【9成新】【良好】完美理论

引言

1919年11月6日，在英国皇家学会暨皇家天文学会的联席会议上，亚瑟·爱丁顿站起身来走上讲台，公布了他的探险队在非洲西海岸的一个郁郁葱葱的小岛——普林西比——的天文观测结果，引力物理学的传统研究模式就此被颠覆。这位剑桥天文学家以庄严的语调描述了他的探险队是如何在那里建立起一个天文望远镜观测站，并对日全食天象进行非常细心地拍摄，以捕捉途经太阳的星光所发生的微弱偏折信号的。他们的观测表明，由英国科学的守护神——艾萨克·牛顿——发明的、被当作事实接受了两个多世纪的引力理论是错误的。他声称，观测结果与阿尔伯特·爱因斯坦提出的被称为“广义相对论”的新的正确理论所作的预言一致。

当时，人们已经知道爱因斯坦理论具有解释宇宙的潜力，同时也知道要验证这种预言存在着难以置信的困难。会议结束后，在听众和发言者一同离开会议厅，将要消失在伦敦的夜色中的当儿，一个名叫路德维克·西尔伯斯坦的波兰物理学家缓步走向爱丁顿。西尔伯斯坦曾写过一本介绍爱因斯坦的“狭义相对论”的书，现在他对爱丁顿所作的有关广义相对论的发言很感兴趣。他对爱丁顿说道：“爱丁顿教授，你肯定是这世界上理解广义相对论的三个人之一。”在爱丁顿正迟疑该怎么回答时，他接着补充说：“别谦虚了，爱丁顿。”爱丁顿看着他正色道：“哦不是，我正在想这第三个人是谁。”

当我*次知道爱因斯坦的广义相对论的时候，西尔伯斯坦给出的人数估计很可能要向上调整了。那是在1980年代初，我在电视系列节目《宇宙》里看到卡尔·萨根谈论空间和时间如何能够收缩或伸展。我当即要我爸给我解释这个理论。但他能告诉我的只是这个理论非常非常的难懂。“几乎没有人能搞懂广义相对论，”他说。

我不是那么容易却步的人。这个奇怪的理论里一定有某种深深吸引人的东西，只是它被扭曲的时空网络包裹得那么紧，以至于很难看得清。我在《星际迷航》中可以看到广义相对论的影子。影片中，当“企业号”飞船被“暗星”踢回到过去，或者当柯克船长在不同的时空维之间来回挣扎时，都用到广义相对论来解释。但这个理论真的就这么令人费解？

几年后，我在里斯本上大学，学的是土木工程。这所由石头、钢铁和玻璃构成的庞大建筑群落堪称萨拉查政权时期[1]法西斯建筑美学的完美典范。大学的课程设置里包含了无穷无尽的讲座，我们被灌输各种有用的东西：如何搭建计算机、桥梁和机器。我们几个对现代物理学感兴趣的同学便在课余时间阅读现代物理来逃避这种苦差事。我们都想成为爱因斯坦。不论是当时还是现在，他的一些概念不经意间就会出现在我们的讲座里。我们懂得了能量是如何与质量相联系的，以及为什么说光实际上是由粒子构成的。正是在学习电磁波的知识时，我们开始了解爱因斯坦的狭义相对论。他想出这套理论是在1905年，一个26岁的青年，比当时的我们年长不了多少。我们的一位比较开明的导师鼓励我们去阅读爱因斯坦的原始论文。与课业布置的繁琐练习相比，这些论文真好比是玲珑剔透的小宝石。但爱因斯坦的广义相对论是关于时空的宏大理论，不是阅读书目的一部分。

我决定自学广义相对论。我搜遍大学图书馆，找到了一些由20世纪*伟大的物理学家和数学家编撰的专著和教材。这些作者里有剑桥皇家天文学家亚瑟·爱丁顿、哥廷根几何学家赫尔曼·外尔，量子物理学之父埃尔温·薛定谔和沃尔夫冈·泡利等。所有这些大家都用自己的独特方式讲述了该如何教授爱因斯坦的这门理论。有一本大部头著作看起来就像一厚本电话簿，有一千多页，里面还有三位美国相对论专家的赞词和评论。而另外一本由量子物理学家保罗·狄拉克所撰的小书则薄得勉强凑够了70页。我觉得我进入了一个由*富魅力的物理学大家所构筑的全新的概念世界。

理解他们的思想不是很容易。我不得不学着用一种全新的方式——一种在*初阶段需要用难以捉摸的几何学和深奥的数学的方式——来思考。解码爱因斯坦理论需要掌握不熟悉的数学语言。当时我还不知道当年爱因斯坦自己也是做足了同样的功课才建立起他的这一理论。一旦掌握了这种语言的词汇和语法，阅读起来就变得得心应手了，同时也由此开始了我一生的对广义相对论的迷恋。

这听起来好像过于夸张，但我实在找不出其他语言来形容：学习爱因斯坦广义相对论的*好的回报就是能够准确理解宇宙的历史、时间的起源，以及宇宙中所有恒星和星系的演化。广义相对论能够告诉我们在宇宙*远的地方是什么样的状态，它能够解释这些知识是如何影响到我们在此时此地的存在。爱因斯坦的这一理论还揭示了存在的*小尺度，在这种尺度下，能量*的粒子可以无中生有地应运而生。它可以解释实在、空间和时间的结构是如何出现的并成为大自然的框架。

在紧张学习的这几个月里，我所学到的是，广义相对论将空间和时间变活了。空间不再仅仅是事物存在的地方，时间也不再是滴答作响的时钟所显现的保持事物运行的标签。根据爱因斯坦相对论，空间和时间是一曲交织在一起的宇宙之舞，它们对你可以想象的任何一丁点东西——从粒子到星系——做出响应。它们将自身编织成能够产生*离奇效果的复杂图案。从他*次提出之后，这一理论就被用于探索自然世界，揭示出宇宙是一个充满活力的地方，它以极快的速度扩张，充满了黑洞，空间和时间遭到毁灭性的穿刺，到处是巨大的能量波，每一波浪涌所携带的能量几乎同整个星系的能量一样多。广义相对论已经让我们走得比我们曾经想象的更远。

当我*次学习广义相对论时，让我震惊的还不止这些。虽然爱因斯坦发展这一理论花了差不多10年时间，但它一经建立便保持至今不曾再变。近一个世纪来，它一直被许多人认为是完美的理论，任何一位有幸了解它的人都对它深表钦佩。广义相对论，作为现代思想的核心，作为与西斯廷教堂、巴赫大提琴组曲或安东尼奥尼电影比肩的一项巨大的文化成就，已经以其放之四海而皆准的普适性成为一个标志。广义相对论可以浓缩成一组很容易归结并写下来的方程组和法则。它们不仅优美，而且能够对现实世界给出一些说法。它们被用来对宇宙的运行进行预言，而且这些预言均已得到观察的证实。广义相对论里埋有这样一个坚定的信念：宇宙中藏着有待探索的更深层秘密。我还想得到什么？

近25年来，广义相对论一直是我生活的一部分。它一直是我的很多项研究的核心，为我和我的合作者试图理解的东西提供支撑。我初学爱因斯坦理论的经历远远谈不上有多独特。世界各地都有迷上爱因斯坦理论的人，有些人为了揭开它的奥秘付出了自己的一生。这些事情真的就发生在世界各地——从金沙萨到克拉科夫，从坎特伯雷到圣地亚哥。我经常要寄送研究论文，它们的作者都试图找到广义相对论方程的新的解，甚至想修正这一理论。爱因斯坦的理论也许难以把握，但它十分民主。它的困难和棘手只是表明，在它的全部意义被发掘出来之前仍有许多东西值得探讨。任何人，只要有笔和纸，再加上耐心，都有机会在此一展身手。

我经常听到博士生导师告诉他们的学生，如果你害怕日后找不到工作，就不要去碰广义相对论。对许多人来说，这一理论实在是太深奥了。那些一生致力于广义相对论的人*是出于热爱，这是一项几乎得不到回报的事业。但是，你一旦发现了其中的一个问题，你就不可能再离开相对论。*近，我遇到一位搞气候变化建模的领军人物。他是这个领域的先驱，是英国皇家学会会员，是天气和气候预报这一极度困难研究领域的专家。但他从没有打算在这一领域干一生。事实上，作为20世纪70年代的年轻人，他研究的是广义相对论。这差不多是40年前的事儿了，但当我们*次见面时，他苦笑着告诉我：“其实我是个相对论学者。”

我的一个朋友很早以前就离开了学术界，此前他曾研究爱因斯坦理论将近20年。现在他在一家软件公司工作，研发大数据的存储方法。他每周都要在世界各地飞来飞去，为银行、企业和政府机关去设立这些高度复杂昂贵的系统。然而，当我们见面时，他总是想问我一些有关爱因斯坦理论的问题，或与我分享他对广义相对论的*想法。他离不开它。

关于广义相对论，有一件事一直困扰着我：尽管过去了近一个世纪，这一理论是怎么不断产生新结果的？我本来以为，鉴于有那么多精英致力于发展这一理论，它早在几十年前就该被发掘殆尽了。这个理论可能是困难的，但我们从中汲取的营养难道就没有个上限？难道黑洞和宇宙膨胀还不够丰富？但当我不断深入研究由爱因斯坦理论导出的许多思想，不断与从事这一理论的杰出人才交流接触，我就越发意识到广义相对论的故事是一部迷人的、宏大的作品，它的发展也许和这一理论本身一样复杂。理解为什么这一理论还如此鲜活的关键就是追踪其百年来的艰辛历程。

本书是关于广义相对论的传记。爱因斯坦关于空间和时间如何交织在一起的思想有它自身的生命发展逻辑。整个20世纪里，它既给那些世界上*聪明的大脑带来喜悦，也让他们深受挫败的痛苦。广义相对论是这样一种理论，它时不时就会扔出一些有关自然世界的令人惊喜的古怪见解，尽管这些见解就连爱因斯坦本人也难以接受。随着这一理论的不断传播，各种新颖的和意想不到的发现以*奇特的情形冒出来。黑洞的*初设想是在*次世界大战的战场上，后来又同时递交到美国和苏联的原子弹开拓者的手中。宇宙膨胀的想法*早是由一位比利时神父和一位俄国数学家兼气象学家提出的。对于广义相对论的建立起到至关重要作用的新奇的天体是偶然被发现的。乔斯琳·贝尔是在剑桥用木头、铁丝和钉子搭建的摇摇晃晃的铁架上发现的中子星。

广义相对性原理也是20世纪几场重大思想战役的核心。它是希特勒德国迫害的目标，是斯大林的俄国追逐的对象，在1950年代又被美国打入冷宫。它挑起了物理学界和天文学界的各路大腕为争夺宇宙的终极理论而互相攻击。在探求宇宙是否由一声巨响开始，或宇宙是否会永恒存在，以及时间和空间的基本结构到底是什么等问题上，他们时不时就会将广义相对论抖落出来。这一理论还将遥远的社区连接在一起：在冷战中，苏联、英国和美国的科学家曾就解决黑洞的起源问题坐在了一起。

广义相对论的故事并不是只关于过去。在过去的10年里，这一点已经很明显：如果广义相对论是正确的，那么大部分宇宙就将是暗的。宇宙中充满了这样一种东西，它不仅不发光，而且甚至不反射光也不吸收光。观测证据是压倒性的。宇宙中近三分之一的物质似乎是由暗物质构成的，这是一种重的、看不见的东西，它们就像一群愤怒的蜜蜂涌在星系的周围。另外三分之二的虚无缥缈的物质则以暗能量形式存在，它们将空间推离开。只有4％的宇宙是由我们所熟悉的东西——原子——构成的。我们是微不足道的。也就是说，如果爱因斯坦的理论是正确的，那么就可能——当然仅仅是可能——我们正趋近广义相对论的极限，爱因斯坦理论已经开始被破解。

爱因斯坦理论也是那些整天挂在理论物理学家嘴上的关于自然的新的基本理论的基本要素。弦理论，一种试图比牛顿和爱因斯坦走得更远，大有要统一自然界的一切之势的理论，依赖于具有更高维上奇特的几何性质的复杂时空。有些人将这种比爱因斯坦理论远更深奥的理论赞誉为终极理论，而另一些人则将它抨击为浪漫小说，甚至不是科学。就像一种出格的邪教，如果不是有广义相对论在前，弦理论也不会存在，但许多相对论学者却拿怀疑的眼光来看待它。

暗物质、暗能量、黑洞和弦理论都是爱因斯坦理论的后代，它们主宰着物理学和天文学。在给各大学做讲座，参加研讨会，出席欧洲航天局会议，负责一些世界上*重要的科学卫星节目的过程中，我认识到，我们正处在现代物理学的一项重大变革之中。有才华的年轻科学家已能够用一个世纪里积累起来的专业知识来看待广义相对论。他们正在用无与伦比的计算能力来发掘爱因斯坦理论，探索有可能废黜爱因斯坦理论的引力替代理论，在茫茫宇宙中寻找可以证实或证伪广义相对论基本原理的古怪天体。更广泛的科学家社区正被同时调动起来积极参与到建设庞大的观测设备的事业中来。这些设备可以比我们以往任何时候都看得更远、更清楚，卫星将被发射用来搜寻广义相对论提出的某些古怪的预言。

广义相对论的故事叙事宏大，目标高远，值得传颂。因为进入21世纪后，我们正面临它的许多重大发现和悬而未决的问题。一些重要的事情很可能真的会就在未来几年里发生，我们需要了解这一切从何而来。我认为，如果说20世纪是量子物理学的世纪，那么21世纪就将是爱因斯坦的广义相对论充分展示其魅力的舞台。

[1]是指1930年由葡萄牙总理安东尼奥·德奥利维拉·萨拉查（1889—1970）掌权后开始的葡萄牙法西斯独裁统治时期。这一时期一直持续到1974年葡萄牙发生四·二五康乃馨革命方宣告结束。应当指出，葡萄牙的法西斯统治与意大利和德国纳粹的法西斯统治不是一回事儿，前者在二战中保持中立（二战时既亲近轴心国也给同盟国提供帮助，可能正是这一点，这一政权才能够在战后继续存在那么多年）。——译注

自从阿尔伯特·爱因斯坦1915年首次提出广义相对论以来，物理学家们一直在探索和质疑这一理论。他们的工作已揭开了宇宙中大量令人惊奇的秘密，很多人相信，更为神奇的奇迹正有待揭秘。

佩德罗G. 费雷拉（Pedro G. Ferreira）从小在葡萄牙和英国长大，2000年进入牛津大学，从那以后，他像一颗新星在科学界耀眼地升起。曾在伦敦、伯克利和欧洲核子研究中心工作过，目前是牛津大学天体物理学教授。

“爱因斯坦的优美理论诞生了差不多已有一个世纪，自从它面世以后，其成果不断地激起一阵阵发现的高潮。甚至没有任何科学背景的读者都可以从这部精彩的作品中领略到这一伟大理论的*科学前沿的风貌，并真正感受到科学的社会和人文价值。”

“《完美理论》是一本引人入胜的好书。从中我们看到那些杰出的爱因斯坦的后继者是如何为理解从黑洞到量子引力这些基本概念而不断奋斗和争论。费雷拉用他那有趣的叙事风格，为我们展现了现代科学研究的一幅生动画面。”

——史提芬·施特勒加茨，康奈尔大学应用数学舒尔曼讲座教授，《X的奇幻之旅》一书的作者

“爱因斯坦的广义相对论是他对物理学的诸多贡献中*伟大的一项贡献。但令人惊讶的是，很少有人描述过这一领域在他去世后是如何发展壮大，以及广义相对论对当代宇宙学和天体物理学所产生的深远影响。佩德罗·费雷拉精彩地讲述了这一理论的进展和对此作出贡献的人物的奋斗历程。”

“关于宇宙的边缘，以及探索这一领域的那些研究者的心路历程，没有比这本书描述得更好的了。”

 ——马科库斯·杜·索托伊，牛津大学“公众科学素养”西蒙尼讲座教授，《素数的音乐》的作者

“佩德罗·G.费雷拉描绘了因一个伟大的想法而聚集起来的一个群体。他的描述既通透明了又不失优美深刻，极富感染力。他通过生动的细节向我们展现了取得人类*伟大成就的一群人的令人印象深刻的故事。”

——珍娜•莱文，哥伦比亚大学巴纳德学院物理学暨天文学教授，《引力波》的作者

“爱因斯坦的广义相对论是一个无与伦比的优雅简洁的理论。但广义相对论的历史是混乱的，不可预测的，极富偶然的戏剧性。佩德罗•费雷拉作为这一领域的专家，引领我们通览了科学家在寻求理解空间和时间的征途上所遇到的波折和曲径通幽之处。”

——肖恩•卡罗尔，理论物理学家，《寻找希格斯粒子》的作者

“这本书对当今有关空间、时间和引力的理解，对如何去寻找一个更好的理论做了很好的引介。费雷拉没用方程或图形，而只是用精心组织的语言，向我们讲述了有关这门科学及其如何发展的故事。我特别欣赏他用白描的手法刻画出科学家的各种性格特征。”

第1章 如果一个人自由下落 

第2章 *有价值的发现 

第3章 正确的数学，可憎的物理 

第4章 坍缩的恒星 

第5章 鹦鹉学舌 

第6章 无线电时代 

第7章 惠勒叫法 

第8章 奇点 

第9章 统一的困境 

第10章 看见引力 

第11章 暗宇宙 

第12章 时空的终点 

第13章 惊人的外推 

第14章 待要发生的事情 

致谢 

注释 

参考书目及文献 

爱因斯坦提出广义相对论已经过去100多年，这100年多年来，它一直被许多人认为是完美的理论，它被用来对宇宙的运行进行预言，而且这些预言均已得到观察的证实，包括如今炙手可热的引力波。作者用优美而又生动的笔触向我们描述了了爱因斯坦之后，广义相对论探索的波澜壮阔图景，一群性格迥异的伟大人物正陆续登场……

《完美理论》是《*推动丛书》物理系列其中之一，这是一本广义相对论的传记，没有科学背景也能畅读。