2015年3月，天文學領域的一條消息震動了整個科學界：美國科學家利用哈勃望遠鏡，首次捕獲了來自一顆被星系團扭曲的爆炸恒星的圖像，從而證實了愛因斯坦的廣義相對論。

整整100年前，世界上最偉大的科學家之一愛因斯坦曾預言：宇宙物質的高度集中將形成強大的引力，能讓穿過其中的光線發生彎曲，就像光線穿過透鏡一樣。在之后的漫長百年歲月中，人們在努力尋找著能證明此預言的有力證據。經過對太空50多年的不懈觀測，這次，證據確鑿：天文學家首次通過恒星—一個距離地球93億光年的超新星—爆炸釋放的強烈光線發現引力透鏡效應！

愛因斯坦《廣義相對論基礎》手稿（北京日報）

科學界盛贊相對論讓物理學發展到了全新的高度，徹底“改變了人類看待宇宙的方式”。但是對于普通民眾、普通的科學愛好者乃至專業的科學工作者來說，透徹理解相對論都是一項艱巨的任務。據說，相對論誕生之初，有一次，英國天文學家愛丁頓在作完關于廣義相對論的通俗講演后，有人問他：“尊敬的教授，聽說世界上現今只有三個人懂得相對論，是這樣嗎？”愛丁頓略加思索后回答：“您也許說得不錯。不過，我在想第三個人是誰呢？”

即使如此，卻并不妨礙我們從愛因斯坦提出相對論的歷程中發現其理論脈絡，從宏觀角度理解這一偉大成就。

狹義相對論的建立

愛因斯坦似乎天生就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人。

1900年，愛因斯坦畢業于蘇黎世聯邦工業大學，雄心勃勃的他卻在很長時間沒有找到工作，兩年后才去了瑞士伯爾尼擔任專利局的一個小職員，從事發明專利申請的技術鑒定工作。糊口問題解決了，愛因斯坦又開始了對物理學的追求。盡管只能利用業余時間思考，遠不如一般的科研人員一樣全職投入，可天性樂觀的愛因斯坦卻很滿足：“我還有星期天”。

    愛因斯坦在伯爾尼專利局任職(圖片提供：Albert Einstein Archive,Jerusalem,Lucien Chavan)

愛因斯坦在伯爾尼的生活時刻表是這樣的：早上8時去上班，穿著拖鞋去菜市場買菜，然后步行15分鐘到專利局四樓86號辦公室。和其他審查員安坐長腿坐椅，雙腿翹到桌上審查圖紙不一樣，愛因斯坦從家里帶來鋸子把椅腿鋸掉一截，坐在短腿椅子上，把整個身子埋在桌上的圖紙堆中全神貫注地審查，一天的工作往往用半天就完成了。剩下的時間就靜悄悄地“干私活”--研究物理。下班后回家或者到附近的咖啡館里和朋友喝東西--當然，并不是漫無目的地侃大山，他和幾位志同道合的朋友成立了一個名為“奧林匹亞”的讀書小組，讀的書包括物理學前沿的論著，幾位好友還經常交流學術問題，聊到深夜。沒有身在學術圈，反倒給了愛因斯坦更多獨立思考的時間和機會。

1905年，愛因斯坦的思考開始結出累累碩果，他接連發表了5篇論文，篇篇經典并刊登在國際物理學界聲望最高的《物理學雜志》上。百年之后，聯合國通過大會決議將2005年定為國際物理年，以紀念這個“奇跡之年”，即“愛因斯坦奇跡年”。

愛因斯坦在伯爾尼的故居一角（環球網）

這5篇論文分別是：

1、《關于光的產生和轉化的一個啟發性觀點》，討論了光量子以及光電效應；

2、《分子大小的新測定》，推導出計算擴散速度的數學公式；

3、《關于熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》，提供了原子確實存在的證明；

4、《論動體的電動力學》，提出時空關系新理論，被稱為“狹義相對論”；

5、《物體的慣性是否決定其內能》，建立在狹義相對論基礎上，表明質量和能量可互換，后來推出最著名的科學方程：E=mc2。

其中，《論動體的電動力學》中，他闡述了關于狹義相對論的基本原理，他寫道：“下面的考慮是以相對性原理和光速不變原理為依據的，這兩條原理我們規定如下：

1．物理體系的狀態據以變化的定律，同描述這些狀態變化時所參照的坐標系究竟是用兩個在互相勻速移動著的坐標系中的哪一個并無關系。

2．任何光線在“靜止的”坐標系中都是以確定的速度c運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發射出來的。”

其中第一條就是相對性原理，第二條是光速不變性(人為假定的）。整個狹義相對論就建筑在這兩條基本原理上。

狹義相對論顛覆了從牛頓以來形成的時空概念，提示了時間與空間的統一性和相對性，建立了新的時空觀。

狹義相對論公式（網絡圖）

廣義相對論的建立

1907年，愛因斯坦表示了對兩年前創立的狹義相對論的不滿。因為狹義相對論兩個基本原理之一“相對性原理”認為：物理定律在所有慣性系中都相同。他認為這一原理與牛頓力學一樣，均把慣性系放在了一個特殊的位置上，無論從物理學還是美學上都不完美。

愛因斯坦認真分析后認為，突破口就在把經典力學中“引力質量和慣性質量相等”的事實推廣到“慣性力與引力等效”，這便是廣義相對論的一個重要原理“等效原理”。一個簡單的例子是，在一艘封閉的、加速前進的宇宙飛船上，乘客能感受到一個拉向后靠背的力，但是乘客本人無法判斷是慣性力還是別的什么天體對他施加的引力。等效原理使愛因斯坦認識到，萬有引力是時空彎曲的表現。但是當時他還沒有掌握描述新理論的數學工具——黎曼幾何。所以直到1911年夏天，愛因斯坦才重新考慮萬有引力問題，并指出引力會導致光線的彎曲，而且可以通過日全食前后星光的偏折進行驗證，還給出了光線偏折的估計值。

1915年11月25日，在大學同學兼好友格羅斯曼和數學家希爾伯特的幫助下，愛因斯坦給出了廣義相對論的完整數學表述。他在給朋友貝索的信中寫道：“我最大膽的夢想終于實現了。”廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，并在此基礎上應用等效原理而建立。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率）；而這種時空曲率與處于時空中的物質與輻射的能量-動量張量直接相聯系，其聯系方式即是愛因斯坦的引力場方程（一個二階非線性偏微分方程組）。

引力場方程（網絡圖）

1919年5月29日，英國天文學家愛丁頓率領的一個觀測隊在西非普林西比島觀測日全食時，完美證明了廣義相對論理論。根據廣義相對論，太陽的引力會使光線彎曲，太陽附近的星星視位置會變化。觀測結果證實，光線偏折的角度與愛因斯坦預言的相吻合。消息傳出，愛因斯坦的名字隨即傳遍了世界。

廣義相對論創立之時，理論物理學家玻恩就曾評價其是“認識自然的人類思維最偉大的成就，哲學的深奧、物理學的洞察力和數學的技巧最驚人的結合”。廣義相對論深化了人們對物質與時空的認識，對物理學、宇宙學乃至哲學的發展產生了深遠影響。它再次革新了人類對時空關系的認識，促生了現代宇宙學，掀開了科學史上新的一頁。

如果說牛頓的理論體系讓我們通曉了地球萬物最根本的運動規律的話，愛因斯坦的相對論則讓我們放眼更大尺度的時空，讓我們換了一種方式看待原本以為已經熟知的宇宙萬物。2015年，是愛因斯坦提出廣義相對論100周年，讓我們為這位科學偉人的偉大理論獻上一份深深的敬意！

美國紐約杜莎夫人蠟像館珍藏的愛因斯坦蠟像（人民網）

 

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百年相對論：讓我們換一種方式看待宇宙

圖文簡介

2015年3月，天文學領域的一條消息震動了整個科學界：美國科學家利用哈勃望遠鏡。