当涉及到理解宇宙，有几个理论是耳熟能详的：薛定谔的猫、孪生悖论和相对论。但是，尽管广义相对论——爱因斯坦最伟大的成就——已经有100多年的历史了，但它对每个人——从普通大众到物理学的本科生和研究生——来说仍然是一个很大的谜团。

量子，无论是波、粒子还是介乎两者之间的任何东西，都具有定义它们的性质。但它们需要一个舞台，在这个舞台上，它们可以相互作用，上演宇宙的故事。

在基本层面上，宇宙是由量子构成的——具有质量、电荷、动量等物理属性的实体——它们可以相互作用。量子可以是粒子，波，或者任何介于两者之间的状态，这取决于你怎么看它。两个或两个以上的量子可以结合在一起，形成复杂的结构，比如质子、原子、分子。量子物理学相对较新，在20世纪才被发现，但宇宙是由相互作用的不可分割的实体组成的观点可以追溯到2000多年前，至少可以追溯到阿夫季拉的德谟克利特。

但是不管宇宙是由什么组成的，组成它的物质需要一个舞台才能前进，如果它们要相互作用的话。

牛顿的万有引力定律已经被爱因斯坦的广义相对论所取代。

在牛顿的宇宙中，是平坦、空旷、绝对的空间。空间本身是一个固定的实体，有点像一个笛卡尔坐标网格：一个有x轴、y轴和z轴的三维结构。时间总是以同样的速度流逝，而且是绝对的。对于任何地方的观察者、粒子、波或量子，它们所经历的时空应该是完全相同的。但是到了19世纪末，很明显，牛顿的概念是有缺陷的。接近光速的粒子与运动缓慢或静止的粒子相比，经历时间(膨胀)和空间(收缩)的方式是不同的。粒子的能量或动量突然变得与空间有关，这意味着空间和时间不再是绝对量。你体验宇宙的方式取决于你在宇宙中的运动。

对于以不同相对速度运动的观察者来说，“光钟”似乎会以不同的方式运行，但这是由于光速的恒定造成的。爱因斯坦的狭义相对论支配着这些时间和距离的变换是如何发生的。

这就是爱因斯坦狭义相对论概念的来源：有些东西是不变的，比如粒子的静止质量或光速，但其他的则取决于你在时空中移动的方式。1907年，爱因斯坦的前任教授赫尔曼·闵可夫斯基取得了一个辉煌的突破：他证明了你可以用一个公式来构想空间和时间。他一下子就发展出了时空的形式主义。这为粒子在宇宙中移动(相对于其他粒子)并相互作用提供了一个平台，但它不包括引力。他所发展的时空——今天仍然被称为闵可夫斯基空间——描述了狭义相对论的全部内容，也为我们所做的绝大多数量子场论计算提供了背景。

量子场论的计算通常是在平坦空间中进行的，但广义相对论的计算范围更广，甚至包括了弯曲空间。

如果没有万有引力这样的东西，闵可夫斯基时空就会满足我们的一切需求。时空将是简单的、不弯曲的，它将只是为物质的通过和相互作用提供一个舞台。加速的唯一方法是通过与另一个粒子的相互作用。但是在我们的宇宙中，我们确实有万有引力，爱因斯坦的等效原理告诉我们万有引力对你的作用就和其他任何加速度一样。

一个球在加速火箭中(左)和在地球上(右)落到地板上的相同行为是爱因斯坦等价原理的一个证明。

正是这一发现，导致了广义相对论的诞生。狭义相对论的闵可夫斯基空间和广义相对论中出现的弯曲空间之间的主要区别是被称为度量张量的数学形式，有时也被称为爱因斯坦度量张量或黎曼度量。黎曼是19世纪的一位纯数学家(他以前是高斯的学生，也许是他们当中最伟大的数学家)，他提出了一种形式主义，关于如何在任意维数的任意弯曲空间中存在和定义任意的场、线、弧、距离等。爱因斯坦(和许多合作者)花了将近十年的时间来解决这个复杂的数学问题，但无论如何，我们有了广义相对论：一个描述我们的三维空间和一维时间的宇宙的理论。

由引力质量引起的时空弯曲，如图示为广义相对论。图片来源：LIGO/T。派。

上一篇：新时代工业和信息化事业发展理论研讨会在北航
下一篇：没有了