物理学家最重要的任务：爱因斯坦的重力理论，它究竟有多重要？

重力理论将指导科学界新方向？

广义相对论的新应用

在未来的几十年里，完成由爱因斯坦所最先提出，但一直未尽的理论可能会成为很长一段时间里科学界最重要的事情。

虽然世界上只有少部分人能够充分理解广义相对论，但它仍给予了爱因斯坦享誉全球的声誉以及来自Time杂志“本世纪最具影响力人物之一”的褒奖。上周在班加罗尔举行的弦会议上，来自物理界的权威学者们一起参加了一个特殊环节，庆祝伟大的重力理论提出一百周年。

一个科学家在会议上对一个理论物理学家能成为“本世纪最具影响力人物”感到自豪。就在物理学家们欢庆爱因斯坦的这个伟大成就的同时，他们也在努力突破这项理论，测试它的极限，并将其延伸并替换以期应用到新的领域去。

在总理莫迪面前摆着的众多提议之间，有一项100亿卢比的提案，要求建立激光干涉引力波观测台（LIGO），一个极其复杂的用于侦察爱因斯坦理论中预测存在的引力波的设备。

印度的LIGO将成为全球引力波探测网中的一部分，并在一定时候作为宇宙观测的新窗口。某些物理学家认为，即使引力波的存在已经被证实，但对其直接的观察仍然能够对现有的物理理论产生重大影响。

几个月之后，在美国的两个升级版LIGO将会进入其第一次观察期。“我们的敏感度比世纪处十年的时候高得多。”雪城大学引力波小组的物理学教授Peter Saulson说。

LIGO实验将长期进行下去。同时，两个天文台在欧洲正在更新中，它们将加入已经升级了的LIGO（也被称作高新激光干涉仪引力波天文台）一起参与对引力波的探测。欧洲科学家们在计划未来更宏伟的目标。

欧洲空间局在研发一个计划于2020年发射的探测器。这个叫“欧几里得”的探测器将勾勒出黑暗宇宙的结构，一个我们只知存在但无法观测的部分。实际上，我们现在可以观测到的也仅仅是4%的宇宙。

当这些实验将最大限度地测试广义相对论的同时，理论学家们也在尝试对爱因斯坦的理论进行延伸或修改以便将其应用于看似不相关的领域。其中一个奇特的领域便是黑洞，这个理论所预言存在的坍塌的超大质量星。爱因斯坦的理论将与这些恒星一起坍塌，因为理论本身提出了一个拥有无限密度的奇点的可能性。

奇点背后的数学并不复杂，但没有人知道它物理上的意义。物理学家们对于在特定时间一个物体撞向恒星表面会发生什么是无法给出一个精确的预测的。但有了爱因斯坦的引力理论，这都将不是问题。

“经典的引力理论遭遇奇点问题，”印度理工学院马德拉斯分销的物理系副教授L Sriramkumar说，“它需要通过量子引力理论被解决。”

现代物理的支柱

在爱因斯坦发表广义理论的两年后，他引进了一个现在被称为宇宙学常数的东西，调整了他的公式。这样一来，他便可以使宇宙在引力的牵引之下保持稳定。在那个时候来，科学家们认为宇宙是稳定的。后来，我们发现它其实一直在膨胀，而且爱因斯坦将宇宙学常数称为他的最大错误。

最近，宇宙学常数又因为神秘的暗能量在空间中理应是将星系越来越快地分开的问题而再度被提及。没人知道为什么。目前，解决这个问题是整个科学界最大的努力方向。

更大的问题是爱因斯坦的引力理论与量子力学（现代物理中的另一个描述小规模物质的理论支柱）的统一。量子力学在解释物质的行为上十分成功，也被验证了无数次。但是，广义相对论与量子力学却是互相矛盾的。

两者可能都是一个尚未被研究出来的更为广义的理论的一部分。物理家们认为引力理论与量子力学的统一是理论物理界最大的难题。这些是重要的问题，而且他们的解决方法将会更新我们对宇宙的认知，就像爱因斯坦在撰写他的理论的时候一样。

当他开始研究广义相对论的时候，爱因斯坦已经用一些重要发现改变了物理界的进程。在1905年，他发现了著名的E=MC2方程。他撰写了狭义相对论，一个关于时间与空间关系的理论。爱因斯坦解释了布朗运动（物质在液体表面的蠕动），从而证明了原子和分子的存在。他发现了光电效应，而且以此获得了诺贝尔奖。

但更艰巨的任务还在前头。早在爱因斯坦之前两个世纪，艾萨克牛顿做出了一个惊人的突破。他发现落下的苹果和转动的星球是由同一原理指导的，也就是我们现在所熟知的平方反比引力公式。

牛顿能够计算两个分开物体之间的力，但他无法解释这个力是如何跨越距离产生的。在他1905年的突然出版后，爱因斯坦开始研究重力。他还是一个默默无闻的专利事务员，只在闲暇时间研究物理。

接下来十年，爱因斯坦撰写了一个没有实验数据验证，纯粹由公式推导出来的最复杂最美丽科学理论之一。“即使它没有应用的意义，”T Padmanabhan,一个来自浦那的因特大学天文与天体物理中心的教授说，“广义相对论可以说是一直以来最集大成的智慧结晶之一。”

但事实上这个理论有它自己的实际应用价值。我们的全球定位系统（GPS）离开了爱因斯坦的理论将无法运行。没有广义相对论，我们也不能够了解宇宙深处。广义相对论的作用远比爱因斯坦当时认为的大得多。

爱因斯坦的想法是引力是空间与时间的一个特性，也就是他自己所统一的两个存在。一个物体无论在宇宙何处都将扭曲其周围的时空。物质越大，扭曲越严重。这个扭曲将使其他物质向第一个物体靠拢，就像一个摆在圆碗边缘的物体会向碗中心划去一样。因为星球一直在运动，所以他们会持续性的向中间靠拢，在一个近圆轨迹里滑行，就像一个摩托车手在网格球体里一样。

在这个理论里，引力并不是一种力，而是时空的一个特性。爱因斯坦的理论给出了一些仍待证明的预测。在1919年，当天文学家用月食验证了星光的弯曲与爱因斯坦的猜测相符，他立刻成为了一位世界名人

宇宙的扩张

几年来，他的理论在物理学的进程上有着重大影响，其中一个便是宇宙学的促成。“在爱因斯坦之前，宇宙学只在宗教与哲学中被讨论，”位于圣塔巴巴拉卡弗里理论物理研究所的教授及前局长David Gross说，“在爱因斯坦后，它便成为了物理学的讨论范围。”

1929年，埃德温哈勃发现宇宙正在扩张，这被认为是历史上最伟大的科学发现之一。如果更有勇气一些的话，爱因斯坦可能早就已经从他自己的理论中推导出来了。“爱因斯坦临阵退缩了，”Padmanabhan说，“但是广义相对论自身就有着预测宇宙扩张的能力。”二十世纪末，科学家们有了另一个惊人的发现：宇宙的膨胀正在加速。星系在以更快的速度分离，并且有一天将会因为飞离太快而导致所有物质被撕碎。

世界各地都在进行实验，想知道是什么导致了膨胀。欧几里得探测器会从远距星系地扰乱中尝试预测暗能量和同样神秘的暗物质。它也会从成团浮动的星系中寻找暗能量和宇宙学常数地线索。寻找引力波又是另一个考验了。寻找引力波自身可能并不会带来惊喜，但检测到的变化可能会给出宇宙新秩序地线索。

引力，与引力波相关的的粒子，并不应该有质量。那万一他们被发现是有质量的，就像之前的难以察觉的中微子一样呢？这项发现表明中微子其实是有质量的打开了粒子物理学的新纪元，因为先前它被认为是不能有质量的。“定期测量引力波可能会在数据里展现出前后不一从而进行广义相对论的调整。”Bala Lyer,位于班加罗尔的国际理论物理中心的教授说到。

在未来的几十年，完成爱因斯坦所开始而未尽的事情很长一段时间都会是科学界最重要的任务。爱因斯坦自己也期待着他的未尽事业能够像这样发展。“爱因斯坦认为自己的理论是一个垫脚石，”David Gross说，“他不认为这是永恒的。”任何一个发现了能承接爱因斯坦理论的新理论的人都有可能变得跟爱因斯坦一样著名。

BY: Hari Pulakkat

FY: 曦

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