广义相对论很有名,但多数人不知道里面到底说些什么。只见一堆名词:时空弯曲,黎曼几何,非欧空间,黑洞等等,很玄乎。网上有些广义相对论浅说这类文章,但说得还是有点高深难懂。这里俺试试做个最简易的解说,希望没物理背景的人读后也能理解广义相对论的基本内容。
古人开始不知道大地是个球,以为是个平面,就不敢朝一个方向一直航海远去,怕这世界没尽头,回不了家。后来知道大地是个球,就敢朝一个方向一直航行下去,绕地球一圈还能回到老家。这个例子说明一个二维空间如果是平的,就是开放无界的。如果弯成个球面,就是封闭的,再怎么走还是会回到原处,但又是无界的,可以一圈一圈一直绕球面走下去。这个弯曲空间的概念是广义相对论里最基本的概念。
上面说的是个二维问题。现在的人会造飞船,不一定非要贴着地球面航行,可以飞离地球,因为我们所处的世界是三维的。但敢不敢开着飞船朝一个方向一直飞下去?如果宇宙这个三维空间是“平”的,宇宙就是无穷大,飞太远了就回不了地球。如果宇宙这个三维空间是“弯”的,开着飞船朝一个方向一直飞下去,就有可能回到地球。弯的三维空间不好想象,也不必多想。能够理解前面说的弯的二维空间就行了。
俺们从中学开始学的几何里有几个基本假定,其中一个假定是俺们所在的这个空间是平的,两条平行线再怎么延伸也不会相交。这个几何学叫欧几里德几何,是希腊古人中有些吃饱了喜欢乱想的人这么想的,俺们中国古人吃饱了就写诗作赋,传统不一样。近代也有人吃饱了乱想。比如,爱因斯坦在狭义相对论里认为宇宙是四维的:三维空间加一维时间,时间和空间在特定条件下可以互换的。比如现在这里是2013年,但在宇宙其他地方现在可能是1013年或者3013年,时空穿越是可能的。在广义相对论里他认为宇宙中的质量,比如太阳,地球等等,会把其附近的四维空间搞弯了。质量越大就弯得越厉害。这就是所谓的“时空弯曲”。
描述这种弯曲空间的几何是非欧几何。非欧几何有不止一种,爱因斯坦在广义相对论里用了一个叫黎曼的人搞出的黎曼非欧几何来描述他的想法。根据广义相对论的推算,宇宙中如果有个质量密度极大的东西,比如把太阳压缩到比芝麻还小很多很多,这个质量附近的四维时空就弯得非常厉害,完全封闭了,在里面的光线只能在里面绕圈子,出不来。因为时间和空间等效的,这个质量附近的时间也“弯”得封闭了,里面的时间也只能绕圈子,好比2012年过完了过2013年,2013年过完了又过2012年。外面的东西给吸进去后都在里面绕圈子,再也出不来,这就是所谓“黑洞”。
爱因斯坦1915年提出作广义相对论,开始作讲座时,听讲的很多物理学家很生气,认为完全是奇谈怪论,胡说八道。但因为那时爱因斯坦已经有名了,所以很多人还是愿意按着他的说法想一想。行星里水星离太阳最近,太阳系里如果空间弯曲的话,那里会弯得厉害点。人们分析水星运行轨迹,发现有点弯(轴进动),和广义相对论说的差不多。人们又看到光线从太阳旁边经过时会拐弯,表示那里的空间真有点弯。这类观测一直在进行,精确度越来越高,结果和广义相对论预言的结果越来越符合。现在人们也观测到宇宙中有类似黑洞的东西存在。所以现在人们普遍接受广义相对论了。把广义相对论归纳成一句话,就是:“质量引起时空弯曲”。从哲学上说,人类不可能穷尽真理,只能无限逼近真理。所以广义相对论是目前最好的宇宙力学,但以后还会有更好的理论。广义相对论没有任何日常生活的经验体会,或科学理论实验的结果作提示,完全是无中生有,凭空想出来的,远超前于时代,一百多年来还是最好的理论,实在是人类历史上的一大奇迹。