物理与数学的火花：相对论百年历史回顾与展望

台湾重力学会

20世纪影响人类文明、最大的自然科学理论之一就是广义相对论。2015年是爱因斯坦创立广义相对论的第一百周年。为了纪念这一重大的自然科学进展，台湾重力学会研究团体编写了本书。

本书包括对广义相对论的历史回顾、对黑洞和现代宇宙学的综述、对引力波和数值相对论的介绍，以及对物理学中时空概念与量子引力的探讨。

聂斯特（James Nester）教授和陈江梅教授在所作文章中，对广义相对论百年历史做了非常精彩的回顾。该文讲述了爱因斯坦同其合作者建立广义相对论的历程，介绍了爱因斯坦和希尔伯特独立发现爱因斯坦方程的故事——他们也曾为争论谁先发现爱因斯坦方程而不愉快过，最终他们的友谊战胜了争执，两人在爱因斯坦方程建立过程中做出的不可磨灭的贡献，也得到人们的公认。该文还讲述了观测引力场弯曲光线的故事、宇宙学常数在广义相对论理论发展历程中的戏剧化过程，以及对引力波存在性问题的曲折讨论历程。引力能在广义相对论中是一个非常微妙的问题，文中讲述了爱因斯坦探讨这个问题的故事。统一场论是爱因斯坦在建立广义相对论后投入极大精力研究的课题，书中亦讲述了爱因斯坦关于统一场论研究的一系列故事。

黑洞是广义相对论理论中最重要的概念性预言之一。黑洞理论发展到今天，与广义相对论、量子力学、量子引力、信息论、凝态物理等物理学中的基本问题均有关联。在天文观测中，超大质量黑洞和恒星级质量黑洞的存在已得到确认。而且黑洞被认为是宇宙中诸如类星体等天体的能量来源，黑洞是高能吸积、喷流等的核心动力。此外，黑洞的成长还被认为与星系的演化，以及宇宙的大尺度结构形成间有着密切的关系。“中研院”天文及天文物理研究所的卜宏毅研究员、彰化师范大学物理系的林世昀教授和淡江大学物理系的曹庆堂教授，对有关黑洞的这一系列问题做了极好的综述。该文从黑洞概念在广义相对论中的出现开始讲起，一步一步深入黑洞的事件视界、黑洞的奇点等艰深的理论问题。接下来还对天文观测的黑洞做了介绍，描述黑洞同吸积盘和喷流的关系，最后更对黑洞热力学及黑洞信息等问题做了深入介绍。

宇宙论是广义相对论被成功应用的一个典范。广义相对论在宇宙论中的应用，把一个曾经只能用神学探讨的话题，变成一个自然科学的课题。结合人类高新技术的发展，宇宙学发展到今天已变成高、精、密宇宙学。到目前为止，研究宇宙学的学者分别在（1978年）宇宙微波背景辐射、（2006年）宇宙微波背景辐射各向异性、（2011年）宇宙加速膨胀三个领域获得三项诺贝尔物理学奖。台湾师范大学的李沃龙教授和东吴大学物理系的巫俊贤教授所作的宇宙学短文，从哥白尼原理谈起，引入时空概念，介绍了现代宇宙学的发展。文中对宇宙学常数问题、加速膨胀问题、宇宙大尺度结构形成问题等，做了生动的讲解，还对宇宙起源的大爆炸问题做了深入介绍——该问题不仅是个宇宙学问题，还把量子理论和引力理论联结到了一起。同时，早期宇宙产生的引力波，很可能在不久的将来被观测到。届时，这些测量结果将改变当前对量子引力理论的研究处于纯理论研究的状态。我们也可以预期，到时很可能会有很多新的物理研究成果展现出来。(www.xing528.com)

引力波是广义相对论除黑洞外的另一重要的理论预言。如聂斯特教授和陈江梅教授所描述，对引力波存在性在理论上所作的探讨，于历史上有过非常曲折的经历。最终邦迪等人的论述确定了其原则上的存在性。后来泰勒等人通过双脉冲星观测，提出引力波存在的间接证据，泰勒等也因此而获得诺贝尔物理学奖。在广义相对论建立一百周年之际，世界上对引力波探测最灵敏的探测器Advanced LIGO（引力波天文台）已基本建立完毕。其测量精度可达到10-23 ，接近量子力学的标准极限，达到了人类空前的高精度长度测量要求。在后文将证实，引力波信号已被直接观测到。林俊钰研究员和成功大学物理系的游辉樟教授，对引力波做了极好且饶有趣味的通俗介绍。为了提高引力波探测的能力，增强硬件的测量灵敏度是一个方面；在既定硬件的基础上，建立好的引力波波源模型，是提高引力波探测能力的另一个方面。现实的引力波源涉及超强引力场、强动态时空区域，而且几乎无对称性存在。这些特点使得数值计算的方式，成为引力波波源建模的几乎唯一可行的办法。但即使是数值计算，爱因斯坦方程依然是极难处理的问题。数值相对论这个研究方向也应运而生。如何让数值计算稳定、让计算具有高精度、让计算具有高效率以满足实际波源建模的需要，是数值相对论研究的核心问题。林俊钰研究员和游辉樟教授对这些问题做了深入浅出的描述。

狭义相对论是协调麦克斯韦方程组与伽利略变换的矛盾而产生的理论，广义相对论是协调牛顿万有引力理论和狭义相对论洛伦兹变换间的矛盾而产生的理论。但广义相对论特有的时空观同量子力学之间的矛盾，至今仍是一个谜。“中研院”物理所的余海礼研究员和成功大学物理系的许祖斌教授，为我们讲述了时间、广义相对论及量子引力的故事，带着我们回顾了爱因斯坦建立广义相对论过程中，对时间的思考。该文也为我们描述了爱因斯坦获得诺贝尔奖时，同中国上海结下的鲜为人知的不解之缘。广义相对论的时空观同量子力学的矛盾是突出的，该文为我们介绍了一种新的思考方式——也许量子引力比时间的概念更基本，时间只是量子引力自然而然的结果。余海礼研究员和许祖斌教授在该问题上展开了非常精彩的思考性讨论。

广义相对论的时空概念优美而引人入胜。但同时，像余海礼研究员和许祖斌教授讲述的那样，这个时空概念的玄妙又让人捉摸不透。什么是时间，什么是空间？江祖永教授为我们探讨了物理学中的时空概念，对牛顿的时空观做了深入介绍，并探讨了质点动力学描述同牛顿时空观的关系。江教授不但描述了广义相对论的时空观，还探讨了该时空观同场论动力学的内禀关系。通过对比场论动力学与质点动力学，他比较了牛顿时空观和广义相对论时空观的直观性。两者的直观性有所不同，但作为确定性的存在，两者的直观性是人们容易理解和接受的。相反地，量子物理世界的不确定性，把问题完全推向了不可理解。量子引力理论的时空观，势必同量子物理的不确定性相关联。江祖永教授为我们讲述了对这种不确定性时空观的理论思考。

本书出版正好赶在爱因斯坦创立广义相对论一百周年之际。崇尚科学、追寻真理的读者们，定能在本书的引领下，回顾前辈们发展科学理论的艰辛历程，循着他们的脚步继续往前，追寻时间和空间的奥秘，探索黑洞神奇的时空结构；循着引力波携带的信息，探索宇宙演化的奥秘。