Astronomy 版 (精华区)

　　这是爱因斯坦的伟大胜利。他的发现完全变革了我们思考空间和时间的方式。
它们不再是事件在其中发生的被动的背景。我们再也不能把空间和时间设想成永远
的前进，而不受在宇宙中发生事件影响的东西。相反的，它们现在成为动力学的量
，它们和在其中发生的事件相互影响。
　　质量和能量的一个重要性质是它们总是正的。这就是引力总是把物体相互吸引
到一起的原因。例如，地球的引力把我们吸引向它，即便我们处于世界的相反的两
边。这就是为什么在澳大利亚的人不会从世界上掉落出去的原因。类似地，太阳引
力把行星维持在围绕它公转的轨道上并且阻止地球飞向黑暗的星际空间。按照广义
相对论，质量总是正的这个事实意味着，时空正如地球的表面那样的向自身弯折。
如果质量为负的，时空就会像一个马鞍面那样以另外的方式弯折。这个时空的正曲
率反映了引力是吸引的事实。爱因斯坦把它看作重大的问题。那时人们广泛地相信
宇宙是静止的，然而如果空间特别是时间向它们自身弯折回去的话，宇宙怎么能以
多多少少和现在同样的状态永远继续下去？

　　爱因斯坦原始的广义相对论方程预言，宇宙不是膨胀便是收缩。因此爱因斯坦
在方程中加上额外的一项，这些方程把宇宙中的质量和能量与时空曲率相关联。这
个所谓的宇宙项具有引力的排斥效应。这样就可以用宇宙项的百斥去和物质扔吸引
相平衡。换言之，由宇宙项产生的负时空曲率能抵消由宇宙中质量和能量产生的正
时空曲率。人们以这种方式可以得到一个以同样状态永远继续的宇宙模型。如果爱
因斯坦坚持他原先没有宇宙项的方程，他就会做出宇宙不是在膨胀便是在收缩的预
言。直到1929年埃德温·哈勃发现远处的星系离开我们而去之前，没人想到宇宙是
变化的。宇宙正在膨胀。后来爱因斯坦把宇宙项称作“我一生中最大的错误”。

　　但是不管不没有宇宙项，物质使时空向自身弯折事实仍然是一个问题，尽管没
有被广泛认识到事情会是这样子的。这里指的是物质可能把它所在的区域弯曲得如
此厉害，以至于事实上把自己从宇宙的其余部分分割开来。这个区域会变成所谓的
黑洞。物体可以落到黑洞中去，但是没有东西可以逃逸出来，要想逃逸出来就得比
光旅行得更快，而这是相对论所不允许的，这样，黑洞中的物质就被俘获住，并且
坍缩成某种具有非常高密度的未知状态。

　　爱因斯坦为这种坍缩的含义而深深困扰，并且他拒绝相信这会发生。但是罗伯
特·奥本海默在1939年指出，一颗具有多于太阳质量两倍的晚年恒星在耗尽其所有
的燃料时会不可避免地坍缩。然后奥本海默受战争干扰，卷入到原子弹计划中，而
失去对引力坍缩的兴趣。其他科学家更关心那种能在地球上研究的物理。关于宇宙
远处的预言似乎不能由观测来检验，所以他们不信任。然而在二十世纪六十年代，
天文观测无论在范围上还是在质量上都有了巨大的改善，使人们对引力坍缩和早期
宇宙产生新的兴趣。直到罗杰·彭罗斯和我证明了若干定理之后，爱因斯坦广义相
对论在这种情形下所预言的才清楚地呈现出来。这些定理指出，时空向它自身弯曲
的事实表明，必须存在奇性，也就是时空具有一个开端或者终结的地方。它在大约
一百五十亿年前的大爆炸处有一个开端，而且对于坍缩恒星以及任何落入坍缩恒星
留下的黑洞中的东西它将到达一个终点。

　　爱因斯坦广义相对论预言奇性的事实引起物理学的一场危机。把时空曲率和质
量能量分布相关联的广义相对论方程在奇性处没有意义。这表明广义相对论不能预
言从奇性会冒出什么东西来。尤其是，广义相对论不能预言宇宙大爆炸处应如何启
始。这样，广义相对论不是一个完整的理论。为了确定宇宙应如何启始以及物体在
自身引力下坍缩时会发生什么，需要一个附加的要素。

　　量子力学看来是这个必须附加的要素。1905年，也正是爱因斯坦撰写他有关狭
义相对论论文的同一睥，他还写了一篇有关被称为光电效应现象的论文。人们观测
到当光射到某些金属上时会释放出带电粒子。使人迷惑的是，如果减小光的强度，
发射出的料一阵子数随之减少，但是每个发射出的粒子的速度保持不变。爱因斯坦
指出，如果光不像大家所假想的那样以连续变化的量，而是以具有确定性大小的波
包入射，则可以解释这种现象。光只能采取称为量子的波包形式的思想是由德国物
理学家马克斯·普郎克引进的。它有点像人们不以须超级市场买到散装糖，只能买
到一公斤装的糖似的。普郎克使用量子的观念解释红热的金属块为什么不发出无限
的热量。但是，他把量子简单地考虑成一种理论技巧，它不对应于物理实在中的任
何东西。爱因斯坦的论文指出，你可以观察到单独的量子。每一颗发射出的粒子都
对应于一颗打到金属上的光量子。这被广泛地承认为是对量子理论的一个重要贡献
，他因此而获得1922年的诺贝尔奖。（他应该因广义相对论而得奖可惜空间和时间
是弯曲的思想仍然被认为过于猜测性和争议性，所以他们用光电效应替代而颁奖给
他，这不是说，它本身不值得这个奖。）