序一
广义相对论一百年 百年前,英国哲学家罗素应梁启超、张东荪等人的邀请,首次把当时萌芽不久的爱因斯坦关于牛顿万有引力的新典范──广义相对论(简称广相)介绍到中国。经过了数代人的努力与承传,百年后的今天,我们这一代的广相研究社群,终于能够广泛地在广相各个相关领域及议题中,诸如弯曲时空的黑洞物理、起始数据问题、数值广相、时空的哲学分析及重力的量子化……等问题上,做出点以致面的历史性贡献。
百年来用英文(及其翻译)书写有关广相的科普书虽不致于汗牛充栋,却也不胜枚举;但以原生的中文广相科普阐述台湾广相研究社群创作的结果,却是科普史上的首次。 本书的结集出版,不单是台湾广相研究社群(或更广义地称作重力研究社群)在继往开来的行动中的里程碑,更是一次向世界自信地展现自我观点的实现。本书除了是介绍广相的一般科普书借,我们也自我期许,将本书视为人类文明史上一本重要的历史文献。
广相乃是对关于我们赖以生存的波澜壮濶的宇宙本身,及其中抽象的时间、空间学问的研究,既真实又基本。书中的文章,除了呈现广相神祕有趣的各个面向外,更试图架构一幅超越百年前由爱因斯坦一手建立的宇宙图象及典范;尤其是在关于能量密度及时间的概念上,更是直指广相内在的矛盾核心,尝试一举解开其内在的逻辑谬误。
书中每位作者都尽最大可能地运用最简单有趣的言词及例子,介绍广相的各种深奥问题及概念;但我们认为当真理简单到不能再简单时,就不应刻意强求简单,以致扭曲了真理的本貌。同时,本书作为一份历史文献,也就无可避免地牵涉到一些超越我们这个时代的概念;读者如一时无法消化,可以默记心中,时间终将会让今日难以完全言喻的真理,在日后呈现真相。为了弥补可能的缺失,未来的一年内,只要国内超过三十人的读书会向中华民国重力学会提出解说申请,我们承诺将派出会员解说书中内容。
感谢大块文化鼎力相助,出版这可能赔本的集子。当然,这集子说不定会成为读者们将来的传家墨宝。
中华民国重力学会理事长
中央研究院物理研究所研究员
余海礼
序二
迎向第二个百年 广义相对论是20世纪对人类文明影响最大的自然科学理论之一,今年是爱因斯坦创立广义相对论的一百週年。
在这个非同寻常的一百年内,广义相对论取得了意想不到的、令人惊喜的长足发展和进步。首先,作为以实验为基础的物理学的一个重要分支,广义相对论从刚刚创建时的三大经典实验验证开始,百年来已经非常漂亮地经受住了每一个实验的检验,大获全胜,当前及不久的将来,精度更高和难度更大的许多实验还将继续进行。其次,从上个世纪60年代用黑洞成功地解释类星体开始,加上爱因斯坦方程在宇宙学中的成功应用,广义相对论已经愈来愈被天文学家所重视。第三,随着GPS的推广应用,狭义和广义相对论已经进入了人们的日常生活。可以预期,人类高精密测量技术的发展,将很快地实现重力波的直接探测。届时,重力波测量将和电磁波测量一起为人们带来宇宙的资讯,特别是早期宇宙和黑暗宇宙部分的资讯。回想这一系列的发展,让我们联想到一个个伟大的名字:爱因斯坦、希尔伯特、爱丁顿、史瓦西、克尔、邦迪、弗里德曼、钱卓塞卡、霍金、潘若斯……。
台湾和中国大陆近年来对广义相对论与相对论天体物理学的研究,也取得了巨大的进展。中国学者沈志强利用VLBI,精确观测到了银河系中心超大质量黑洞的情况;台湾学者马中佩发现了当时所知道的最大质量的两个黑洞,每个质量约为太阳的100亿倍;中国学者吴学兵更是在距离地球128亿光年处,发现120亿个太阳质量的黑洞。这一系列激动人心的发现,既显示了我们在广义相对论与相对论天体物理学研究中的长足发展,也预示着广义相对论与相对论天体物理学,接下来在自然科学发展中的蓬勃势头。
为了纪念广义相对论创建一百週年,中华民国重力学会编写并出版了这本文集。虽然只包含六篇短文,但都具有很高的阅读价值:〈广义相对论百年史〉一文,讲述了爱因斯坦与合作者创建广义相对论的历程,一个个故事让我们重温前辈们发展基础理论的艰辛。〈宇宙学百年回顾〉除了回顾大霹雳学说的缘起,更前瞻地预测了太初重力波所扮演的重要方向与角色。〈黑洞〉一文介绍了广义相对论、天文学、量子力学、量子重力、资讯理论、凝态物理等物理学中的基本问题,如何与黑洞关联到一起。重力波是广义相对论除黑洞外的另一个重要理论预言,〈重力波与数值相对论〉一文清晰地描述了如何结合数值相对论和重力波探测仪器,以直接测量重力波的原理和方法。什么是时间,什么是空间?〈时间、广义相对论及量子重力〉和〈物理中的时空概念〉两篇短文,为我们提出了精彩的思辨性讨论。
广义相对论的第一个一百週年即将逝去,我们将迎来广义相对论的第二个一百週年。崇尚科学、追寻真理的读者们,定能在本文集的鼓舞和影响下,回顾前辈们发展科学理论的艰辛历程,循着他们的脚步不断前进,继往开来,进一步挖掘时间和空间的深刻含义,揭开黑洞特别是奇异点的奇妙面纱,探索宇宙演化的深层奥祕。我相信,在这个即将到来的新的一百週年里,海崃两岸的青年读者们,定能与世界同行一起为发展广义相对论与相对论天体物理学辛勤研究,携手合作,共创佳绩。
成功大学物理系副教授
游辉樟
序三
历史回顾与展望 20世纪影响人类文明最大的自然科学理论之一就是广义相对论的发现。今年是爱因斯坦创立广义相对论一百週年。为了纪念这一重大的自然科学进展,台湾重力研究团体编写了本文集。
本文集包括对广义相对论的历史回顾,对黑洞和现代宇宙学的综述,对重力波和数值相对论的介绍,以及对物理学中时空概念与量子重力的探讨。
中央大学物理系的聂斯特(James Nester)教授和陈江梅教授,对广义相对论百年历史做了非常精彩的回顾。该文讲述了爱因斯坦同其合作者建立广义相对论的历程,介绍了爱因斯坦和希尔伯特独立发现爱因斯坦方程的故事;他们也曾为争论谁先发现爱因斯坦方程而不愉快过,最终他们的友谊战胜了争执,两人在爱因斯坦方程建立过程中不可磨灭的贡献,也获得人们的公认。本文还讲述了观测重力场弯曲光线的故事,宇宙学常数在广义相对论理论发展历程中的戏剧化过程,以及重力波存在性问题的曲折讨论历程。重力能量在广义相对论中是一个非常微妙的问题,文中描述了爱因斯坦探讨这个问题的故事。统一场论是爱因斯坦在建立广义相对论后投入极大精力研究的课题,作者亦讲述了爱因斯坦关于统一场论研究的一系列故事。
黑洞是广义相对论理论最重要的概念性预言之一。黑洞理论的研究发展到今天,广义相对论、量子力学、量子重力、资讯理论、凝态物理等物理学中的基本问题,均与黑洞有所关联。在天文观测中,超大质量黑洞和恆星级质量黑洞的存在已得到确认。而且黑洞被认为是宇宙中诸如类星体等天体的能量来源,黑洞是高能吸积、喷流等的核心动力。此外,黑洞的成长还被认为与同星系的演化、以及宇宙的大尺度结构形成间有着密切的关系。中研院天文及天文物理研究所的卜宏毅研究员、彰化师范大学物理系的林世昀教授和淡江大学物理系的曹庆堂教授,对黑洞的这一系列问题做了极好的综述。该文从黑洞概念在广义相对论中的出现开始讲起,一步一步深入到黑洞的事件视界、黑洞的奇异点等艰深的理论问题。接下来并对天文观测的黑洞做了介绍,描述黑洞同吸积盘和喷流的关系,最后更对黑洞热力学以及黑洞资讯等问题做了深入介绍。
宇宙论是广义相对论一个成功应用的典范。广义相对论在宇宙论中的应用,把一个曾经只能用神学探讨的话题,变成一个自然科学的课题。结合人类高新技术的发展,宇宙学发展到今天已变成高精密宇宙学。到目前为止,宇宙学已获得1978年的宇宙微波背景、2006年的宇宙微波背景各向异性、2011年的宇宙加速膨胀三项诺贝尔物理学奖。台湾师范大学的李沃龙教授和东吴大学物理系的巫俊贤教授所着的宇宙学短文,从哥白尼原理谈起,通过对时空概念的引入,介绍现代宇宙学的发展。文中对宇宙学常数问题、加速膨胀问题、宇宙大尺度结构形成问题等,做了生动的讲解;还对宇宙起源的大霹雳问题做了深入介绍,该问题不仅是个宇宙学问题,还把量子理论和重力理论连到了一起。同时,早期宇宙产生的重力波,很可能在不久的将来被观测到,届时,这些测量结果将改变当前量子重力理论纯理论研究的状态。我们也可以预期,到时很可能会有很多新的物理展现出来。
重力波是广义相对论除黑洞外另一重要的理论预言。如聂斯特教授和陈江梅教授所描述,重力波存在性在理论上的探讨,于历史上有过非常曲折的经历。最终邦迪等人的论述确定了其原则上的存在性。后来泰勒等人通过双脉冲星观测,提出重力波存在的间接证据;泰勒等也因此而获得诺贝尔物理学奖。可惜的是,至今还没有重力波信号的直接观测结果。在这广义相对论建立一百週年之际,世界上重力波探测最灵敏的探测器Advanced LIGO已基本建立完毕。其测量精度可达到10的负23次方,逼近量子力学的标准极限,实现了人类空前的高精度长度测量。预期在接下来的几年时间内,重力波信号将被直接观测到。国家实验研究院高速网路与计算中心的林俊钰研究员和成功大学物理系的游辉樟教授,对重力波做了极好的、饶有趣味的通俗性介绍。为了提高重力波探测的能力,增强硬体的测量灵敏度是一个方面;在既定硬体的基础上,建立好的重力波波源模型,是提高重力波探测能力的另一方面。现实的重力波源涉及超强重力场、强动态时空区域,而且几乎无对称性存在。这些特点使得数值计算的方式,成为重力波波源建模的几乎唯一可行办法。但即使是数值计算,爱因斯坦方程依然是极难处理的问题。数值相对论这个研究方向也应运而生。如何让数值计算稳定、让计算具有高精度、让计算具有高效率以满足实际波源建模的需要,是数值相对论研究的核心问题。林俊钰研究员和游辉樟教授对这些问题做了深入浅出的描述。
狭义相对论是协调电动力学方程与伽利略变换的矛盾而产生的理论;广义相对论是协调牛顿万有引力理论和狭义相对论劳仑兹变换间的矛盾而产生的理论。但广义相对论特有的时空观同量子力学之间的矛盾,至今仍是一个谜。中研院物理所的余海礼研究员和成功大学物理系的许祖斌教授,为我们讲述了时间、广义相对论及量子重力的故事,带着我们回顾了爱因斯坦建立广义相对论过程中,关于时间的思辨。该文也为我们描述了鲜为人知的、爱因斯坦的诺贝尔奖同中国上海的不解之缘。广义相对论的时空观同量子力学的矛盾是突出的,该文为我们介绍了一种新的思考方式,也许量子重力比时间的概念更基本,时间只是量子重力自然而然的结果?!余海礼研究员和许祖斌教授在该问题上提出了非常精彩的思辨性讨论。
广义相对论的时空概念优美而引人入胜。但同时,像余海礼研究员和许祖斌教授讲述的那样,这个时空概念的玄妙又让人捉摸不透。什么是时间,什么是空间?中央大学物理系的江袓永教授为我们探讨了物理学中的时空概念,对牛顿的时空观做了深入介绍,并探讨了质点动力学描述同牛顿时空观的关系。江教授接下来描述了广义相对论的时空观,并探讨了该时空观同场论动力学的内禀关系。通过对比场论动力学与质点动力学,他比较了牛顿时空观和广义相对论时空观的直观性。两者的直观性有所不同,但作为确定性的存在,两者的直观性是人们容易理解和接受的。相反地,量子物理世界的不确定性,把问题完全推向了不可理解。量子重力理论的时空观,势必同量子物理的不确定性相关联。江袓永教授为我们讲述了这种不确定性时空观的理论思辨。
本文集正好赶在爱因斯坦创立广义相对论一百週年之际。崇尚科学、追寻真理的读者们,定能在本文集的带领下,回顾前辈们发展科学理论的艰辛历程,循着他们的脚步继续往前,追寻时间、空间的奥祕,探索黑洞神奇的时空结构;循着重力波携带的资讯,探索宇宙演化的奥祕。
中华民国重力学会