物质是什么07 广义相对论对物质世界的深刻认识

物质是什么（7 ）广义相对论对物质世界的深刻认识

在对宇宙中宏观物质世界的描述中，有了狭义相对论后人类对于世界的认识大大地进了一步。然而，伟大的天才爱因斯坦还在思考。通过进一步对作加速度运动的时间和空间参考坐标系之间的物体运动规律的变换关系的分析，爱因斯坦又得出广义相对论。广义相对论说明了引力场的物理性质。在经典物理中我们知道有一个著名的万有引力定理，就是所有的物体之间都存在一个相互吸引的力，这个力的大小与相互吸引的物体的质量（也称为引力质量）的乘积成正比，而与两物体的距离平方成反比。就是这个引力，使得我们的地球和太阳系的所有行星能够围绕太阳有规律地转动。这个万有引力是维持宇宙运动秩序最重要的物理因素。所以广义相对论能帮助我们深入认识宇宙的形成，宇宙中物质（当然包括光）的运动规律等根本性的物理问题。

根据广义相对论原理一个引力场可以等效为一个惯性加速度运动（宇宙中最常见的惯性加速度运动是转动和圆周运动，包括近似的曲线运动）。这一点在我们的日常经验中也是可以体会到的，如当我们乘坐的汽车、飞机或过山车在从高处下跌时，会感觉到短时间的失去重量，就是下跌的加速度运动抵消了我们所习惯了的地球引力。

从广义相对论原理可以推出在一个大质量物体的周围，由于引力场的作用光线也会发生弯曲，这个推论已经通过天文观测得到证实。再进一步地认识下去，根据相对论原理引力场可以引起时空的弯曲，这个弯曲的数值在我们所处的地球引力场，甚至太阳的引力场中都太小，而难以测量出来。在这些场合下，没有考虑引力场引起的时空弯曲的经典的牛顿力学理论就可以十分精确地描述物体（包括太阳系的天体）的运动规律。

但是，在宇宙空间中的一些有大的高密度质量存在的空间中就可以观察到时空弯曲，如天体的质量塌缩，黑洞，超新星的爆炸等天文现象的解释中，相对论原理就是我们认识世界的十分有力的物理理论了。广义相对论对于研究宇宙的结构和演化具有重要意义。如中子星的形成和结构、黑洞物理和黑洞探测、引力辐射理论和引力波探测、大爆炸宇宙学、量子引力以及大尺度时空的拓扑结构等问题的研究都离不开广义相对论。

相对论关于时空的描述改变了人们传统的时空观念，在传统物理中物质存在的空间被认为是独立存在的三维的平直空间，而所有的物质，包括人类自己都是在统一的绝对时间里运行。这个结论与我们的经验中的直观感觉是一致的，所以长期以来为人们普遍地接受。但是，相对论告诉我们周围的空间和时间都是相对的，与观察者的运动状态以及引力场的存在有关系。不仅仅会发生度量上的变化，而且会产生弯曲。更加离奇的是看不见，摸不着的时间不仅会因为引力场的存在而改变长短，而且会与三维空间一起产生弯曲。这些变化之所以平常感觉不到，是因为它们在我们周围的环境中太微小。在现代物理学中通过相对论的理论不仅仅可以通过数学计算得到定量的变化结果，在一些特定的实验条件下通过仔细地测量也可以十分准确地验证这些变化。

根据相对论的理论，科学家得出我们所在的宇宙可能来自于一次猛烈的大爆炸，其产生的巨大能量产生了宇宙中的物质，也包括构成我们身体的物质（各种元素的原子）。甚至我们所存在的空间和时间都是这次大爆炸的结果。也就是说人类想象的上帝创造的世界来自于这个150亿年以前的一次大爆炸！而且至今这次大爆炸的结果还可以从宇宙空间中所有星系正在高速地互相飞离得到证实，甚至宇宙空间的辐射背景温度都与相对论计算出的2.725k一致。

相对论对宇宙宏观时空的描述不仅仅使得人类对这个世界的认识大大地深入了一步。而且在技术科学上也得到了实际的运用。比如与我们的现代生活密切相关的卫星定位系统，无论是美国人的GPS，还是我们中国人建立的北斗系统中都需要运用相对论的计算公式才能够保证定位的精度。这个应用也从另外一个方面证明了相对论的正确性。

在相对论描述的物质世界中，光速是一把固定的“尺子”。在相对论世界中，光速这把尺子的数值在真空中是不会改变的（在不同的光学介质中的光速是不同的）。但是，在宇宙中光速真的是固定不变的吗？这个问题也是现代物理学中一直在讨论的问题。在量子物理的世界中就没有绝对的真空。所以，在实验空间中的光速也可能不存在绝对恒定的。只是在一定的精度范围内可以接受这个尺子。

的确经过许多精密的实验测量，在很高测量精度内光速的确是非常稳定的。其中最著名的实验1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的用迈克尔逊干涉仪测量光速差值实验。试验结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在。这些实验的测量精度的确很高，但是误差范围还达不到量子物理的普朗克长度范围（1.6x10-35m，经典的引力和时空开始失效，量子效应起支配作用的范围。），所以光速恒定在量子范围以外的世界基本可以完全认可。也就是说，相对论对量子范围以外的世界的描述是比较完美的，但是对量子范围内的世界就不一定适用了。另外，在广义相对论的世界里，光线在宇宙空间中也并不是完全的直线，在大质量的物体附近会有弯曲。按照经典物理的速度等于距离除以时间的概念，在广义相对论空间中距离和时间都会随参考系变化，恒定的光速本身就是一个人为的定义的尺子。虽然用这把光速尺子已经很好地描述了我们所观测到的世界，但是相对论的世界描述至今还是被许多人质疑，讨论。

在一般的物理实验中我们要观测一个物体的位置，我们得用光线照射被测量物体，然后根据反射光线来观测它。如果需要测量的精度与光波长相当，则精度越高，我们需要使用波长更短的光子。波长越短则这个光子的能量会更高。通过分析计算可发现当测量物体位置的精准度达到普朗克长度以下，便会发生这能量高到一个它们撞到物体时可以产生黑洞。这个黑洞可以“吞噬掉”光子而让实验失败。也就是说用光子来测量时，普郎克长度就是一个不可逾越的极限。也就是我们所能够观察到的最小极限值。

随着科学研究的深入人们发现我们所有的理论都有一定的局限性，相对论用于对于物质在微小空间的（在强力、弱力起作用的距离内）的描述时与实际情况不符。这些似乎说明相对论在对物质的描述上还具有一定的局限性。同样，在微观世界里应用非常完美的量子力学，在引力场的描述上也遇到了问题。而在对一些宇宙的大爆炸起源等情况的描述中相对论和量子力学会得出相互矛盾的结果。物理学家希望寻找一种可以适用于各种情况下对物质的特性都能够正确描述的理论。这个理论甚至有时被称为终极理论。那么，科学家是否可以建立起这个终极理论？从哲学的观念来看，即使科学家建立起这样一个可以描述微观和宏观世界的统一理论，它也不可能是一个宇宙的终极理论。只不过随着人们对于世界的认识的不断深入中，总会有新的理论来在一个更加广泛的范围内比较正确地描述这个世界。