爱因斯坦的宇宙观

第24卷第5期2009年5月

乐山师范学院学报

JournalofLeshanTeachersCollege

Vol．24,No．5May．2009

爱因斯坦的宇宙观

王印磊

（山东科技大学基础部，山东泰安271000）

摘要：介绍了爱因斯坦在某些重要的物理观念的突破中所作出的伟大贡献，这些重要观念涉及时空理论、万有引力宇宙场方程和统一理论。理论、

关键词：光速；弯曲时空；万有引力本质；爱因斯坦宇宙场方程；宇宙统一理论中图分类号：O41

文献标识码：A

文章编号：1009-8666（2009）05-0036-04

0引言

四方上下曰宇，古往今来曰宙。当人们迈进新世纪的门槛，回眸我们走过的这20世纪的时候，

一个个伟大的名字再一次浮现，在所有这些人中我们不能忘记这样一双眼睛，这样一种目光。他就是20世纪伟大的物理学家爱因斯坦。

在爱因斯坦以前的物理学可以说是牛顿理论一统天下，牛顿在1687年发表的《自然哲学的数学原理》中写道：“真正的数学的时间在流逝着，而且其本性也在均匀地与任何外界事物无关地流逝着。绝对的空间就其本性而言是与外界无关静止

[1]

的和永远相同的。”

及其发展的历史批判概论》中对牛顿的时空观也

“我们不要忘记世界上的一进行了批判。他指出：

切事物都是相互联系依赖的，并且我们本身和我们的所有思想也是自然的一部分。”同样时间也不能绝对存在，因为“它既无实用价值也无科学价

值，没有一个人提出证据说他知道关于绝对时间的任何东西，绝对时间是一种无用的形而上学的概念”。

马赫关于时空的看法对爱因斯坦创立相对论起了积极的作用。爱因斯坦在自述中写道是恩斯特·马赫在他的文章中冲击了教条式的观念，并且深刻地影响了爱因斯坦。

狭义相对论和继而发表的广义相对论创立了新的时空观，为人类描绘了一个更加奇妙而绚丽的宇宙，爱因斯坦开创了物理学的新纪元。

牛顿万有引力定律在历史上遇到的麻烦是它

不能解释水星轨道近日点的剩余进动。另外，迈克尔逊-莫雷实验并没有观察到所期望的干涉条纹的移动，实验得到零结果。这出乎意料的零结果被开尔文爵士LgKelvin在英国皇家学会上说成是经

[2]

典物理学上空的“一朵乌云”，它强烈冲击了牛顿

1对于光的思考

关于时间、空间和物质的关系，牛顿在他的著作中写道：“空间和时间都是绝对的，彼此独立的，

它们可以脱离物质而单独存在，对它们的量度与

[3]

物质运动的速度无关。”但是这个理论中却存在

力学的绝对时空观。

此外在其他理论领域，例如马赫在他的《力学

收稿日期：2008-04-07

作者简介：王印磊（1972－），男，山东泰安人，山东科技大学泰安校区基础部助教，研究方向：基础物理及教学.

着一个巨大的缺陷，那就是当物体的运动速度接近光速时一切就会是另外一种样子。

早在16岁的时候，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，将会看到一个怎样的世界呢？

坐落于瑞士首都伯尔尼市的一座钟楼，大钟的下面有一个天文钟。据说爱因斯坦乘车经过这里，钟楼上的时钟触发了他的灵感，爱因斯坦考虑如果他能以光的速度离开，时钟就会变成另外一种情况子。也就是说在某一时刻假设我们以光的速度离开，这就意味着这一时刻以后的光线将无法达到观察者眼中，也就是说观察者将无法看到时间的变化，于是时间仿佛变慢甚至停止了。因此爱因斯坦指出：对于不同的惯性系时间的量度是不可能相同的，时间和空间都是相对的，只是由于我们通常速度都太小了，感觉不出这种差异，这种相对性只有接近光速时才有所表现。也就是我们通常所说的，在接近光速情况下，物体长度缩短，时间会变慢并且质量会增加。

爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹论述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在。爱因斯坦在对运动物体光学问题的观察和分析使他对以太假说受到启发。他认为，运动物体的光学性能问题要涉及到它，光通过以太海洋传播，地球在以太海洋中运动，或者说以太相对于地球运动。爱因斯坦在最初考虑这个问题时并没有怀疑以太的存在，即不怀疑地球穿过以太的运动。为此爱因斯坦设想了使用两个热电偶的实验，虽然这个思想与迈克尔逊实验很相似，但未能付诸实施。除此之外，爱因斯坦试图从大量物理学文献中寻找以太流动的明显实验证据，但都没有成功。

这就不能不引起爱因斯坦对以太学说的怀疑。经过研究爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他认为以太绝对参照系已经不是必要的了，电磁场也不一定要有荷载物。爱因斯坦抛弃了以太学说，也就否定了牛顿设想的“绝对运动”。在即席演说《我是怎样创立相对论的》中

爱因斯坦讲到：

“当我知道迈克尔逊实验的奇怪结果，我很快得出结论，如果我们承认迈克尔逊的零结果是事实，那么地球相对以太运动的想法就是错误的，这是引导我走向狭义相对论的最早想

法。”

[4]

1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦《论动体的电动力学》的论文，并在同年9月发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。在这篇文章中，爱因斯坦提出光速不变这样一个大胆的假设，

“任何光线在静止的坐标系中都以确定的速度V运动着，不管这条光线是由静止

的还是由运动着的物体发射出来的”[5-6]

。爱因斯坦在他的论文中提出，光在虚空的空间中总是以一定的速度传播，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度，这速度同发射体的运动状态无关。用这一假设我们可以圆满的解释迈克尔逊-莫雷试验的

“零结果”。并且相对论还指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。这是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，这是物理学发展史上的一个巨大进展，是人们对时空观认识的一个质的飞越。

2万有引力本质

牛顿引力理论的核心是万有引力定律。万有引力定律的根本缺陷是它的“超距”形式，即两物体不论相隔多远，也不论中间是否存在媒介，他们都能以瞬间相等的引力相互作用着。牛顿自己也并不满意这种“超距”作用。他在寄给神学家理查德？本特利的一封信中坦率写道“假定引力是物质的一种根本的和固有的属性，因此一个物体能够超距地通过虚空的任何距离作用于另一个物体，而不经过任何媒介就传递作用力，在我看来，这是

多么荒诞，……”[7]

不过，还有一个问题，在牛顿定律准确描述引力强度的同时，牛顿却隐藏了一个尴尬的秘密，及对引力实际是如何运作的他一概不知，在牛顿之后250多年中，科学家们总是回避这个谜。但是，事情在20世纪初发生了转变。一位名不见经传的瑞士专利局的小职员改变了这一切，爱因斯坦在思索光的特性，令爱因斯坦想不到的是，他对光的思考所导致了他破解了牛顿那个引力的奥秘。26

岁的爱因斯坦提出了惊人的发现：原来光速是一种宇宙性的速度，宇宙万物都不能超越的速度！但是当年轻的爱因斯坦发表这个概念之后不久，他就发现自己却是在跟引力之父在搞对抗。问题在于爱因斯坦人为万物都不能超越光速。因为根据牛顿所说引力是瞬时的，对地球等天体的引力是不需要时间的，我们假设太阳突然毫无征兆的蒸发了，按照牛顿的说法，地球等星体将立即脱离轨道而飞向太空。也就是说我们将立即意识到太阳的毁灭。而爱因斯坦人为万物的速度都不能超越非牛顿所说的是被太阳的引力即时拉住了，而是随着太阳在时空面造成的曲线的反应。那么我们

依据这个对引力的新理解，再考虑前面所说的宇宙大灾难时，我们看这次太阳消失后的情况：太阳的消失造成引力波浪演示空面扩散，就像是将石子投入水中引起的涟漪，所以波浪在未到达地球之前，地球环绕太阳的轨道是不会改变的。并且爱因斯坦还计算出引力涟漪的行进速度是等于光速的。爱因斯坦用这个新概念解释了与牛顿在引力问题上的矛盾。他给世人揭示了引力的真实面貌：光速，当然也包括引力。我们知道太阳光线是需要8分钟才从太阳那里超越了9300万公里来到地

球的。既然引力也不能超越光速，那么地球又怎能在太阳毁灭后，也就是在黑暗之前就已脱离了轨道了呢？

爱因斯坦提出了广义相对论，广义相对论是有关引力的普遍理论，它与牛顿引力理论的根本不同是以引力场代替超距力。

从等效原理出发，将引力等效为时空的弯曲。广义相对论揭示了真实的空间不是平直的欧几里得空间，而是一个弯曲的非欧空间。爱因斯坦说：“我要指出空间-时间未必能被看作可以离开物理实体可以独立存在的东西，物体不是在空间中而是客体有空间的广延性，

因此空虚的空间就失去了它的意义。”[8]

空间的曲率取决于物质的分布，引力不过是空间弯曲的动力学效应。

爱因斯坦引力理论的核心是引力场方程：Rββ

α-1δαR=-8πGTβ

α

上式右端的量是引力场的能量－动量张量，具有“场源”的性质。场源造成空间的弯曲，则以左端的量来描述。

如何理解广义相对论的时空弯曲呢？这里我们借用一个模型式的比拟来加以说明。假如有两个质量很大的钢球，按牛顿的看法，它们因万有引

力相互吸引，将彼此接近。而爱因斯坦的广义相对论则并不认为这两个钢球间存在吸引力。它们之所以相互靠近，是由于没有钢球出现时，周围的时

空犹如一张拉平的网，现在两个钢球把这张时空网压弯了，于是两个钢球就沿着弯曲的网滚到一起来了。这就相当于因时空弯曲物体沿短程线的运动。所以，爱因斯坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。

爱因斯坦认为像地球这样的行星的运行，并

就是时空的扭曲和弯曲。并称这个引力新概念为广义相对论。爱因斯坦重塑了引力定律。

爱因斯坦提出三个验证公式：

=TTa（1-e2）（1）水星近日点的进动

φ=R

（2）光线弯曲△v=-GM（3）引力红移

其中S代表太阳，

M代表水星，E为地球。爱因斯坦广义相对论发表后不久，就得到水星轨道近日点进动、光线在强引力场中的弯曲和引力红移三大实验事实的验证，因而为物理学界所公认。广义相对论为物理学界接受之后，把人类对宇宙的认识推向了更为深广的领域，为创立现代宇宙学点定了理论基础。

3爱因斯坦宇宙方程

爱因斯坦对天文物理学最大的贡献莫过于他的宇宙学理论。他创立了相对论宇宙学，建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型，并引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念，大大推动了现代天文学的发展。

爱因斯坦利用广义相对论的场方程建构宇宙模型，这个方程的解暗示着宇宙的大小正在改变，不是正在膨胀就是正在收缩．而爱因斯坦局限于当时对宇宙的认识，认为宇宙应该是静止的，因此他又在广义相对论引力方程中引入了一个宇宙项A，叫“宇宙常数”，代表宇宙物质的一个成分。这个宇宙常数起的就是排斥力的作用，有了该常数之后，引力方程同时具备了引力和斥力，正好能够达到平衡，可让宇宙“静止”下来，方程的解给出一个稳定的宇宙模型。后来物理学家重新计算爱因斯坦广义相对论场方程，得出即使引入宇宙常数，宇宙模型的解也是运动的。

对于一个均匀的和各向同性的宇宙，Robert－son-Walker（R-W）度规是爱因斯坦广义相对论讨论宇宙学问题的基础[9]：

2

ds2=c2dt2-dσ2=c2dt2-a（t）

2dr2[+r（dθ2+sin2θdφ2）]（1）其中，α（t）为宇宙的尺度因子，它的变化代表

（r，θ，φ）构成一个特殊宇宙大尺度的变化。于是，

数。在暗能量的概念中，ρA是一个随时间缓变的函数，也就是说，真空的能量－动量张量的性质是和

观察者速度有关的。加入宇宙常数后的场方程是：

Gμv=8πG（Tμv+ρAgμv）

4宇宙大一统理论的构想

在物理学发展史中，建立统一理论始终是物理学家追求得最完美的目标。1686年伟大的英国物理学家牛顿（Isac·Newton，1643-1727），发表了著名的万有引力定律。牛顿提出使月球围绕地球旋转的力和在地球上使苹果落到地面上的力是同的坐标，它如同一个柔性的格网，大质量元在该坐标的径向位置由格点到中心的网格数确定，坐标（r，θ，φ）随着质量元运动而不断涨大，涨大的比例

由尺度因子α（t）决定。k是一个符号因子，k=+1时表示正曲率；k=0时表示平坦空间；k=-1时表示负曲率。

爱因斯坦宇宙场方程是[9]：Gμv=8πGTμv（2）在这里取光速等于1，等式的左边是度规gμv

的函数和它的一阶和二阶导数。Gμv是一与时空曲率有关的项，广义相对论告诉我们，引力产生于时空的弯曲，所以等号左边就是对引力的描述。等式的右边的G为万有引力常量。Tμv为能量－动量张量，代表宇宙的物质成分，包括粒子辐射场暗物质和暗能量。在度规下，由（1）可得：