
在爱因斯坦之前,人们认为空间的性质是绝对的、静止的,时间的性质是独立的、均匀变化的。
而宇宙中的所有物质和能量就身处这个稳态的背景当中,一切依照牛顿经典定律演化和发展。
直到广义相对论横空出世,它告诉我们:不对,以下这些才是真相。
这个空间本身是动态有弹性的,而时间也是有快有慢的。更确切地说,时间和空间根本就是一体的。
这就是广义相对论的核心思想:物质和能量导致时空如何弯曲,弯曲的时空则告诉物质如何运动。
而引力,也不再是经典力学里那种臆想出来的超距作用力,引力是妥妥的时空弯曲的几何效应。
以上都是些结论性的描述,虽重要且实质但略显抽象。
不过,有趣的地方在于,我们普通人也可以发挥想象,像爱因斯坦一样去感受感受,这些弯曲的画面,和几何效应到底是怎么来滴。
大家可以跟着神棍做个思想实验:
在脑子里把时空想象成一张巨大的、紧绷的弹性蹦床,如果把一个沉重的铅球放在蹦床中央,它就会将床面压出一个凹陷的曲面。
现在,你弹出一颗小玻璃珠,它并不会径直地滚走,而是会沿着凹陷的曲面,围绕着铅球做旋转运动。
这时候,你从蹦床上方看,小球好像被一种力拉着绕圈圈。但实际上,它只是在弯曲的表面上,沿着最自然、最省力的路径(测地线)运动而已。
同理,月球绕地球转,苹果从树上掉下来,其实质一模一样。
大家可不要小看了这个简单的思想实验,由该实验引出的高深理论(广义相对论)做出了许多惊人的预言,并且在后来都被一一证实:
光线可以弯曲:光子没有质量,但当经过大质量天体(如太阳)附近时,光线会沿着弯曲的时空走,路径发生偏折。
1919年日全食观测证实了这一点,使爱因斯坦一举闻名全球,而牛顿经典力学定律可解释不了光线弯曲现象。
引力时间膨胀:时间的流逝不是均匀的,在引力场更强的地方,也就是在更弯曲的时空里,时间流淌速度会更慢。
这已经通过高精度原子钟实验验证,也是GPS卫星必须修正的时空几何效应。
预言黑洞:如果一个大质量天体被压缩到极致,它会将时空弯曲到一个无限深的洞,连光都无法逃逸,这就是广义相对论所预言的黑洞。
如今,我们知道它不只是个预言,而是被我们切切实实拍到的真实极端天体。
预言引力波:加速运动的大质量物体对时空形成扰动,产生以光速传播的涟漪,这就是预言中的引力波。
2015年9月,人类通过LIGO直接探测到双黑洞合并所产生的引力波。
好了,让我们回到那个问题,宇宙中时间与空间的本质是什么?
爱神和他的理论告诉我们的答案是:时间和空间它们是一个密不可分的整体,准确地说就应该叫时空。
而广义相对论将时空和引力的结构又进行了图像化和几何化,并用数学精确地表达出来,这是人类想象力和数学公式推论的巅峰之作。
它告诉我们,我们生活的这个时空本身,是动态的、可塑的、充满弹性与活力的,并且还是可以被精确理解和实验验证的。
其实说到底,现代科学探索宇宙,最大的课题就是在探索时间和空间本身的几何形状,以及怎么用数学公式来描述时空如何变幻的这个动态过程。
