广义相对论虽然是一个复杂的理论,但它的美却在于简单的基本前提:质量和能量能够扭曲时空;扭曲的时空又反过来决定质量和能量的运动。
在这里,我们将质量和能量放在一起讨论,是因为它们实际上是同一事物的不同化身;一个静止物体(例如石头)的能量就是它的质量;一个移动物体的能量就是其质量和动能的总和。对于没有质量的光来讲,其总能量只包含单纯的动能。另外,能量还可以在各种形式间相互转化。
在成功地经受住了各种实验和观测的考验之后,广义相对论的关键思想已经为我们所掌握,包括:
●质量和能量会扭曲时空。
●扭曲时空中的物体将沿“最短路径”运动。
●在扭曲的空间中,最短路径不再是一条直线。
●光总是沿着最短路径传播,因此光在空间中将沿弯曲的路径前进。
除此之外,广义相对论也给出了一些有关宇宙整体的新奇论断。由于空间和时间会因为质量和能量的存在而发生变化,所以整个宇宙(即全部时空)也会受到其所包含的质量和能量的影响。简而言之,广义相对论认为:
●宇宙在整体上将是膨胀或收缩的。
●宇宙的演化历史——它随时间膨胀或收缩的过程——取决于它的成分。
以上是对一个非常困难的主题给出的一个简短的摘要,它也许会让你觉得有点不知所云。接下来,我们不妨顺着爱因斯坦的逻辑,尝试去一步步地理解这些结论。和爱因斯坦相同,我们首先尝试去理解光以及光在真空中的传播过程。这个练习所给出的结果,就是大名鼎鼎的狭义相对论——在后面的讨论中,我们会看到这一理论将从物理字典中删去“同时”这个词。之所以称之为“狭义”,是因为这只是相对论理论的简化版本,爱因斯坦在这一版本中完全忽略了会使事情复杂化的引力作用。(物理学家们热衷于在理论发展的初期,将困难的部分略去,然后再逐渐加入。)在加入对引力的描述后,这一理论的扩展版自然地被称为广义相对论。这个完整的理论,正是我们了解宇宙的关键一环。
