我們所居住的地球是一個充滿藍色和綠色的美麗星球。但是,在從太空中得到第一張地球圖片之前很久,古希臘人就已經令人吃驚地意識到,地球表面其實是彎曲的(他們甚至測量出了地球的周長)——我們居住在一個巨大的球面上。
而接下來對天體的詳細觀察,為我們的世界觀帶來了一個更為劇烈的修正。對夜空中其他可見行星的觀測,一直以來都是天文學研究的主要內容。但隨著觀測的深入,我們發現地球只是這些行星中的普通一員。地球和它的姊妹行星一起,在各自的軌道上繞太陽旋轉,因此它並不具備宇宙中心的任何特權。隨著對銀河系的進一步觀測,不斷有新恆星(巨大天球上的固定光點)出現在我們的視野中,而宇宙邊界也在不斷地向外擴張。
在20世紀初,這個充滿恆星的宇宙模型囊括了所有我們已知的事物。我們那時還不知道,銀河系其實只是可測宇宙中數千萬星系中的一員。更為重要的是,我們還沒有將時間包括在對宇宙的描述中。
1915年,愛因斯坦開創了廣義相對論,並由此完成了他對宇宙的描述。在他的理論中,時間和空間並不是宇宙中單純的背景和舞臺;相反,它們在宇宙的每個動作中都是主要的參與者。他提出用新的方程來描述空間的幾何特徵以及光和質量在運行過程中可能發生的偏轉。這些方程改變了時間和空間的角色——宇宙有可能是隨時間演化的。這個由愛因斯坦新理論給出的難以置信的預言,甚至連他本人都無法接受。
在上帝對宇宙的策劃中,時間永遠是一個關鍵的角色。曾幾何時,我們一直認為時間的作用是周期性的,它可以描述四季的更替或預言行星的繞行位置。但是,作為新理論的基石,愛因斯坦給出的方程卻明白無誤地為我們展示了一個不斷演化的宇宙。從我們所知所見所感的宇宙出發,時空會發生連續的膨脹或收縮。宇宙有過去,也會有將來,而這二者都將顯著區別於它現在的狀態。
這一驚人的結論促使愛因斯坦在他的方程中增加了一項「宇宙常數」(cosmological constant),並依靠這個人為的參數平衡時間的影響,從而將宇宙維持在一個靜止的狀態——既不膨脹也不收縮。提出這一套數學把戲的目的,僅僅是因為人們主觀上樂於相信宇宙是靜止的。
正是由於這個恆定常數的加入,愛因斯坦錯失了預言宇宙膨脹的機會,而這正是他對空間和時間新領悟的最重大的預言之一。更為嚴重的是,之後的研究顯示愛因斯坦給出的這個解甚至是不穩定的。加入一個宇宙常數確實可以製造出一個靜態的宇宙——但是任何微小的幹擾和變化,都會使宇宙偏離平衡點,並發生不可避免的膨脹或塌縮。這就像把一支鉛筆筆尖朝下立在桌面上——雖然理論上可以做到,但在實際中鉛筆總會很快倒下。
幸運的是,廣義相對論還做出了幾個和宇宙常數無關的關鍵性預言。愛因斯坦新理論的第一個成功來自於他對水星軌道的演算。在他之前,學術界從牛頓物理學出發的種種計算,都不能解釋我們對水星——這個距離太陽最近的行星——軌道的詳細觀測。在水星每次繞太陽旋轉的旅途中,最接近太陽的點(近日點)都會發生進動——這一圈軌道會比上一圈向前移動一點。利用廣義相對論,愛因斯坦得到的水星軌道和觀測結果達到了完美的一致。在愛因斯坦將結果與數據進行比較時,他經歷了「迄今為止,甚至是整個一生中,在科學工作中最激動人心的時刻」,並由此確定了新引力理論的重要意義。
最終將廣義相對論迅速提升到科學界和公眾面前的,是另一個截然不同的偉大發現。一個新理論的成功,不僅依賴於它對現有數據的解釋(例如水星軌道),我們還要求它能超出已知的現象並提出新的預言。廣義相對論對已知宇宙模型的革命性改變發生在1919年。當阿瑟·埃丁頓(Arthur Eddington)爵士領導的日食觀測行動成功地證實了其中一個主要預言時——一個大質量物體對光的彎曲作用——我們的宇宙觀從此被永遠地改寫了。
廣義相對論雖然是一個複雜的理論,但它的美卻在於簡單的基本前提:質量和能量能夠扭曲時空;扭曲的時空又反過來決定質量和能量的運動。
在這裡,我們將質量和能量放在一起討論,是因為它們實際上是同一事物的不同化身;一個靜止物體(例如石頭)的能量就是它的質量;一個移動物體的能量就是其質量和動能的總和。對於沒有質量的光來講,其總能量只包含單純的動能。另外,能量還可以在各種形式間相互轉化。
在成功地經受住了各種實驗和觀測的考驗之後,廣義相對論的關鍵思想已經為我們所掌握,包括:
●質量和能量會扭曲時空。
●扭曲時空中的物體將沿「最短路徑」運動。
●在扭曲的空間中,最短路徑不再是一條直線。
●光總是沿著最短路徑傳播,因此光在空間中將沿彎曲的路徑前進。
除此之外,廣義相對論也給出了一些有關宇宙整體的新奇論斷。由於空間和時間會因為質量和能量的存在而發生變化,所以整個宇宙(即全部時空)也會受到其所包含的質量和能量的影響。簡而言之,廣義相對論認為:
●宇宙在整體上將是膨脹或收縮的。
●宇宙的演化歷史——它隨時間膨脹或收縮的過程——取決於它的成分。
狹義相對論只是相對論理論的簡化版本,愛因斯坦在這一版本中完全忽略了會使事情複雜化的引力作用。(物理學家們熱衷於在理論發展的初期,將困難的部分略去,然後再逐漸加入。)在加入對引力的描述後,這一理論的擴展版自然地被稱為廣義相對論。這個完整的理論,正是我們了解宇宙的關鍵一環。