百年广义相对论

    100年前，爱因斯坦创立了广义相对论，这是他一生众多科学硕果中分量最重的一个。英国物理学家狄拉克盛赞广义相对论，说它“也许是人类作出的最伟大的科学发现”。

    1907年，爱因斯坦表示了对两年前创立的狭义相对论的不满。因为狭义相对论两个基本原理之一“相对性原理”认为：物理定律在所有惯性系中都相同。他认为这一原理与牛顿力学一样，均把惯性系放在了一个特殊的位置上，无论从物理学还是美学上均不完美。

    爱因斯坦认真分析后认为，突破口就在把经典力学中“引力质量和惯性质量相等”的事实推广到“惯性力与引力等效”，这便是广义相对论的一个重要原理“等效原理”。一个简单的例子是，在一艘封闭的、加速前进的宇宙飞船上，乘客能感受到一个拉向后靠背的力，但是乘客本人无法判断是惯性力还是别的什么天体对他施加的引力。等效原理使爱因斯坦认识到，万有引力是时空弯曲的表现。但是当时他还没有掌握描述新理论的数学工具——黎曼几何。所以直到1911年夏天，爱因斯坦才重新考虑万有引力问题，并指出引力会导致光线的弯曲，而且可以通过日全食前后星光的偏折进行验证，还给出了光线偏折的估计值。

    本来1914年8月21日的日全食是一次验证的好机会，德国的天文学家专门前往克里米亚进行观测。但是因为一战爆发，此事便泡汤了。与此同时，爱因斯坦在大学同学格罗斯曼和数学家希尔伯特的帮助下，于1915年11月25日给出了完整的数学表述。他在给朋友贝索的信中写道：“我最大胆的梦想终于实现了。”对广义相对论的完美验证发生在1919年5月29日，通过英国天文学家爱丁顿的努力，当时派了两支远征队，一支赴巴西北部，一支赴西非的几内亚湾。结果证实，光线偏折的角度与爱因斯坦预言的相吻合。爱因斯坦的名字随即传遍了世界。

    广义相对论为现代宇宙学的发展奠定了基础，在探讨宇宙如何诞生、宇宙的未来如何等问题时，它是必不可少的工具。比如宇宙膨胀的根本原因是什么？暗能量究竟如何影响了宇宙的加速膨胀？在探索的道路上，广义相对论不可或缺。应该说，广义相对论再次革新了人类对时空关系的认识，促生了现代宇宙学，掀开了科学史上新的一页。

    （作者为哈尔滨师范大学讲师）