物理學(xué)精英奮戰(zhàn)廣義相對論的世紀(jì)歷程
1紀(jì)念愛因斯坦廣義相對論發(fā)表100周年
2暗物質(zhì)、暗能量、黑洞和弦理論這些愛因斯坦理論的后代揭示我們正處在現(xiàn)代物理學(xué)的一場重大變革中。
3通俗易懂的和非專業(yè)性的語言，描述了物理學(xué)精英的個性。使讀者對科學(xué)的社會和人文性有一種真實(shí)的感受。
本書簡介：
自從阿爾伯特愛因斯坦1915年首次提出廣義相對論以來，物理學(xué)家們一直在探索和質(zhì)疑這一理論。他們的工作已揭開了宇宙中大量令人驚奇的秘密，很多人相信，更為神奇的奇跡正有待揭秘。
廣義相對論為我們對時間的起源和宇宙中所有恒星和星系的演化的理解提供了關(guān)鍵的理論。這一理論的堅定支持者不僅揭示了宇宙極大尺度的物質(zhì)屬性，而且為最小尺度上的存在性研究開辟了道路，并解釋了實(shí)在的結(jié)構(gòu)是如何突現(xiàn)的。我們正處在現(xiàn)代物理學(xué)的一場重大變革之中。由于科學(xué)家在空間上能比以往任何時候都看得更遠(yuǎn)、更清楚，因此《完美理論》揭示了廣義相對論的更廣闊的相關(guān)性，向我們展示了宇宙從哪里開始，它的現(xiàn)狀，以及它還將帶領(lǐng)我們奔向何方。
作者簡介：
佩德羅G.費(fèi)雷拉（PedroG.Ferreira）從小在葡萄牙和英國長大，2000年進(jìn)入牛津大學(xué)，從那以后，他像一顆新星在科學(xué)界耀眼地升起，曾在倫敦、伯克利和歐洲核子研究中心工作過，目前是牛津大學(xué)天體物理學(xué)教授。
目錄：
引言
第1章如果一個人自由下落
第2章最有價值的發(fā)現(xiàn)
第3章正確的數(shù)學(xué)，可憎的物理
第4章坍縮的恒星
第5章鸚鵡學(xué)舌
第6章無線電時代
第7章惠勒叫法
第8章奇點(diǎn)
第9章統(tǒng)一的困境
第10章看見引力
第11章暗宇宙
第12章時空的終點(diǎn)
第13章驚人的外推
第14章待要發(fā)生的事情引言
第1章如果一個人自由下落
第2章最有價值的發(fā)現(xiàn)
第3章正確的數(shù)學(xué)，可憎的物理
第4章坍縮的恒星
第5章鸚鵡學(xué)舌
第6章無線電時代
第7章惠勒叫法
第8章奇點(diǎn)
第9章統(tǒng)一的困境
第10章看見引力
第11章暗宇宙
第12章時空的終點(diǎn)
第13章驚人的外推
第14章待要發(fā)生的事情
致謝
注釋
參考書目及文獻(xiàn)
名詞索引 “愛因斯坦的優(yōu)美理論誕生了差不多已有一個世紀(jì)，自從它面世以后，其成果不斷地激起一陣陣發(fā)現(xiàn)的高潮。甚至沒有任何科學(xué)背景的讀者都可以從這部精彩的作品中領(lǐng)略到這一偉大理論的最新科學(xué)前沿的風(fēng)貌，并真正感受到科學(xué)的社會和人文價值�！薄R丁里斯勛爵，英國皇家天文學(xué)家“《完美理論》是一本引人入勝的好書。從中我們看到那些杰出的愛因斯坦的后繼者是如何為理解從黑洞到量子引力這些基本概念而不斷奮斗和爭論。費(fèi)雷拉用他那有趣的敘事風(fēng)格，為我們展現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)研究的一幅生動畫面�！�
——史提芬施特勒加茨，康奈爾大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)舒爾曼講座教授，《X的奇幻之旅》一書的作者“愛因斯坦的廣義相對論是他對物理學(xué)的諸多貢獻(xiàn)中最偉大的一項(xiàng)貢獻(xiàn)。但令人驚訝的是，很少有人描述過這一領(lǐng)域在他去世后是如何發(fā)展壯大，以及廣義相對論對當(dāng)代宇宙學(xué)和天體物理學(xué)所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。佩德羅費(fèi)雷拉精彩地講述了這一理論的進(jìn)展和對此作出貢獻(xiàn)的人物的奮斗歷程。”
——羅杰彭羅斯爵士，牛津大學(xué)羅斯巴爾數(shù)學(xué)講座名譽(yù)教授，《通向?qū)嵲谥贰返淖髡摺瓣P(guān)于宇宙的邊緣，以及探索這一領(lǐng)域的那些研究者的心路歷程，沒有比這本書描述得更好的了�！�
——馬科庫斯杜索托伊，牛津大學(xué)“公眾科學(xué)素養(yǎng)”西蒙尼講座教授，《素數(shù)的音樂》的作者“佩德羅G.費(fèi)雷拉描繪了因一個偉大的想法而聚集起來的一個群體。他的描述既通透明了又不失優(yōu)美深刻，極富感染力。他通過生動的細(xì)節(jié)向我們展現(xiàn)了取得人類最偉大成就的一群人的令人印象深刻的故事�！�
——珍娜萊文，哥倫比亞大學(xué)巴納德學(xué)院物理學(xué)暨天文學(xué)教授，《宇宙如何顯露其本性》的作者“愛因斯坦的廣義相對論是一個無與倫比的優(yōu)雅簡潔的理論。但廣義相對論的歷史是混亂的，不可預(yù)測的，極富偶然的戲劇性。佩德羅費(fèi)雷拉作為這一領(lǐng)域的專家，引領(lǐng)我們通覽了科學(xué)家在尋求理解空間和時間的征途上所遇到的波折和曲徑通幽之處�！�
——肖恩卡羅爾，理論物理學(xué)家，《尋找希格斯粒子》的作者“這本書對當(dāng)今有關(guān)空間、時間和引力的理解，對如何去尋找一個更好的理論做了很好的引介。費(fèi)雷拉沒用方程或圖形，而只是用精心組織的語言，向我們講述了有關(guān)這門科學(xué)及其如何發(fā)展的故事。我特別欣賞他用白描的手法刻畫出科學(xué)家的各種性格特征�！�
——P.詹姆斯皮布爾斯，普林斯頓大學(xué)愛因斯坦講座名譽(yù)教授引言
1919年11月6日，在英國皇家學(xué)會暨皇家天文學(xué)會的聯(lián)席會議上，亞瑟愛丁頓站起身來走上講臺，公布了他的探險隊在非洲西海岸的一個郁郁蔥蔥的小島——普林西比——的天文觀測結(jié)果，引力物理學(xué)的傳統(tǒng)研究模式就此被顛覆。這位劍橋天文學(xué)家以莊嚴(yán)的語調(diào)描述了他的探險隊是如何在那里建立起一個天文望遠(yuǎn)鏡觀測站，并對日全食天象進(jìn)行非常細(xì)心地拍攝，以捕捉途經(jīng)太陽的星光所發(fā)生的微弱偏折信號的。他們的觀測表明，由英國科學(xué)的守護(hù)神——艾薩克牛頓——發(fā)明的、被當(dāng)作事實(shí)接受了兩個多世紀(jì)的引力理論是錯誤的。他聲稱，觀測結(jié)果與阿爾伯特愛因斯坦提出的被稱為“廣義相對論”的新的正確理論所作的預(yù)言一致。
當(dāng)時，人們已經(jīng)知道愛因斯坦理論具有解釋宇宙的潛力，同時也知道要驗(yàn)證這種預(yù)言存在著難以置信的困難。會議結(jié)束后，在聽眾和發(fā)言者一同離開會議廳，將要消失在倫敦的夜色中的當(dāng)兒，一個名叫路德維克西爾伯斯坦的波蘭物理學(xué)家緩步走向愛丁頓。西爾伯斯坦曾寫過一本介紹愛因斯坦的“狹義相對論”的書，現(xiàn)在他對愛丁頓所作的有關(guān)廣義相對論的發(fā)言很感興趣。他對愛丁頓說道：“愛丁頓教授，你肯定是這世界上理解廣義相對論的三個人之一�！痹趷鄱☆D正遲疑該怎么回答時，他接著補(bǔ)充說：“別謙虛了，愛丁頓�！睈鄱☆D看著他正色道：“哦不是，我正在想這第三個人是誰�！�
當(dāng)我第一次知道愛因斯坦的廣義相對論的時候，西爾伯斯坦給出的人數(shù)估計很可能要向上調(diào)整了。那是在1980年代初，我在電視系列節(jié)目《宇宙》里看到卡爾薩根談?wù)摽臻g和時間如何能夠收縮或伸展。我當(dāng)即要我爸給我解釋這個理論。但他能告訴我的只是這個理論非常非常的難懂�！皫缀鯖]有人能搞懂廣義相對論，”他說。
我不是那么容易卻步的人。這個奇怪的理論里一定有某種深深吸引人的東西，只是它被扭曲的時空網(wǎng)絡(luò)包裹得那么緊，以至于很難看得清。我在《星際迷航》中可以看到廣義相對論的影子。影片中，當(dāng)“企業(yè)號”飛船被“暗星”踢回到過去，或者當(dāng)柯克船長在不同的時空維之間來回掙扎時，都用到廣義相對論來解釋。但這個理論真的就這么令人費(fèi)解？
幾年后，我在里斯本上大學(xué)，學(xué)的是土木工程。這所由石頭、鋼鐵和玻璃構(gòu)成的龐大建筑群落堪稱薩拉查政權(quán)時期法西斯建筑美學(xué)的完美典范。大學(xué)的課程設(shè)置里包含了無窮無盡的講座，我們被灌輸各種有用的東西：如何搭建計算機(jī)、橋梁和機(jī)器。我們幾個對現(xiàn)代物理學(xué)感興趣的同學(xué)便在課余時間閱讀現(xiàn)代物理來逃避這種苦差事。我們都想成為愛因斯坦。不論是當(dāng)時還是現(xiàn)在，他的一些概念不經(jīng)意間就會出現(xiàn)在我們的講座里。我們懂得了能量是如何與質(zhì)量相聯(lián)系的，以及為什么說光實(shí)際上是由粒子構(gòu)成的。正是在學(xué)習(xí)電磁波的知識時，我們開始了解愛因斯坦的狹義相對論。他想出這套理論是在1905年，一個26歲的青年，比當(dāng)時的我們年長不了多少。我們的一位比較開明的導(dǎo)師鼓勵我們?nèi)ラ喿x愛因斯坦的原始論文。與課業(yè)布置的繁瑣練習(xí)相比，這些論文真好比是玲瓏剔透的小寶石。但愛因斯坦的廣義相對論是關(guān)于時空的宏大理論，不是閱讀書目的一部分。
我決定自學(xué)廣義相對論。我搜遍大學(xué)圖書館，找到了一些由20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家編撰的專著和教材。這些作者里有劍橋皇家天文學(xué)家亞瑟愛丁頓、哥廷根幾何學(xué)家赫爾曼外爾，量子物理學(xué)之父埃爾溫薛定諤和沃爾夫?qū)堇取Ｋ羞@些大家都用自己的獨(dú)特方式講述了該如何教授愛因斯坦的這門理論。有一本大部頭著作看起來就像一厚本電話簿，有一千多頁，里面還有三位美國相對論專家的贊詞和評論。而另外一本由量子物理學(xué)家保羅狄拉克所撰的小書則薄得勉強(qiáng)湊夠了70頁。我覺得我進(jìn)入了一個由最富魅力的物理學(xué)大家所構(gòu)筑的全新的概念世界。
理解他們的思想不是很容易。我不得不學(xué)著用一種全新的方式——一種在最初階段需要用難以捉摸的幾何學(xué)和深奧的數(shù)學(xué)的方式——來思考。解碼愛因斯坦理論需要掌握不熟悉的數(shù)學(xué)語言。當(dāng)時我還不知道當(dāng)年愛因斯坦自己也是做足了同樣的功課才建立起他的這一理論。一旦掌握了這種語言的詞匯和語法，閱讀起來就變得得心應(yīng)手了，同時也由此開始了我一生的對廣義相對論的迷戀。
這聽起來好像過于夸張，但我實(shí)在找不出其他語言來形容：學(xué)習(xí)愛因斯坦廣義相對論的最好的回報就是能夠準(zhǔn)確理解宇宙的歷史、時間的起源，以及宇宙中所有恒星和星系的演化。廣義相對論能夠告訴我們在宇宙最遠(yuǎn)的地方是什么樣的狀態(tài)，它能夠解釋這些知識是如何影響到我們在此時此地的存在。愛因斯坦的這一理論還揭示了存在的最小尺度，在這種尺度下，能量最高的粒子可以無中生有地應(yīng)運(yùn)而生。它可以解釋實(shí)在、空間和時間的結(jié)構(gòu)是如何出現(xiàn)的并成為大自然的框架。
在緊張學(xué)習(xí)的這幾個月里，我所學(xué)到的是，廣義相對論將空間和時間變活了�？臻g不再僅僅是事物存在的地方，時間也不再是滴答作響的時鐘所顯現(xiàn)的保持事物運(yùn)行的標(biāo)簽。根據(jù)愛因斯坦相對論，空間和時間是一曲交織在一起的宇宙之舞，它們對你可以想象的任何一丁點(diǎn)東西——從粒子到星系——做出響應(yīng)。它們將自身編織成能夠產(chǎn)生最離奇效果的復(fù)雜圖案。從他第一次提出之后，這一理論就被用于探索自然世界，揭示出宇宙是一個充滿活力的地方，它以極快的速度擴(kuò)張，充滿了黑洞，空間和時間遭到毀滅性的穿刺，到處是巨大的能量波，每一波浪涌所攜帶的能量幾乎同整個星系的能量一樣多。廣義相對論已經(jīng)讓我們走得比我們曾經(jīng)想象的更遠(yuǎn)。
當(dāng)我第一次學(xué)習(xí)廣義相對論時，讓我震驚的還不止這些。雖然愛因斯坦發(fā)展這一理論花了差不多10年時間，但它一經(jīng)建立便保持至今不曾再變。近一個世紀(jì)來，它一直被許多人認(rèn)為是完美的理論，任何一位有幸了解它的人都對它深表欽佩。廣義相對論，作為現(xiàn)代思想的核心，作為與西斯廷教堂、巴赫大提琴組曲或安東尼奧尼電影比肩的一項(xiàng)巨大的文化成就，已經(jīng)以其放之四海而皆準(zhǔn)的普適性成為一個標(biāo)志。廣義相對論可以濃縮成一組很容易歸結(jié)并寫下來的方程組和法則。它們不僅優(yōu)美，而且能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)世界給出一些說法。它們被用來對宇宙的運(yùn)行進(jìn)行預(yù)言，而且這些預(yù)言均已得到觀察的證實(shí)。廣義相對論里埋有這樣一個堅定的信念：宇宙中藏著有待探索的更深層秘密。我還想得到什么？
近25年來，廣義相對論一直是我生活的一部分。它一直是我的很多項(xiàng)研究的核心，為我和我的合作者試圖理解的東西提供支撐。我初學(xué)愛因斯坦理論的經(jīng)歷遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上有多獨(dú)特。世界各地都有迷上愛因斯坦理論的人，有些人為了揭開它的奧秘付出了自己的一生。這些事情真的就發(fā)生在世界各地——從金沙薩到克拉科夫，從坎特伯雷到圣地亞哥。我經(jīng)常要寄送研究論文，它們的作者都試圖找到廣義相對論方程的新的解，甚至想修正這一理論。愛因斯坦的理論也許難以把握，但它十分民主。它的困難和棘手只是表明，在它的全部意義被發(fā)掘出來之前仍有許多東西值得探討。任何人，只要有筆和紙，再加上耐心，都有機(jī)會在此一展身手。
我經(jīng)常聽到博士生導(dǎo)師告訴他們的學(xué)生，如果你害怕日后找不到工作，就不要去碰廣義相對論。對許多人來說，這一理論實(shí)在是太深奧了。那些一生致力于廣義相對論的人絕對是出于熱愛，這是一項(xiàng)幾乎得不到回報的事業(yè)。但是，你一旦發(fā)現(xiàn)了其中的一個問題，你就不可能再離開相對論。最近，我遇到一位搞氣候變化建模的領(lǐng)軍人物。他是這個領(lǐng)域的先驅(qū)，是英國皇家學(xué)會會員，是天氣和氣候預(yù)報這一極度困難研究領(lǐng)域的專家。但他從沒有打算在這一領(lǐng)域干一生。事實(shí)上，作為20世紀(jì)70年代的年輕人，他研究的是廣義相對論。這差不多是40年前的事兒了，但當(dāng)我們第一次見面時，他苦笑著告訴我：“其實(shí)我是個相對論學(xué)者�！�
我的一個朋友很早以前就離開了學(xué)術(shù)界，此前他曾研究愛因斯坦理論將近20年。現(xiàn)在他在一家軟件公司工作，研發(fā)大數(shù)據(jù)的存儲方法。他每周都要在世界各地飛來飛去，為銀行、企業(yè)和政府機(jī)關(guān)去設(shè)立這些高度復(fù)雜昂貴的系統(tǒng)。然而，當(dāng)我們見面時，他總是想問我一些有關(guān)愛因斯坦理論的問題，或與我分享他對廣義相對論的最新想法。他離不開它。
關(guān)于廣義相對論，有一件事一直困擾著我：盡管過去了近一個世紀(jì)，這一理論是怎么不斷產(chǎn)生新結(jié)果的？我本來以為，鑒于有那么多精英致力于發(fā)展這一理論，它早在幾十年前就該被發(fā)掘殆盡了。這個理論可能是困難的，但我們從中汲取的營養(yǎng)難道就沒有個上限？難道黑洞和宇宙膨脹還不夠豐富？但當(dāng)我不斷深入研究由愛因斯坦理論導(dǎo)出的許多思想，不斷與從事這一理論的杰出人才交流接觸，我就越發(fā)意識到廣義相對論的故事是一部迷人的、宏大的作品，它的發(fā)展也許和這一理論本身一樣復(fù)雜。理解為什么這一理論還如此鮮活的關(guān)鍵就是追蹤其百年來的艱辛歷程。
本書是關(guān)于廣義相對論的傳記。愛因斯坦關(guān)于空間和時間如何交織在一起的思想有它自身的生命發(fā)展邏輯。整個20世紀(jì)里，它既給那些世界上最聰明的大腦帶來喜悅，也讓他們深受挫敗的痛苦。廣義相對論是這樣一種理論，它時不時就會扔出一些有關(guān)自然世界的令人驚喜的古怪見解，盡管這些見解就連愛因斯坦本人也難以接受。隨著這一理論的不斷傳播，各種新穎的和意想不到的發(fā)現(xiàn)以最奇特的情形冒出來。黑洞的最初設(shè)想是在第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)場上，后來又同時遞交到美國和蘇聯(lián)的原子彈開拓者的手中。宇宙膨脹的想法最早是由一位比利時神父和一位俄國數(shù)學(xué)家兼氣象學(xué)家提出的。對于廣義相對論的建立起到至關(guān)重要作用的新奇的天體是偶然被發(fā)現(xiàn)的。喬斯琳貝爾是在劍橋用木頭、鐵絲和釘子搭建的搖搖晃晃的鐵架上發(fā)現(xiàn)的中子星。
廣義相對性原理也是20世紀(jì)幾場重大思想戰(zhàn)役的核心。它是希特勒德國迫害的目標(biāo)，是斯大林的俄國追逐的對象，在1950年代又被美國打入冷宮。它挑起了物理學(xué)界和天文學(xué)界的各路大腕為爭奪宇宙的終極理論而互相攻擊。在探求宇宙是否由一聲巨響開始，或宇宙是否會永恒存在，以及時間和空間的基本結(jié)構(gòu)到底是什么等問題上，他們時不時就會將廣義相對論抖落出來。這一理論還將遙遠(yuǎn)的社區(qū)連接在一起：在冷戰(zhàn)中，蘇聯(lián)、英國和美國的科學(xué)家曾就解決黑洞的起源問題坐在了一起。
廣義相對論的故事并不是只關(guān)于過去。在過去的10年里，這一點(diǎn)已經(jīng)很明顯：如果廣義相對論是正確的，那么大部分宇宙就將是暗的。宇宙中充滿了這樣一種東西，它不僅不發(fā)光，而且甚至不反射光也不吸收光。觀測證據(jù)是壓倒性的。宇宙中近三分之一的物質(zhì)似乎是由暗物質(zhì)構(gòu)成的，這是一種重的、看不見的東西，它們就像一群憤怒的蜜蜂涌在星系的周圍。另外三分之二的虛無縹緲的物質(zhì)則以暗能量形式存在，它們將空間推離開。只有4％的宇宙是由我們所熟悉的東西——原子——構(gòu)成的。我們是微不足道的。也就是說，如果愛因斯坦的理論是正確的，那么就可能——當(dāng)然僅僅是可能——我們正趨近廣義相對論的極限，愛因斯坦理論已經(jīng)開始被破解。
愛因斯坦理論也是那些整天掛在理論物理學(xué)家嘴上的關(guān)于自然的新的基本理論的基本要素。弦理論，一種試圖比牛頓和愛因斯坦走得更遠(yuǎn)，大有要統(tǒng)一自然界的一切之勢的理論，依賴于具有更高維上奇特的幾何性質(zhì)的復(fù)雜時空。有些人將這種比愛因斯坦理論遠(yuǎn)更深奧的理論贊譽(yù)為終極理論，而另一些人則將它抨擊為浪漫小說，甚至不是科學(xué)。就像一種出格的邪教，如果不是有廣義相對論在前，弦理論也不會存在，但許多相對論學(xué)者卻拿懷疑的眼光來看待它。
暗物質(zhì)、暗能量、黑洞和弦理論都是愛因斯坦理論的后代，它們主宰著物理學(xué)和天文學(xué)。在給各大學(xué)做講座，參加研討會，出席歐洲航天局會議，負(fù)責(zé)一些世界上最重要的科學(xué)衛(wèi)星節(jié)目的過程中，我認(rèn)識到，我們正處在現(xiàn)代物理學(xué)的一項(xiàng)重大變革之中。有才華的年輕科學(xué)家已能夠用一個世紀(jì)里積累起來的專業(yè)知識來看待廣義相對論。他們正在用無與倫比的計算能力來發(fā)掘愛因斯坦理論，探索有可能廢黜愛因斯坦理論的引力替代理論，在茫茫宇宙中尋找可以證實(shí)或證偽廣義相對論基本原理的古怪天體。更廣泛的科學(xué)家社區(qū)正被同時調(diào)動起來積極參與到建設(shè)龐大的觀測設(shè)備的事業(yè)中來。這些設(shè)備可以比我們以往任何時候都看得更遠(yuǎn)、更清楚，衛(wèi)星將被發(fā)射用來搜尋廣義相對論提出的某些古怪的預(yù)言。
廣義相對論的故事敘事宏大，目標(biāo)高遠(yuǎn)，值得傳頌。因?yàn)檫M(jìn)入21世紀(jì)后，我們正面臨它的許多重大發(fā)現(xiàn)和懸而未決的問題。一些重要的事情很可能真的會就在未來幾年里發(fā)生，我們需要了解這一切從何而來。我認(rèn)為，如果說20世紀(jì)是量子物理學(xué)的世紀(jì)，那么21世紀(jì)就將是愛因斯坦的廣義相對論充分展示其魅力的舞臺。
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