苏黎世联邦工业大学的办公室里,深秋的寒意被室内持续燃烧的智力火焰驱散。阿尔伯特·爱因斯坦和馬塞尔·格罗斯曼再次深陷于铺天盖地的草稿纸和写满张量符号的黑板之中,但这一次,气氛与之前的挫败感截然不同。一种新的、充满希望的躁动在空气中弥漫,源头是几天前收到的那封来自剑桥的信。
哈尔森·沃克的回信,没有给出具体的数学答案,却像一道强烈的探照灯光,穿透了他们思考的迷雾,照亮了一个他们此前虽隐约感知却未能清晰把握的方向。爱因斯坦将那张薄薄的信纸反复阅读,几乎能背出其中的关键段落。他的手指无意识地在桌面上划动着,口中喃喃重复着那两个被哈尔森着重强调的核心概念:
“广义协变……守恒律约束……对称性……必然性……”
这些词语,如同咒语一般,在他脑海中激荡回响。他不再仅仅盯着那个让他不满意的候选方程 R_μν - (1/2) g_μν R = κ T_μν 的具体形式,而是开始从更高、更原理性的层面重新审视整个理论构建的逻辑。
“马塞尔,”爱因斯坦猛地抬起头,眼中闪烁着久违的锐利光芒,“沃克说得对!我们之前太执着于拼凑出散度为零的几何量,却忽略了这背后的‘为什么’!为什么场方程必须保证能量动量守恒?”
格罗斯曼放下手中的里奇微积分专著,专注地望向他:“你的意思是?”
“因为广义协变性!”爱因斯坦的声音因激动而略微提高,“如果我们的理论真正满足广义协变原理,即定律的形式在任意坐标变换下不变,那么,这种强大的对称性本身,就应该要求物质场的能量动量守恒是自动满足的,而不是我们额外强加的条件!守恒律应该是对称性的结果,而不是前提!”
格罗斯曼作为数学家,立刻捕捉到了其中的数学内涵:“你是说,比安基恒等式这类微分几何的恒等式,可能不仅仅是独立的数学关系,而是广义协变性在曲率张量上的具体体现?正是这些恒等式,保证了当我们构造出某个满足协变的几何量时,它的散度会自动具有某种性质,从而与守恒律相匹配?”
“正是如此!”爱因斯坦兴奋地站起身,走到黑板前,用力划掉了之前一些凌乱的尝试痕迹,“我们需要寻找的,不是一个碰巧散度为零的组合,而是一个其结构本身就由广义协变性所决定的方程。这个方程的形式,应该体现出这种深刻的和谐。”
在哈尔森“对称性引导”的启发下,他们的思路豁然开朗。他们不再进行盲目的试错,而是系统地审视黎曼几何中己有的、具有良好变换性质的张量。
他们重新回到黎曼曲率张量 R^ρ{σμν},这个描述时空弯曲最根本的量。它的缩并产生了里奇张量 R_μν 和里奇标量 R。比安基恒等式,?μ R^ρ{σμν} = 0 经过缩并后,给出了 ?^μ R_μν = (1/2) ?ν R。
“看!”格罗斯曼指着这个恒等式,“这个恒等式是几何本身固有的,是黎曼几何协变性的体现。如果我们构造一个张量 G_μν,使得它的散度 ?^μ G_μν 恒等于零,那么 G_μν 很可能需要与这个恒等式密切相关。”
爱因斯坦紧紧盯着黑板:“也就是说,我们要找的 G_μν,应该满足 ?^μ G_μν = 0。而根据比安基恒等式,?^μ [R_μν - (1/2) g_μν R] 正好等于零!这个组合……这个我们之前觉得‘丑陋’的组合,它的散度为零不是偶然的,而是几何协变性的必然要求!”
一种顿悟的狂喜开始在他心中蔓延。他们之前找到的这个方程,并非妥协的产物,万物之理时空旋律说:欢迎到顶点小说220book.com阅读本书!而是唯一满足广义协变性和自动保证守恒律的自然选择!它的形式不是随意的,而是由时空几何的内在对称性所唯一确定的!
“但是常数κ呢?”格罗斯曼提出下一个问题,“以及方程在弱场和牛顿极限下的还原?”
他们开始了新一轮紧张而有序的计算。这一次,目标明确,信心十足。他们需要确定比例常数κ,使得在弱引力场、低速近似下,场方程能够准确地回归到牛顿的万有引力定律。
爱因斯坦运用他高超的近似计算技巧,考虑一个静态、弱场的情况,将度规张量 g_μν 写为闵可夫斯基度规 η_μν 加上一个微扰 h_μν。经过一系列繁复但条理清晰的推导(其中涉及了00分量的主导项计算和泊松方程的对比),他们最终确定,为了与牛顿理论一致,常数κ必须取值为:
κ = 8πG / c?
其中G是牛顿万有引力常数,c是光速。
当这个简洁而充满物理意义的常数被确定时,办公室里的空气仿佛凝固了。G,代表牛顿引力,是宏观世界的基石;c,光速,是相对论时空的绝对速度上限。这个组合巧妙地将旧理论的核心常数与新理论的框架结合在一起,象征着一种承前启后的和谐。
爱因斯坦深吸一口气,用微微颤抖的手,拿起粉笔,在黑板中央一片特意留出的空白处,庄重地写下了那个历史性的方程:
G_μν = (8πG / c?) T_μν
其中,G_μν = R_μν - (1/2) g_μν R,正是后来被称为爱因斯坦张量的量。
写完最后一个符号,他后退一步,屏息凝视。格罗斯曼也站起身,走到他身边,沉默地看着黑板。
方程的形式异常简洁:左边是纯粹描述时空弯曲几何的爱因斯坦张量 G_μν,右边是描述物质和能量分布的能量-动量张量 T_μν,两者通过一个包含自然界基本常数 G 和 c 的系数联系起来。没有多余的项,没有人为的修饰。它用最精炼的数学语言宣告:物质的能量和动量决定了时空的弯曲方式,而弯曲的时空决定了物质的运动轨迹。
这是一种前所未有的、深刻的美。它不再是经典物理中超距作用的“力”,而是一种内在于时空几何结构的动力学互动。宇宙的引力图景,被这个方程完美地统一在一个几何框架之下。
长时间的寂静之后,爱因斯坦缓缓转过头,看向格罗斯曼。他的眼眶微微,脸上洋溢着一种近乎宗教般的虔诚和极度智力满足的喜悦。他声音沙哑,却充满了力量:
“马塞尔……他指给了我们通往宝藏的最后一道门!”
这个“他”,不言而喻,指的是剑桥的哈尔森·沃克。是沃克那封关于对称性与守恒律的信,如同阿里阿德涅的线团,引导他们走出了迷宫,让他们看清了这条通往真理的、必然且优美的路径。
格罗斯曼重重地点了点头,伸出手,紧紧握住了爱因斯坦的手。两位合作者,一位以无与伦比的物理首觉引领方向,一位以坚实的数学功底铺平道路,在这一刻,共同见证了物理学史上最伟大的奇迹之一——爱因斯坦场方程的诞生。
窗外,苏黎世的夜空繁星点点,仿佛也在默然注视着这颗在地球上点燃的、即将照亮整个宇宙学未来的思想火炬。广义相对论,这座二十世纪物理学的宏伟殿堂,终于立下了最重要的基石。而这一切,与远方那位时空先知的关键点拨,密不可分。群星之怒,因这深刻的和解,暂时平息,展现出宇宙那令人敬畏的几何之美。
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