Page 11 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

程及其引力理论，狭义相对论只是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况。爱因斯坦由引力
场方程推导出了一些重要结论，如水星近日点的进动规律、光线在引力场中发生弯曲、在较
强的引力场中时钟变慢等。这些结论均被后来的观测结果所证实，特别是通过测量雷达波在
太阳引力场中往返传播在时间上的延迟，以及对脉冲双星的天文观测结果，在很高的精密度
上证实了广义相对论的一系列结论。
狭义相对论把时间和空间联系起来，质能关系式把质量和能量联系起来，进一步到广
义相对论，爱因斯坦通过引力场方程又把时空和物质能量动量联系起来。广义相对论的引力
场方程形式如下
1
R   2 g  R   8 GT  （1.8）

此处 R 是用“度规张量”gμν来定义的，所以方程的左边只有“度规张量”，它刻画的是时空
的几何性质，由时空的几何结构决定。而方程右边的 Tμν是物质的能量动量张量，它刻画的
是时空的物理性质，由物质的能量（质量）和动量决定。引力场方程把四维时空中的物质分

布与它的黎曼空间的度规性质联系起来，精确地表明，时空的几何性质由物质分布的物理性
质所决定。物质及其运动使它附近时空的几何形态由平直变为弯曲，引力场等效于时空弯曲，
物质在弯曲的时空里沿最短路径“测地线”运动，引力就表现为弯曲时空的曲率。这样一来，
时空成了一种动力学机制，物质相互吸引变成了物质在弯曲时空中的自然运动，引力由此而
被几何化了。
广义相对论给宇宙学研究提供了理论框架。原则上来说，如果给出时空中的物质及其运
动情况就可以从引力场方程解出度规张量，给出宇宙的几何结构。爱因斯坦在创立广义相对
论之后，随即将其应用于宇宙学，试图构造一个宇宙模型。他设想我们的宇宙是静态的，空
间是闭合的，物质分布是均匀的和各向同性的。但他惊奇地发现，根据（1.8）式，他不能
构造这样一个宇宙模型，因为物质之间总是相互吸引的，所以不能得到一个静态宇宙模型。
为了克服这一困难，爱因斯坦只得在他的引力场方程中加上了一项宇宙常数Λ，以此抵消物
质之间的吸引力，使得宇宙保持静态。
然而，1922 年苏联物理学家和数学家弗里德曼（A.A.Friedmann）在对宇宙求解爱因斯
坦场方程时却发现，在爱因斯坦场方程中有膨胀的宇宙学解，这个解从理论上预示了我们的
宇宙不是静态的，而是在膨胀。这一发现也使得引入宇宙常数的理由似乎不存在了。1929
年美国天文学家哈勃(E.P.Hubble)从他的观察结果发现，绝大部分星体的光谱线都是红移，
而且相对红移的多少跟星体与我们的距离成正比，由此他提出，遥远的星系是离开我们在运
动，宇宙确实是在膨胀。星体离开我们运动的速度υ与星体离开我们的距离 r 成正比，这就
是哈勃定律，二者的比值（υ/r）称为哈勃常数。弗里德曼的学生伽莫夫（G.Gamow）接受
了宇宙膨胀的观点，他根据弗里德曼和哈勃等人的研究结果，提出了大爆炸宇宙论，认为宇
宙是从一个很小的范围膨胀开来的，就像爆炸一样。宇宙初始时刻的体积极小，温度极高，
随着宇宙体系不断地膨胀，温度从高到低，物质从密到稀，物质结构从简单到复杂，一直演
化到今天。根据大爆炸宇宙模型，伽莫夫预言了今天还应当存在着从初期“热宇宙”残余下
来的弥漫在整个宇宙空间的背景辐射。1965 年，美国科学家彭齐亚斯（A.A.Penzias）和威
尔孙（R.W.Wilson）在实验上发现了充满宇宙的 3K 微波背景辐射，证实了宇宙热大爆炸理
论的预言，为此他们获得了 1978 年诺贝尔物理学奖。于是，宇宙膨胀、微波背景辐射以及
原初元素丰度构成了大爆炸理论的三大观测支柱,使其成为标准宇宙学模型。
按照大爆炸宇宙模型，随着宇宙年龄增加，膨胀动力将会逐渐减弱，加上宇宙中物质间
的引力，应当会使宇宙膨胀减速，甚至开始收缩。然而，二十世纪九十年代末的天文观测结
果却出乎所有人的预料，那就是：宇宙正在加速膨胀！1998 年，美国的两个研究小组，超
新星宇宙学项目组（supe r nova cos mology project）和超新星搜寻组（supernova search team）

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