相对论革命在很大程度上塑造了20世纪,它影响了哲学、艺术以及流行文化,爱因斯坦也因此成为了“天才”的同义词,以及世界上最伟大的科学名人。在广义相对论问世100周年的里程碑时刻,物理学正在等待下一个广义相对论,我们也在期待下一个爱因斯坦的出现。


  在下面的专题里,你们将能从方方面面了解爱因斯坦及其广义相对论:爱因斯坦到底有多牛?他的一生都经历了怎样的起起伏伏?物理届迄今最伟大发现“广义相对论”到底是啥.....走近爱因斯坦,走近广义相对论![评论]

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环球科学褚波

《环球科学》杂志社执行主编

  爱因斯坦超越了科学

  爱因斯坦曾经说过,世上只有两样东西可能是无止境的:宇宙,以及人类的愚蠢。同时他坦承,对于前者,他还不那么确定。

  “爱因斯坦”这个名字会让我们想到一个热心、慈祥的智者。我们脑海中会浮现出一个和蔼可亲而头发凌乱的天才,他的那些标志性的形象——骑着自行车、伸着舌头或是用深邃的目光注视着我们,已经铭刻在了我们的集体文化记忆中。爱因斯坦已象征了探索智慧的纯真与力量。

    爱因斯坦于1905年在科学界成名。这一年也被称为他的奇迹年。他用闲暇时间写出了改变了整个物理学发展进程的4篇论文。然而他一个人在一年内将这一警钟先后敲响了4次,令人震惊的创造性见解接踵而来。1915年,爱因斯坦对外宣布了他的广义相对论。这一理论为重塑引力提出了惊人的观点:时空弯曲。此外,他还是个伟大的榜样,尽管他不希望被人关注,并反复重申渴望独处,但却非常懂得如何吸引公众了解他那神秘而又极其重要的发现。尽管爱因斯坦本人渐渐离开了大众视线,人们眼中的相对论却与文化中的其他巨变产生着共鸣。 [详细]


  靠近黑洞,验证广义相对论

  如果我们能够用一个放大能力足以分辨视界的望远镜观测黑洞,就可以跟踪物质旋转下落直至越过视界的全过程,并检验这一过程是否与广义相对论的预言一致。

  黑洞的内部是无法观测的。但是,这类天体周围的引力场会使靠近视界的物质发射出大量的、可被望远镜捕获的电磁辐射。在黑洞周围,引力将落进去的物质,即吸积流压缩到极小的体积内。这使得下落物质的温度会达到数十亿度,由此,反倒使得邻近黑洞周边的区域成为宇宙中最亮的地方。

    现在天文学家认为,绝大多数星系的中心都存在超大质量黑洞,这些黑洞的质量可达数百万甚至数十亿倍太阳质量,有些黑洞的直径甚至超过我们的太阳系,而即使是它们,由于距离地球非常遥远,在天空中占据的角尺度也极小。距离最近的超大质量黑洞即人马座A*,位于银河系的中心,质量大约相当于400万个太阳。它的视界在天空中的张角只有50微角秒,大约相当于月球上的一张DVD。要想分辨角尺度这样小的天体,我们需要一架分辨能力比哈勃空间望远镜还要高2000倍的望远镜。 [详细]

  有一天,爱因斯坦坐在位于伯尔尼的办公室中,突然有了一个自己都为之“震惊”的想法。他回忆道:“如果一个人自由下落,他将不会感到自己的重量。”后来,他将此称为“我一生中最幸福的思想”。

  这个自由落体者的故事已然成为了一个标志,与其他关于引力发现的绝妙故事(伽利略在比萨斜塔投掷物体以及牛顿被苹果砸中脑袋)一样,这些事迹都只是经过美化、杜撰的民间传闻罢了。爱因斯坦更愿意关注宏大的科学议题,而非“琐碎的生活”,他不太可能因看到一个活生生的人从屋顶跌落而联想到引力理论,更不可能将此称为一生中最幸福的思想。

  不久,爱因斯坦进一步完善了这个思想实验,他想象自由落体者处在一个密闭空间中,比如一部自由坠落的升降机。在这个密闭空间中,自由落体者会感到失重,并且他抛出的任何物体都会与他一起漂浮。他将无法通过实验来辨别,自己所处的密闭空间是正在以某一加速度做自由落体运动,还是正在外太空的无重力区域漂浮。

  然后,爱因斯坦想象这个人仍在同一个密闭空间里,处于几乎没有重力的外太空中。此时有一个恒力将密闭空间以某一加速度向上拉升,他将会感到自己的脚被压到地板上。如果此时,他抛出一个物体,那么该物体也将会以加速运动落在地板上,就如同他站在地球上一样。他没有任何方法能够区分,自己是受到引力的作用,还是受到向上加速度的作用。爱因斯坦称之为“等效原理”(the equivalence principle)。以局域效应来看,引力和加速度是等效的。因此,二者是同一种现象的不同表现形式,即可以同时对加速度和引力作出解释的某种“宇宙场”(cosmic field)。

  接下来,爱因斯坦花费了8年时间,把这个自由落体者思想实验,改写成为物理学史上最优美、最惊艳的理论。[详细]

    在爱因斯坦的理论中,许多在牛顿构建的世界下不可能发生的事情都有了转机。在牛顿的宇宙中,时间在任何一个地点,任何一个时间都是恒定的。但是,在爱因斯坦看来,时间是相对的。

   时间旅行不仅是可能的,它已经实实在在地发生了,尽管和威尔斯的想象可能不完全一样。根据普林斯顿大学天体物理学家J -理查德-戈特(J. Richard Gott)所说,迄今旅程最长的时间旅行者是谢尔盖-克里卡列夫(Sergei Krikalev)。在职业生涯中,这位俄罗斯宇航员在太空中呆了803天。

    就像爱因斯坦所证明的那样,相比较那些静止的物体而言,运动物体的时间流逝会更慢一些。所以当克里卡列夫在和平号空间站(Mirspace station)里以27 359千米/小时的速度在轨道上运动时,时间流逝的速率与地球上的并不相同。当克里卡列夫在空间站时,他比那些地球上的伙伴们年轻了1/48秒。

    对于高速物体长距离运动而言,时间穿梭的效应更加明显。如果克里卡列夫在2015年离开地球,并以光速的99.995%在猎户座的恒星参宿四(Betelgeuse ;距离地球520光年)与地球之间做一趟来回飞行。当他回到地球时,仅仅老了10岁,但是非常遗憾的是,他认识的所有人都早已去世,因为地球上已经过了1000年,那时地球已是3015年了。

    目前我们还不清楚,其中是不是有一个解确切地描述了我们的宇宙。而这个问题又引出了更深层次的一些研究课题:比如,到底要在基础物理领域中做出多少细微的调整,才能允许我们回到过去?即使爱因斯坦的理论没有禁止我们回到过去,但是我们的宇宙本身会不会通过某种方式阻止这样的旅行?物理学家一直思考着这些问题,并不是因为他们想象着某天时间穿越能成为现实,而是因为思考时间穿越的可能性,能让我们对自身居住的宇宙有更深入甚至意想不到的认识,比如,最初它是怎么产生的。[详细]