霍金的宇宙:现代物理和天文学的故事
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一切都是相对的

勒梅特致力于研究爱因斯坦的理论,当时爱因斯坦已经以最富想象力的科学家而闻名于世。为了生计和支撑撰写关于物理学定律论文等学术研究工作,爱因斯坦曾经效力于在瑞士伯尔尼的专利局。他的第一个重要的成就在1905年公之于世,这就是狭义相对论;另一个重要的成就是1915年发表的广义相对论。两个相对论所处理的都是观测者与观测者所看到的事件之间的关系的问题。狭义相对论详细说明了当观察者和事件是以一种恒定不变的速度相联系时会发生什么;而广义相对论还考虑到了引力,也论述了当运动物体在加速或减速时将要发生的事件。这两个相对论都是很难读懂的理论,然而它们却使得爱因斯坦在科学界声名大振。爱因斯坦当时倒是没有刻意去创立一种关于宇宙的理论,但他的理论却无可避免地引起了宇宙学家们的兴趣,因为爱因斯坦理论导致了那些自牛顿时代以来从未遭受过挑战的基本物理学定律的重写。

爱因斯坦指出,不管在何处观察,观察到的发生某一事件的物理规律应该是相同的。这个观点实际上是基于这样一种看法,即不同的观察者观察同一个事件,可能会得到不同的结果,这要取决于他们观察时所在的相对位置。这种观点是受到日常生活中的一些经验支持的。其中一个大多数人可能都经历过。当两列火车停在同一个火车站上时,如果有一个人坐在一列火车上透过窗户来观察另一列火车,当他观察到火车慢慢开动起来时,他很难一下子判断究竟是哪一列火车开始开动了。他能确切地知道的,只是两列火车中间肯定有一列开动了。这就是相对论的观点。

现在来假设这样一种情况,一个人坐在火车上,另一个人站在车站的月台上看着火车飞驰而过。在火车上的人面前的桌子上有一个茶杯,茶杯与人之间的距离约有60厘米,在这个人看来,茶杯是静止不动的;但是,在月台上的人透过车窗观察到的,却是茶杯与火车在一起狂奔。

爱因斯坦的非凡洞察力表现在,他认为物理学定律必须改写成使得运动定律具有内洽性,比如在以上不同观测者看到茶杯的不同情形的例子中必须对加速度和动量这类相关概念做出说明。而这意味着要理解时间和空间的本质以及它们对发生在其中的事件的影响。归根结底,不同观测者对茶杯观测的不同结果,是由于他们相对于茶杯的不同时间、空间关系。其中一个在时间和空间随同茶杯一起运动,所以他与茶杯的相对距离和位置总保持60厘米不变;而另一个观测者相对于运动的茶杯来说是静止在时间和空间中的,所以茶杯是在运动之中并飞快在视野中消失。

阿尔伯特·爱因斯坦(1879 —1955)本来无意于亲自去揭开宇宙之谜。但是就如在物理学其他的领域中一样,爱因斯坦的革命性理论已经赋予了宇宙学最具根本性的变革。