广义相对论到底有什么用

只管耕耘

冯八飞
上回说到广义相对论是人类有史以来最伟大的科学发现。那么，这个最伟大的理论到底有什么用呢？啥用都没有。它既不能让我们变得年轻漂亮，也不能让我们大吃大喝同时减肥，更不能帮助我们找到又轻松挣得又多的工作。
世界上真正伟大的东西，通常都没有实际的用处。没听说过无用之用?
一
广义相对论最大的用处，不过就是告诉我们，宇宙到底是啥样。够不够有用！
看官须知，直到1917年，整个人类最聪明的大脑，包括伟大的牛顿，都认为我们的银河系就是整个宇宙，而且这个宇宙永远固定不变。
从有人类这种东西开始，我们最大的问题就是：为什么有我们？为什么有这个世界？为什么月球不离开地球，地球也不离开太阳？基督教说，上帝规定月球与地球必须呆在一起。牛顿说，是因为万有引力。爱因斯坦说，那是因为空间弯曲。
牛顿说引力是联系宇宙万物的纽带，引力将太阳和地球吊在空间中，并且自转加公转。爱因斯坦说，其实宇宙根本没什么万有引力，那是我们肉眼看不见的空间弯曲造成的假象。
牛顿认为宇宙空间是平直的。爱因斯坦认为宇宙就像一张绷在方框上的床单，质量巨大的星系就像放在床单上的铅球。铅球在床单上压出的坑，竖起来看就相当于哈哈镜，而光线通过这些哈哈镜时会使我们产生宇宙广阔无边的幻觉。
爱因斯坦预言，如果我们站的位置合适，可以看见一个遥远星体的数个幻像。这就是天文学上著名的“引力透镜”，后来被天文学证实，我们才知道空间居然真的弯曲！我们这时才发现，牛顿不过看见了自己的鼻尖，而爱因斯坦看见了万里之外的大海。如此开阔而精彩的大海！
空间可以弯曲，我们很难理解，因为我们生活在慢速地球上，感受不到空间是弯曲的。牛顿的万有引力之所以容易理解，就是因为它建立在人类日常生活经验之上。牛顿不仅认为太阳系是平的，他认为宇宙也是平的，所以他带领我们发现了三维世界，即万物都有长、宽、高。牛顿提出的万有引力是物理学的伟大革命，问题是一直到这场革命结束他都无法说明引力来自何处。
史上最大的科学暴动发起人牛顿用万有引力否定了上帝，但这个伟大的暴动者最后却不得不回到上帝温暖的身边：牛顿宣布引力源于上帝。西方文明老祖儿亚里斯多德认为世界转动来自“第一推动者”，基督教神学狂批亚里斯多德几百年后出了个意大利神父阿奎那，他宣布亚里斯多德的“第一推动者”就是上帝（其实亚里斯多德本人从未说过这句话），欧洲历史上最为黑暗的政教合一中世纪随这句话降落人世。顺便说一句，这个阿奎那是中世纪天主教最伟大的神学家之一，著作据说达1500万字。
爱因斯坦根本否认宇宙空间是平的，他认为宇宙就像一张放了无数棉花球和铅球的床单，床单被这些球压出深浅不一的坑。牛顿之所以认为宇宙是平的，是因为他只看到了几乎压不出坑的棉花球——地球。想在宇宙空间中压出明显的坑来，需要巨大的质量（即重量）。太阳这么大的星球也只能压出几个原子大小的坑（即坑深只相当于几个原子的直径），这样的坑，我们用现在最先进的仪器也测不出来。所以，要找到地球人看得见的坑，必须放眼整个宇宙。
二
相对论的第二个用处是发现黑洞。广义相对论问世后，德国物理学家史瓦西证明，如果把太阳压缩成半径3公里的球体，引力的强烈挤压会使太阳密度无限增大，随后产生灾难性崩塌，使太阳的时空变得无限弯曲，在这样的时空中，连光都不能逃出来！由于无法反射光，崩塌后的太阳与宇宙就分割成两个截然不同的区域，而那个分割的球面就是“黑洞视界”，即我们眼睛能看到的尽头，超过这个尽头，我们就看不见了。也就是说，如果太阳变成黑洞，我们站在地球上就看不到太阳，却能看见太阳前后的其它星球。这就是黑洞！
以他命名的“史瓦西度规”说，当我们接近黑洞达到一定半径之后，时空弯曲会变得无穷大，这时我们不再像是下缓坡，而是突然从悬崖边上掉下去了——你走得太远了，已经无法找到回家的路。此即“史瓦西半径”，即黑洞的半径。任何东西包括光线进入史瓦西半径后将无法逃走，最后一定会被黑洞撕碎吞掉。黑洞质量巨大，最大黑洞的质量据说超过太阳10亿倍。看官须知，太阳相当于130万个地球！130万乘10亿，相当于多少，大家可以拿手机自己算下。如果黑洞是地球，地球大概相当于一粒芝麻。然后，这粒芝麻上还有很多细菌那么大根本看不见的小人儿，因为没当上处长或者没发财而郁郁一生！
有意思的是，当时所有科学家，包括爱因斯坦本人和证实相对论的爱丁顿，全体断然否认存在黑洞。爱因斯坦还宣布他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大。黑洞这个名称也是50年之后才由美国物理学家惠勒命名的。
严格说来，黑洞并非星球，它只是宇宙中的一块儿地方，这地方跟宇宙互不通连，黑洞视界将它们彻底分隔。黑洞视界以外，光可以任意相互联系，就是说我们可以看见所有的东西，这就是我们的宇宙。黑洞视界以内，光线不能自由传播，而是向中心集聚，这就是黑洞。
在黑洞内部，物体向黑洞坠落的过程中，潮汐力越来越大，在中心区域，其引力和起潮力都是无限大。因此，在黑洞中心，除了质量、电荷和角动量以外，原子、分子等等都将分崩离析，根本不存在我们人类已知的任何“物体”。在黑洞中心，全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点，任何强大的力量都不可能把它们分开。
这就是“奇点”！
广义相对论无法说明“奇点”，量子论才能说明，于是令人啼笑皆非的情况出现了：广义相对论发现了黑洞，却在“奇点”失效，被迫让位给量子论，可广义相对论的发现者爱因斯坦与量子论的发现者玻尔，却水火不相容！
三
广义相对论的第三个用处是宇宙常数。
在爱因斯坦天文学中，宇宙不是膨胀就是收缩。那宇宙如何在膨胀与收缩之间保持平衡呢？创立广义相对论的第二年，爱因斯坦发表论文《广义相对论的宇宙学应用》，否定传统物理定论“宇宙无限”。他把宇宙看作一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区，推论宇宙在空间上“有限无边”。这是天文学史上最大胆的推测。从此，人类对宇宙的研究摆脱了闭着眼睛瞎猜，真正睁开眼进入了现代科学领域。爱因斯坦认为宇宙在膨胀与收缩之间保持平衡的原因是“宇宙常数”——一个与引力相反，但强度完全一样的斥力，它随着天体之间距离的增大而增强，完全抵消引力，从而让宇宙保持稳定，避免宇宙崩溃。
这是什么意思？意思就是：爱因斯坦认为宇宙是静态的。
可1922年俄裔美籍物理学家弗里德曼通过数学计算发现宇宙随着时间在不断膨胀。1927年，比利时天文学家、顶级桥牌大师乔治斯·勒梅特得出同样的计算结果。爱因斯坦拒绝接受动态宇宙。他坚信宇宙是静态的，除了时间变化，其它一切都不变。因此他尖锐地批评弗里德曼和勒梅特。这时，哈勃闪亮登场。1929年，现代天文学之父哈勃观察宇宙深处星云的红移现象后证实，所有星系都在高速离银河系而去，而且，无论我们站在宇宙中哪个星系中，看到的情形也都一样：别的星系也在高速逃离我们所站的这个星系。距离越远的星系，逃离的速度越大。这又是什么意思？意思就是，整个宇宙在不断膨胀，即：宇宙是动态的。
哈勃得意洋洋地把观测结果拿给爱因斯坦看，爱因斯坦当场哑口无言，不得不宣布放弃宇宙常数并公开收回对弗里德曼的批评。
按照哈勃定律，如果将宇宙的膨胀反推，就意味着在非常非常遥远的过去，最早的宇宙是半径为零的一个点。1948年美国物理学家伽莫夫根据哈勃定律提出宇宙大爆炸理论，认为原始宇宙诞生于一次壮观的大爆炸，立刻变成意见领袖。50年后天文学家发现宇宙不只在膨胀，而且这种膨胀还是加速度的，即所有星系逃离银河系的速度都越来越快。意思就是，一定有某种神秘的力量在暗中以加速膨胀的方式撕扯着宇宙的所有星系。这种力量科学家称之为“暗能量”。近年来，科学家通过观测和计算证实暗能量不仅存在，而且还是宇宙的主流，约占宇宙总量的73%，此外“暗物质”约占23%，而我们人眼能看见的宇宙物质如地球月亮星星等，仅占4%！
咱们从小就知道，天上星，数不清。爱因斯坦告诉我们，数不清的满天星只是宇宙中的“一小撮”，宇宙的绝大部分我们知之甚少，或者干脆毫无所知。
够不够惊心动魄？够不够有用！
人类认识的道路永远如此：我们对最重要的东西总是视而不见。我们知道得越多，就越发现自己实际上非常无知。记得苏格拉底那句话吧：我最大的知识即“我知我无知”。
暗能量给宇宙常数平了反，证明它起码从思路上是正确的。宇宙常数以暗能量的面目满血复活，它产生的汹涌澎湃的斥力令整个宇宙为之色变。暗能量和引力之间的战争自宇宙诞生起就从未停止。
科学实验证明现在暗能量的密度已大于物质的密度，即引力已经战败，宇宙正在以前所未有的速度加速膨胀。科学家预测，再过200亿年宇宙将迎来动荡的末日，恐怖的暗能量终将把所有行星、恒星、星系一一撕碎，宇宙将只剩下没有尽头的寒冷和黑暗。记不记得《菜根谭》下篇第12节那句话：“山河大地已属微尘，而况尘中之尘；血肉身躯且归泡影，而况影外之影。非上上智，无了了心。”
Take　it　easy。当没当上处长或中国首富，拿没拿诺贝尔奖，真没那么重要。爱因斯坦虽然拿了诺贝尔奖，但却深得其中三昧。话说有天他在朋友家吃饭，忽然来了灵感，拿起笔找不到纸，居然直接把公式统统写到主人家雪白的新桌布上。这则脍炙人口的爱因斯坦幽默故事实际源于一个误会：我们没明白，当爱因斯坦在桌布上写公式时，他脑海中浮现的是宇宙的终极毁灭。跟黑洞、暗能量、200亿年后的宇宙末日相比，一块新桌布和主人痛心疾首的白眼，算得了什么？
四
广义相对论还有一个用处是发现了引力波。爱因斯坦的这篇文章1916年发表于《普鲁士科学院学报》。引力波理论进一步完善了广义相对论。
广义相对论说，质量巨大的星系在宇宙中压出深坑的同时还会形成“引力波”。任何被外力弯曲的物体在连续时间里都会形成“波”，比如风吹西湖会产生水波。这种星系弯曲过程中在宇宙中形成的“波”，就是引力波。引力波处处存在。
声波和

只管耕耘

声波和光波无法穿越墙壁，更不用说地球了，而任何物体对引力波而言都是透明的。引力波形成后就携带能量和波源物体的密码在宇宙中游荡，永不消逝。
声波和光波为人类打开了地球的奥秘之门，而引力波为人类打开了一扇了解宇宙的全新窗口。凡是有质量的物体进入加速运动都会发射引力波：一个李娜发出的网球，一个散步的冯八飞，月亮围绕地球运动……不过，对人类来说，引力波实在太弱了，太阳这么大的星球发出的引力波，我们用现有仪器也无法测量。要测引力波，只能把目光投向宇宙中那些质量巨大的恒星。天狼双星产生的引力波功率可达1.1×1015瓦，其能量足以推动太阳那么大的恒星。不过，它们的引力波穿越辽阔的宇宙到达地球时仅剩下1.3×10—24瓦，微弱得只能震动一个原子，根本测不出来。
我们只好想别的办法。
1974年美国射电天文学家胡尔斯及泰勒在宇宙深处发现了射电脉冲星PSR1913＋16，它以每秒自转200圈，同时以不到8小时一圈的公转绕其伴星旋转，在这场高速的“二人转”舞蹈中，其能量在它们自己激起的时空巨浪中逐渐损耗，结果两者越来越近，转速越来越快，预计在距离剩下500公里时它们就会以亚光速扑向对方，直到碰撞融合，成为黑洞。这个碰撞的惨烈程度是我们用人类语言无法描写的，它相当于宇宙中发生一场巨型时空海啸。我们津津乐道的什么“火星撞地球”在它面前连个土鞭炮都不如。根据计算，这场宇宙大冲撞将于3亿年后发生。可它们离地球如此遥远，如果冲撞今天发生，以我们今天的科技，我们甚至听不到它们合二为一时发出的欢叫。
胡尔斯与泰勒的观测证实引力波存在。
如果我们对引力波的了解达到声波和音波的水平，我们就可以看见地球内部到底有什么、黑洞到底是什么、甚至有可能看见137亿年前宇宙是不是真的发生过大爆炸。
我们寻找外星生命都是通过电磁波和声波，其实它们连墙壁都无法穿透，在宇宙中到底能走多远很值得怀疑。也许外星人早就用引力波跟我们联系过了，只是我们的耳力如此不好，从来没听到过而已。
我们仰望夜空，总觉得宇宙无限美丽寂静，其实那是因为宇宙没有空气，声波无法传送，所以宇宙无声。如果我们有引力波喇叭，宇宙将变得万声鼎沸，引力波能让我们听到宇宙所有的故事：耀眼的超新星爆炸的声音像爆米花一样；中子星碰撞和黑洞产生像一场《欢乐颂》大合唱；你甚至能听见宇宙炸开、但光子还没跑出来之前那阵空前绝后的巨响。光波让我们看见远处的东西，而引力波则能让我们听见过去和现在。
用引力波发射信号，我们将不需要电视塔和通讯卫星，手机将没有盲区而且永不掉线。引力波带给我们的，是真正无与伦比的时空穿越。按照这个理论，创造宇宙的不是上帝，而是引力波。宇宙大爆炸后产生了一锅能量与物质完全均匀分布的高温“夸克汤”，根本没有太阳、地球、冯教授这些东西，正是与大爆炸同时产生的引力波搅动夸克汤，让物质开始碰撞、旋转、冷却、凝聚，依次聚成原子、尘埃、恒星和星系，这才有的地球。然后又过了多少多少万年，才有的我们。然后再过多少多少万年，我们又毁灭了！我们有必要在毁灭之前因为没当上处长而得抑郁症吗？
从光速不变的萌芽，到弯曲空间的宇宙，最终到达波动时空这一宇宙本真，爱因斯坦思想的光辉历程不但为人类构建了眩目耀眼的相对论，也为人类发掘出引力波的宏伟宝藏。我们现在还无法描绘引力波的所有神奇用途，但它带给我们的想象与期待实在无以伦比的迷人和壮观。为人类展现引力波神话的爱因斯坦，无疑是最伟大的为人类盗取天火的现实版普罗米修斯。引力场预言彻底改变了时空几何学的游戏规则，它证实时间和空间是不可分割的四维整体，远远把牛顿力学抛在身后。
五
是的，我们的宇宙科学至今仍然不能超越爱因斯坦。也许永远都无法超越。因为，宇宙很可能就是他说的这个样子。
广义相对论的惊世亮剑甚至赢得科学的“死敌”基督教。爱因斯坦之前，基督教基本上是反科学的，可尽管罗马教廷烧死布鲁诺、查禁哥白尼、监禁伽利略，但科学仍然不可阻挡地深入人心，牛顿力学更是一记打在胃部的重拳，疼得基督教直不起腰来，基督教从此只是“部分欧洲人的信仰”，神学家已经不敢下场跟科学家论战。
基督教虽然号称拯救全人类，但处理具体事务时跟普通政党并无二致，也得遵循政治游戏规则，比如“敌人的敌人就是我们的朋友”。牛顿学说被相对论打倒，广义相对论宣布宇宙可能有限，基督教心情大舒服：宇宙有限，那宇宙之外不就是天堂么？所以，在爱因斯坦访问英国的宴会上，坐在他旁边的坎特伯雷大主教就恭恭敬敬地向爱因斯坦请教：“教授，听说您的理论似乎提供了基督教的某种证据？”正遭德国科学界万众围攻、急需同盟军的爱因斯坦却微笑着拒绝了基督教热情洋溢的大手：“对不起，相对论纯粹是科学问题，与基督教毫不相干。”爱因斯坦拒绝与敌人的敌人联手。他知道，那样他会得到一个强大的盟友，却会就此输掉自己。丘吉尔说，为打败希特勒他可以跟魔鬼结盟。因此，丘吉尔虽然也很伟大，但跟爱因斯坦确实没法儿比。真不是一个数量级。
1917年10月1日，在即将战败的德国，威廉大帝物理学院终于建成，爱因斯坦如约出任首任院长。这是他第二次当院长，薪水还挺高。一年后，1918年11月9日，隆冬降临，德意志帝国投降，魏玛共和国成立，第一次世界大屠杀结束。德意志民族举国悲痛战败，而爱因斯坦等一小撮科学家高举双手欢迎。德国战败，证明爱因斯坦当初签署《致欧洲人宣言》是正确的。
爱因斯坦会因此获得德国科学界的万众欢呼吗？
（作者系对外经贸大学教授，柏林洪堡大学博士生导师）