的主意。

在白天，太阳高挂在空中，事实上天上同时也高挂着很多恒星，只不过因为它们微弱的星光被强烈的太阳光淹没了，我们无法看到它们而已。另一方面，太阳是个大质量的天体，根据广义相对论，它周围的时空是会明显弯曲的。那么，位于太阳背后的那些恒星所发出的光，在到达地球之前，会经过太阳附近，所以它们的光会因时空弯曲而发生偏折。这时，在地球上的观察者看来(如果能看到的话)，同一恒星的位置与太阳不在这一方向时的位置相比较，会发生一点偏移。因为，我们总是以为光是沿着直线传播的。可是，太阳那么明亮夺目，怎样才能看到它附近的恒星呢?科学家想到了日全食。在日全食期间，太阳光被月球所遮挡，周围天空一片昏暗，太阳附近较亮的恒星会在短时间内显现出来。于是，急于验证广义相对论的天文学家们组成了一支“远征军”，从北半球的英国来到了南半球遥远的南非。在1915年5月29日，他们成功地观测了发生在那里的日全食，拍摄了日全食期间太阳附近恒星的照片。经过后来仔细地测量和计算，天文学家们确认了那时恒星的位置果真发生了偏移，而且实测的偏移量和用广义相对论的数学方程计算所得到的偏移量相差无几!于是，广义相对论被认真地、生动地验证了。这一事件震撼了全世界的科学家们，他们中的大多数从此接受了这种又奇妙又精彩的理论。除了水星轨道进动和光线在太阳引力场中的偏折外，检验广义相对论的实验还有引力红移和经过太阳附近时的雷达信号延迟。这四个著名的实验被叫做对广义相对论的“四大检验”。

由于广义相对论的数学表达式很深奥，为了形象化地解释它，有人画出了根据广义相对论来描述时空弯曲的图形，这种图又称“嵌入图”。它有点像一个平顶的“漏斗”。在“漏斗”的最下方，是大质量有强引力场的物体;“漏斗”的下部和中部，是时空弯曲程度最大的地方;而在“漏斗”平坦的顶部，由于距引力中心较远，这里的时空基本上不发生弯曲，一切都是平直的。

如果有人告诉你，所有放在摩天大楼一层的钟总比所有放在第一百零三层的钟走得慢些，你会相信吗?这的确是真的。从广义相对论可以推论，引力场会使时间变慢。因为放在一层的钟要比放在第一百零三层的钟更靠近地球的引力中心(它应位于地球的质心处)，所以大楼一层处时空弯曲的程度会更大些。但是，有关的计算也告诉我们，这种时钟快慢的差异是十分微小的，在一般情况下完全可以忽略不计，它对我们的日常生活也没有任何影响。此外，你还将看到，时间不仅和引力有关，它也和物体的运动有关，这就是爱因斯坦的“狭义相对论”的内容了。爱因斯坦给时间和空间赋于了以前我们从未知道的奇妙性质，这其中的思想是正确而又深刻的。