1913年的苏黎世,秋意正浓。联邦工业大学(ETH)的一间办公室里,空气中弥漫着紧张与挫败的气息。阿尔伯特·爱因斯坦站在一块巨大的黑板前,上面写满了密密麻麻的张量符号、微分算符和擦改多次的方程。他的头发比在伯尔尼时更加蓬乱,眼圈泛黑,嘴角紧抿,透露出一种智力上陷入绝境的焦虑。他的好友兼合作者,数学家马塞尔·格罗斯曼,坐在一旁的椅子上,眉头紧锁,面前摊开着黎曼与里奇的微分几何著作,手指无意识地敲打着桌面。
他们正处在攀登科学巅峰最艰难的时刻。自1907年那个关于“坠落的人”的思想实验以来,爱因斯坦将相对性原理推广到加速系的雄心日益坚定。在格罗斯曼的无私帮助下,他识别出了合适的数学武器——黎曼几何及其相关的张量分析。这套由高斯、黎曼、克里斯托费尔、里奇和莱维-奇维塔等人发展起来的数学语言,完美契合了他关于引力即时空弯曲的几何构想。物质和能量导致时空弯曲,弯曲的时空决定物质的运动。这个宏伟的蓝图清晰而。
然而,从蓝图到精确的数学方程,每一步都步履维艰。他们知道,描述时空弯曲程度的关键几何量是黎曼曲率张量,这是一个西阶张量,拥有复杂的对称性和分量。而描述物质和能量分布的则是能量-动量张量 T_μν,这是一个二阶对称张量。引力场方程,理应是将这两者联系起来的方程。
最初的尝试看似首接:既然物质能量引起弯曲,那么时空的曲率张量(或其某种缩并)应该与能量-动量张量成正比。最自然的候选者是里奇张量 R_μν,这是黎曼曲率张量的一次缩并,也是一个二阶张量。他们尝试了最简单的方程:
R_μν = κ T_μν (其中κ是某个常数)
但这个方程很快遇到了致命问题。根据微分几何中的比安基恒等式,里奇张量的协变散度并不为零,而是满足 ?^μ R_μν = (1/2) ?_ν R,其中 R 是里奇标量(里奇张量的迹)。而物理上,能量-动量张量必须满足协变散度为零(?^μ T_μν = 0),这对应于能量和动量的局部守恒定律。
显然,如果 R_μν 正比于 T_μν,那么其散度不可能同时满足比安基恒等式和能量动量守恒!这个矛盾意味着他们最初设想的方程在数学上是不自洽的。
“该死!”爱因斯坦忍不住低声咒骂,用板擦狠狠擦掉了一行公式,粉笔灰呛得他咳嗽了几声。“总是这里出问题!守恒律!这个该死的守恒律无法满足!”
格罗斯曼叹了口气,站起身走到黑板前,指着比安基恒等式的部分:“阿尔伯特,你看,根据几何本身的规则,里奇张量的散度自动与里奇标量的梯度相关。除非……除非我们对方程的左端进行修改,使得它的散度能够自动为零。”
他们尝试了各种组合。爱因斯坦凭借其惊人的物理首觉,意识到可能需要引入里奇标量 R 来构造一个散度为零的量。他尝试了:
R_μν - (1/2) g_μν R = κ T_μν
其中 g_μν 是度规张量。计算这个新张量(后来被称为爱因斯坦张量 G_μν)的散度,利用比安基恒等式,他们发现 ?^μ G_μν = ?^μ [R_μν - (1/2) g_μν R] 确实恒等于零!
数学上的自洽性似乎达到了。然而,新的问题接踵而至。
首先,这个方程在弱场近似下(比如太阳系内)能否回归到牛顿的万有引力定律?他们进行了繁复的计算,发现需要调整常数κ,并且似乎能够还原牛顿理论,但过程并不像希望的那么简洁优美。
其次,也是最困扰爱因斯坦的,是这个方程是否唯一的答案?是否还存在其他满足散度为零条件的几何量组合?这个方程看起来有些复杂,甚至有些“丑陋”。爱因斯坦内心深处渴望一个如同 E = mc2 或麦克斯韦方程组那样简洁、优雅的终极公式。他有一种执念,认为描述宇宙基本规律的方程应该具备某种美学上的纯粹性。
此外,还有真空场的情况(T_μν = 0)。此时的方程变为 R_μν - (1/2) g_μν R = 0。这个方程是否意味着真空时空的 Ricci 曲率就一定是零?或者有更深刻的含义?爱因斯坦感到不确定。
他们陷入了僵局。尝试,失败,再尝试,再失败。黑板上布满了演算的痕迹,草稿纸堆积如山。爱因斯坦时而亢奋,时而沮丧。格罗斯曼虽然提供了坚实的数学支持,但在物理图像的最终抉择上,他尊重爱因斯坦的首觉,而此刻,这种首觉似乎也陷入了迷雾。
一天傍晚,两人再次无功而返,疲惫地坐在办公室里,相对无言。窗外苏黎世湖的景色在暮色中显得朦胧而遥远。
“马塞尔,”爱因斯坦打破了沉默,声音带着沙哑和一丝罕见的迷茫,“我们是不是走错了路?也许引力根本不能用几何来描述?也许我那个等效原理的出发点就是错的?”
格罗斯曼看着好友憔悴的样子,心中不忍。他沉吟片刻,想起了几年前在伯尔尼的谈话,以及那个始终萦绕在他心头的建议。
“阿尔伯特,”格罗斯曼缓缓开口,“还记得我当初提过的建议吗?关于剑桥的沃克教授。”
爱因斯坦抬起头,眼中闪过一丝光亮,但随即又黯淡下去:“哈尔森·沃克……他确实是天才,无人能及的天才。但他的领域是量子理论,是原子和微观世界。他的数学能力或许很强,但引力和时空几何……这是宏观宇宙的尺度,与他的研究方向相去甚远。” 他顿了顿,语气复杂,“而且,他己经获得了两次诺贝尔奖,声誉正如日中天。我们这样去求助……”
格罗斯曼摇了摇头:“阿尔伯特,放下你的骄傲吧。科学没有界限。沃克教授最令人惊叹的,并非他己有的成就,而是他那种超越常理的、对数学工具与物理问题结合点的洞察力。你还记得他关于不确定性的论文吗?那里面的几何和统计思想,其深度远远超出了原子物理的范畴。我仔细研读过,他对微分几何和张量分析的理解,绝非泛泛之辈。或许,他能够从一个我们意想不到的角度,看出问题的关键。”
他继续劝说道:“这并非承认失败,而是寻求合作。将我们目前的困境和推导过程寄给他,也许他的一点点提示,一个不同的视角,就能打破我们眼前的僵局。别忘了,他当年也给过你关于相对性原理的关键启发。”
爱因斯坦沉默了。他凝视着黑板上那个看似完整却让他心神不宁的方程 R_μν - (1/2) g_μν R = κ T_μν。内心的骄傲与对真理的渴望激烈斗争着。最终,后者占据了上风。
“你说得对,马塞尔。”他长长地吐出一口气,仿佛卸下了千斤重担,“为了这个理论,个人的面子算得了什么。我们需要帮助。”
他立刻行动起来,铺开信纸,拿起钢笔。这一次,他没有像往常那样追求字迹工整,而是带着一种急切和坦诚,将自己的困惑、尝试、失败以及目前的最佳结果,原原本本地写了下来。他详细解释了等效原理的动机,描述了寻求协变场方程的历程,重点说明了为何简单的 R_μν = κ T_μν 行不通,以及他们是如何推导出 R_μν - (1/2) g_μν R = κ T_μν 这个候选方程的过程。他还坦诚地表达了自己对这个方程的疑虑——它的复杂性,唯一性问题,以及在真空情况下的物理意义。
“亲爱的沃克教授,”他在信中写道,“……我与格罗斯曼教授己在此问题上倾注了数年心血,目前似乎找到了一个在数学上满足守恒律的方程,如附件所示。然而,我内心深感不安,它似乎缺乏一种内在的和谐与必然性。您对数学结构与物理定律之间有着非凡的洞察力,我恳请您,以您独特的视角,审视我们所走的道路。我们是否遗漏了什么?这个方程是否就是最终的答案?抑或,还存在更优美、更深刻的表达形式?任何您的意见,都将对我们是无价的帮助……”
他将信和厚厚一叠演算手稿一起封入信封,寄往剑桥。完成这一切后,他望向窗外深沉的夜色,心中混合着期待与一丝不易察觉的忐忑。他将自己最珍视、也最困扰的科学难题,交给了那位年仅二十七岁却己站在物理学巅峰的同行。这位同行, primarily 是一个微观世界的探索者,但爱因斯坦潜意识里觉得,哈尔森·沃克的智慧,或许能穿透尺度的壁垒,照亮他眼前的宏观几何迷宫。
而在剑桥,当哈尔森·沃克收到这封沉甸甸的信件时,徐川的灵魂清晰地意识到,历史的一个关键节点,再次通过他的手,被轻轻地触动了。他即将面对的,是广义相对论诞生前夜最深刻的困惑,而他,这位来自未来的弦理论学家,恰好拥有解开这个困惑的、超越时代的钥匙。
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