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爱因斯坦广义相对论诞生背后的故事2015 12 07 10:24来源： 《环球科学》杂志
撰文：沃尔特·艾萨克森（Walter Isaacson）?
翻译：徐愚
本文作者沃尔特·艾萨克森是美国阿斯彭研究所的CEO。他曾是美国有线电视网（CNN）的主席、《时代周刊》（Time）的主编，并撰写了多本畅销书，其中包括2011年出版的《史蒂夫·乔布斯传》。
广义相对论是爱因斯坦提出的最著名的理论，但很多人都不知道，在广义相对论的创立过程中交织着爱因斯坦个人生活的冲突、紧张的政治时局，以及与另一位竞争者的科学较量。
广义相对论源于一个倏忽而至的灵感。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”。
接下来，他花费了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。到了1915年，爱因斯坦终于达到了事业的巅峰，提出了广义相对论完整的理论形式，永远地改变了我们对整个宇宙的理解。
扩展狭义相对论
1911年，爱因斯坦成为位于布拉格的查尔斯 费迪南德大学（现为布拉格查理大学）的一名教授。他将注意力重新放到引力理论上，希望将自己1905年提出的关于时空关系的狭义相对论推广到更一般化的情况。
进一步完善自由落体思想实验后，爱因斯坦发现这会产生一些令人惊奇的结果，比如引力能够使光线弯曲：想象一下，当密闭空间正在加速向上时，一束光线从墙壁上的小孔中穿入。当光线到达对面墙壁时，光线与地板的距离会略微减小，因为密闭空间在此过程中被急速拉升。等效原理认为，不论是加速上升，还是静止于引力场中，其效果都是相同的。也就是说，光线穿过引力场时也会发生弯曲。
爱因斯坦探寻广义相对论的目标，是要找到描述两个相互交织过程的数学方程式——引力场如何作用于物质，使之以某种方式进行运动；物质又如何在时空中产生引力场，使之以某种形式发生弯曲。
与第一任妻子关系破裂
那时，爱因斯坦已搬到德国柏林，成为了一名教授，还当选了普鲁士科学院院士。但由于反犹太主义浪潮不断高涨，他无法与身边的同事形成研究伙伴关系。他与妻子米列娃·玛里奇（Mileva Maric）关系破裂，米列娃带着他们年仅11岁和5岁的两个儿子回到了苏黎世。爱因斯坦与他的表姐艾尔莎（Elsa）关系暧昧，后来她成为了爱因斯坦的第二任妻子，不过那时，他仍然独自生活在位于柏林中部一间没有什么家具的公寓里。在那里，他无规律地吃饭、睡觉、拉小提琴，孤独地为他的伟大理论而奋斗。
1912年，爱因斯坦与他的表姐艾尔莎发生婚外恋情，后来艾尔莎成了他的第二任妻子。
然而就在1915年6月底，他的个人生活处于混乱不堪之际，爱因斯坦却思考出了许多关于广义相对论的内容。在那个月底，他以正在思考的问题为主要内容，在德国哥廷根大学开设了为期一周的系列讲座。哥廷根大学是全世界最杰出的数学研究中心，拥有许多非凡的天才，其中最著名的就是数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert）。爱因斯坦特别渴望与希尔伯特沟通交流，他向希尔伯特解释了相对论的每一个艰涩难懂的细节。
与数学家希尔伯特竞争
希尔伯特也同样为爱因斯坦及其理论着迷，以致于没过多久，他就开始自已动手尝试解开爱因斯坦迄今尚未完成的谜题——寻找能够完整描写广义相对论的数学方程。1915年10月初，爱因斯坦已经听到了希尔伯特追寻答案的“脚步声”，与此同时，他意识到当前版本的理论框架存在着严重缺陷。
在爱因斯坦耳边有两个滴答作响的时钟：其一他能感觉到希尔伯特正在逐步接近正确的方程；其二他已同意在11月份以他的理论为主题，为普鲁士科学院的院士们开设四次周四讲座。整个11月份，爱因斯坦几乎累得精疲力竭，在此期间，他一直在努力解决一系列的方程式，不断进行修改和更正，准备向终点作最后的冲刺。
爱因斯坦沉浸在工作中，他独自居住，吃饭、睡觉都变得没有规律，有时拉小提琴为自己放松。
此时的爱因斯坦正处于创造力集中爆发前的阵痛阶段，科学史上的最重要时刻即将到来。爱因斯坦对朋友说，他在柏林独自生活，“荒凉”的公寓已经有了“一种近乎教堂般的气氛”。这位朋友回答说：“这是理所应当的，因为非比寻常的神圣力量正在那里发挥作用。”
找到完美的引力场方程
在匆忙仓促中，灵感不期而至，爱因斯坦终于取得重大突破，想到了描写广义相对论的精确方程，这使得所有的焦虑都化为了喜悦。他对修正后的方程进行了测试，结果修正后的方程正确预测出水星近日点每100年出现43角秒的漂移。爱因斯坦激动万分，甚至出现了心悸。他告诉一位同事：“我沉浸在喜悦和激动中！”他还欣喜若狂地告诉另一位物理学家：“水星近日点运动的计算结果令我感到极为满意。天文学学究式的精确度对我们的帮助是多么巨大啊，我竟然还曾暗自对此嘲笑！”
在11月25日的最后一次演讲中，爱因斯坦及时地提出了一组可以描述广义相对论的协变方程，那次演讲的题目为“引力场方程”（The Field Equations of Gravitation）。
在外行人看来，这个方程并不像质能公式E = mc2那样生动形象。然而，利用简明扼要的张量符号，将不规则且庞杂的数学表达作为下标列入其中，爱因斯坦场方程的最终形式依然足够简洁，甚至能让物理极客们将之印在T恤衫上。在该方程有一个形式可以写成：
Rμν 1/2gμνR = 8πG Tμν
方程左边如今被称为爱因斯坦张量（Einstein tensor），可以简写为Gμν，用以描述时空的几何结构是如何因物体的存在而弯曲变形的，右边则描述了引力场中的物质运动。这个方程表明了物体是如何弯曲时空，以及这种弯曲又是如何反过来影响物体运动的。
迄今为止最伟大的科学发现
通过狭义相对论的创立，爱因斯坦已经证明，空间和时间并非独立存在，而是形成了一种时空构造，而广义相对论表明，这种时空构造既可以被其中物体的运动所决定，又可以反过来决定其中物体的运动。
这种弯曲的时空构造解释了引力及其与加速度的等效原理，还有关于各种运动形式的广义相对论。在量子力学先驱、诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克看来，它“或许是迄今为止最伟大的科学发现” 。而另一位物理学巨匠马克斯·波恩（Max Born，获得1954年诺贝尔物理学奖）称之为“人类思考自然的最伟大壮举，哲学思辨、物理直觉和数学技巧最令人惊艳的结合。”
整个创立广义相对论的过程让爱因斯坦疲惫不堪。他的婚姻已经破裂，战火正在欧洲肆虐，但他却感到从未有过的幸福。“我最大的梦想已经实现，”他向他最好的朋友说，“具备了广义协变性，且对水星近日点运动的计算惊人地精确。”他说自己“心满意足，同时又心力交瘁”。
本文由《科学美国人》中文版《环球科学》供稿。
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作者： 沃尔特·艾萨克森[责任编辑: 汪海伦]相关稿件爱因斯坦,物理学,广义相对论,引力场,理论看到此处说明本文对你还是有帮助的，关于“爱因斯坦广义相对论诞生背后的故事”留言是大家的经验之谈相信也会对你有益，推荐继续阅读下面的相关内容，与本文相关度极高！
